Дистанционное зондирование пожаров с помощью

Дистанционное
зондирование пожаров с
помощью малого спутника
BIRD
K. Brieß, E. Lorenz, D. Oertel, W. Skrbek
DLR Institute of Space Sensor Technology and Planetary Exploration
Б. С. Жуков, Я. Л. Зиман
Институт космических исследований РАН
Малый спутник BIRD (Bi-spectral InfraRed Detection)
Задачи:
• Тестирование новых технологий малых
спутников
• Тестирование нового поколения ИК съемочных
систем на линейках фотодиодов с адаптивным
динамическим диапазоном
• Детектирование и
количественный анализ
высокотемпературных
явлений (пожары, вулканическая активность и др. )
Запуск BIRD 22 октября 2001
индийской ракетой PSLV-C3
Орбита BIRD
Тип:
солнечно-синхронная
Высота:
568 км
Наклонение:
97.8º
Нисходящий узел: 10:30
Период возврата:
12 дней
Съемочные системы спутника BIRD
Спектральные зоны
надирных каналов1
WAOSS-B
HSRS
NIR: 0.84-0.90 мкм
Число пикселов
2880
MIR: 3.4-4.2 мкм
TIR: 8.5-9.3 мкм
2x512
Разрешение
185 м
370 м
Шаг отсчета
185 м
185 м
Полоса захвата
533 км
190 км
1
1-2
11 бит
14 бит для каждой
экспозиции
Число экспозиций
Квантование
1WAOSS
имеет дополнительно 2 стерео канала (VIS and NIR)
Полезная нагрузка (30.2 кг)
Сравнение спектральной яркости пожара и других объектов
Адаптивный алгоритм детектирования пожаров
0. Выделение характерных пикселов фона:
I MIR  320К (днем) или I MIR  310К (ночью); 0.2   NIR  0.6; TTIR  265K
1. Адаптивный пороговый тест для яркости в канале MIR (3.4-4.2 мкм) для
выделения потенциальных «горячих пикселов»: I MIR  threshMIR
2. Пороговый тест для коэффициента яркости в канале NIR (0.84-0.90 мкм) для
фильтрации сильных солнечных бликов и облаков:  NIR  0.6
3. Адаптивный пороговый тест для отношения яркостей в каналах MIR (3.8-4.2
мкм) и NIR(0.84-0.90 мкм) для фильтрации хорошо отражающих объектов:
I MIR I NIR  threshMIR I NIR ,bg
4. Адаптивный пороговый тест для отношения яркостей в каналах MIR (3.8-4.2
мкм) и ТIR (8.5-9.3 мкм) для фильтрации теплых поверхностей:
I MIR I TIR  threshMIR I TIR ,bg
5. Объединение смежных «горячих пикселов» в кластеры и оценка характеристик
кластеров (координаты, температура и площадь пожара, мощность излучения)
Оптимизация порога threshMIR
2.2·IMIR,bg
threshMIR,1
threshMIR,2
Выбирается минимальный из двух порогов:
threshMIR,1  I MIR,bg  min( 0.1  0.8  I MIR,bg ; 0.95)
threshMIR, 2  I MIR,bg  min( 0.2  10   MIR,bg ; 0.95)
BIRD
Западная
Australia
16 октября 2003
MIR: 3.4-4.2 μm
NIR: 0.84-0.90 μm
TIR: 8.5-9.3 μm
Эфф. температура
пожара
10 km
0.1
11000
10
400
400
700
1000
KMW
KHa
1 0.01
10700
100 1000
Эфф. площадь
пожара
Мощность
излучения пожара
BIRD
Португалия
4 августа 2003
MIR: 3.4-4.2 μm
NIR: 0.84-0.90 μm
TIR: 8.5-9.3 μm
Эфф. температура
пожара
10 km
0.01
0.1750 1
500
1
100
10 HaK
1000
10000
MW
Эфф. площадь
пожара
Мощность
излучения пожара
Биспектральный метод оценки температуры и
площади пожара (Dozier, 1981)
TF - эффективная температура пожара
qF  AF  PSF (x F ) - эффективная пропорция пожара
в пикселе (произведение эффективной площади
пожара и функции рассеяния точки (ФРТ) канала)
I MIR  qF BMIR TF   1  qF  I MIR,bg
I TIR  qF BTIR TF   1  qF  I TIR ,bg
где:
BMIR T 
I MIR,bg
и
и
I TIR ,bg
BTIR T  - усредненная функция Планка для каналов MIR и TIR,
- яркость фона в каналах MIR и TIR (по соседним пикселам)
Применение Биспектрального метода к кластерам позволяет исключить
влияние ошибок совмешения каналов и различия их ФРТ
Кластер «горячих пикселов»
Ошибка совмещения каналов MIR
и TIR в 0.2 размера пиксела
Кластер «горячих пикселов»
Различие ширины ФРТ каналов
MIR и TIR в 10%
Оценка мощности излучения пожара
1. На основе эффективной температуры и площади пожара:


PF    TF4  Tbg4  AF
2. На основе соотношения (Wooster, Zhukov and Oertel, 2003):
PF  17.3 1852 
 I
MIR
 I MIR,bg  [W ]
hotspot
(применимо при TF  700 K)
Влияние ошибки оценки яркости фона в канале TIR (8.5-9.3 мкм) на точность
Биспектрального метода (для пожара с эффективной температурой 800 К)
Наземная верификация детектируемости
пожаров с помощью BIRD
Дневное детектирование :
площадь пожара = 12 м2
Дневное детектирование :
площадь пожара = 4 м2
мощность излучения:
11 MW (BIRD), <17 MW (наземн.)
Пожары в районе Сиднея, Австралия (BIRD, 5 января 2002)
10 km
NIR: 0.84-0.89 μm
TIR: 8.5-9.3 μm
Пожары в районе Сиднея, Австралия (BIRD, 5 января 2002)
10 km
MIR: 3.4-4.2 μm
Детектированные пожары
Пожары в районе Сиднея, Австралия (BIRD, 5 января 2002)
10 km
Карта пожаров по данным
MODIS (стандартный продукт)
Карта пожаров по данным BIRD
Пожары в Сибире к западу от Байкала (BIRD, 14 мая 2003 )
Marinsk
10 km
1 10 100 1000 MW
Развитие пожаров в районе Лос-Анжелеса по данным ночных съемок BIRD
BIRD
27 October 2003
7:07 GMT
BIRD
28 October 2003
6:59 GMT
Los Angeles
Los Angeles
BIRD
29 October 2003
6:53 GMT
Los Angeles
10 km
0.1
1
10 MW / pixel
Пожары торфянников на Калимантане (BIRD, 24 августа 2003)
10 km
Дневное детектирование пожаров угольных пластов, Нингся,
Китай (BIRD, 21 сентября 2002)
5 km
MIR: 3.4-4.2 μm
Детектированные пожары и данные
наземных обследований: пожары
(крестики) и котельные (треугольники)
Ночное детектирование пожаров угольных пластов, Нингся,
Китай (BIRD, 21 сентября 2002)
5 km
MIR: 3.4-4.2 μm
Детектированные пожары и данные
наземных обследований: пожары
(крестики) и котельные (треугольники)
Наблюдения в. Этна, Сицилия (BIRD, 18-20 июля 2002, канал MIR)
10 km
T > 449 K
A < 0.87 Ha
E = 10 MW
T > 406 K
A < 1.4 Ha
E = 8.5 MW
1 km
18 июля 2002
19 июля 2002
20 июля 2002
Ночные съемки нефтяных пожаров в районе Киркук, Ирак
(BIRD, 4 апреля 2003)
10 km
NIR: 0.84-0.90 μm
MIR: 3.4-4.2 μm
TIR: 8.5-9.3 μm
Эффективная температура нефтяных пожаров - 1500-1750 K
Дополнительная информация:
http://spacesensors.dlr.de/SE/bird
Руководитель проекта:
Dr. Eckehard Lorenz (Eckehard.Lorenz@dlr.de)
Научный координатор проекта:
Prof. Dieter Oertel (Dieter.Oertel@dlr.de)