Takaisin sisällysluetteloon
Takaisin seminaariesitelmiin
Takaisin Fotogrammetrian laitoksen kotisivulle

1. Johdanto

Metsäpalot aiheuttavat taloudellisia menetyksiä metsänomistajille sekä vaaratilanteita asutusalueilla. Jos palo havaitaan ajoissa ja sammutustoimenpiteet saadaan käyntiin ennen palon leviämistä, vahingot jäävät oleellisesti pienemmiksi. Metsäpalokausi ajoittuu Suomessa kesä-elokuuhun ja palojen valvonta hoidetaan tällä ajalla mm. toistuvilla tarkistuslennoilla. Menetelmä on kallis ja tehoton, palo leviää kuivassa metsässä muutamassa tunnissa kun tarkistuslento suoritetaan samalla alueella esim. vain kolmen päivän välein. Tehokkaampi menetelmä palojen löytämiseksi on tulkita palot satelliittikuvilta. Metsäpalopesäkkeen lämpötila on korkea ympäristöön verrattuna ja palo emittoi säteilyä, joka näkyy kuvalla. NOAA-satelliiteista radiometrillä otetut kuvat soveltuvat metsäpalojen tulkitsemiseen.

2. NOAA/AVHRR

2.1 NOAA-satelliitit

NOAA (National Oceanographic and Athmospheric Administration) -satelliittien sarjan aloitti vuonna 1978 avaruuteen laukaistu TIROS-N-satelliitti ja siitä lähtien NOAA-satelliitit ovat mitanneet maata ja sen ilmakehää. Sarjan uusimpia satelliitteja ovat NOAA 12 ja NOAA 14, vanhimmat satellitit ovat jo poissa käytöstä.

Satelliitit kiertävät aurinkosynkronista rataa noin 850 km:n korkeudella maanpinnasta. Aurinkosynkronisella radalla olevan satelliitin ratatason pyörimisnopeus auringon suhteen on nolla ja tällöin satelliitti ylittää saman alueen aina samaan aikaan. (Grandell, 1995) Satelliitin kiertoaika on 101,5 minuuttia ja kuvausväli 12 tuntia. Sama alue ohitetaan tarkasti n. 9,2:n vuorokauden välein, mutta koska sarjaan kuuluu useampia satelliitteja, alue voidaan kuvata n. 12 tunnin välein. NOAA-satelliittien tärkein kuvausinstrumentti on AVHRR-radiometri. (Advanced Very High Resolution Radiometer). (Lillesand, Kiefer, 1994)

2.2 AVHRR-instrumentti

Radiometri on passiivinen instrumentti, joka mittaa säteilyä. (Grandell, 1995) AVHRR- instrumentissa on 5 kanavaa, joista kukin mittaa säteilyä eri aallonpituusvälillä. Satelliittiin kuuluu keilain, joka liikkuu lentosuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa säännönmukaisella tavalla. Dataa saadaan keilausalueen levyiseltä kaistalta, joka AVHRR -insrumentilla on n. 3000 km. Nadiirikuvan maanpinnan erotuskyky on n. 1,1 km. (Lillesand, Kiefer 1994)

Eri kanavien tietoa voidaan hyödyntää eri tarkoituksiin. Ohessa on AVHRR-instrumentin kanavat, aallonpituusalueet ja käyttötarkoitukset (Lillesand, Kiefer, 1994) :

1. 0.58-0.68 µm. Pilvien, lumen ja jään seuranta

2. 0.725-1.1 µm. Veden ja kasvillisuuden seuranta

3. 3.55-3.93 µm. Merenpinnan lämpötilan seuranta, tulivuoret, metsäpalot

4. 10.3-11.3 µm. Merenpinnan lämpötilan seuranta, maaperän kosteus

5. 11.4-12.4 µm. Merenpinnan lämpötilan seuranta, maaperän kosteus

AVHRR-kuvien käytön etuna on, että kuvia saadaan useita vuorokaudessa ja samalla alueella tapahtuvia muutoksia voidaan siis seurata. Lisäksi kuvilla on laaja peittoalue ja kuvien käyttö on suhteellisesti edullista. Metsäpalosovelluksen kannalta on oleellista, että kanavat mittaavat lähi-infra- ja infrapuna-aallonpituusalueita.

Suomessa Meteorologian laitos välittää NOAA-kuvia. Kuvat otetaan vastaan Helsingin Kaisaniemessä. Vuonna 1996 vastaanotettiin NOAA12- ja NOAA14- satelliiteista tulleita kuvia. Päivällä saatujen kuvien määrä vuorokaudessa vaihtelee yhdestä kahdeksaan. Koska AVHRR-instrumentti ei näe pilvien läpi, osa kuvista on kuitenkin käyttökelvottomia maanpinnan tarkkailuun.

3. Metsäpalojen havainnointi ja hälytyksen tekeminen Suomessa

3.1 Yleistä

Metsäpalojen tulkitsemista NOAA/AVHRR-kuvilta on kokeiltu mm. Suomessa, Afrikassa (Arino, Melinotte 1995), Kanadassa (Flanning, Vonder, 1986), Välimerenmaissa (Häme, Rauste 1995) ja Brasiliassa (Lohi, 1997). Tulkinnasta saatuja tietoja hyödynnetään eri sovelluksissa. Esimerkiksi vuodesta 1992 Afrikan mantereesta on ilmestynyt kuukausittain tulipaloraportti, jossa eri alueille on laskettu indeksi siellä tapahtuneiden palojen määrästä johtuen. Raportin tietoja käytetään hyödyksi maankäytön ja metsäteollisuuden sovelluksissa sekä ilmaston tutkimuksessa. (Arino, Melinotte 1995) Brasiliassa palojen havaitsemisella kartoitetaan sademetsien hävitystä. Suomessa VTT:n Automaatiossa on kehitetty menetelmä, jossa metsäpaloja havaitaan automaattisesti satelliittikuvilta ja palon havaitseminen johtaa hälytyksen tekemiseen. Menetelmää on kokeiltu joitakin vuosia.

3.2 Palojen säteilyn teoriaa

Metsäpalojen havaitseminen satelliittikuvilta perustuu siihen, että palopesäkkeen lämpötila on ympäristöään oleellisesti korkeampi. Wienin siirtymälain mukaisesti kohteen lämpötilan noustessa säteilymaksimin aallonpituus pienenee. Laki ilmoittaa teholtaan suurimman säteilyn aallonpituuden l max. (Grandell, 1995)

l max=(2898µm/T), T on kohteen lämpötila Kelvineissä.

Metsäpalojen lämpötilaksi on mitattu pohjoisella havumetsävyöhykkeellä n. 800-1000 K. Mustan kohteen emissio riippuu aallonpituudesta ja lämpötilasta Plancin kaavan mukaan (Rauste, 1996) :

Käytännössä vastaanottimeen saapuva signaali koostuu auringon, maan ja palon säteilystä. Jos nämä kompinentit ovat Ms, Me ja Mf ja auringon lämpötilaksi arvioidaan 6000K ja maan 300K, on signaali-kohina suhde (Rauste, 1996) :

Pohjoisen havumetsävyöhykkeen metsäpalot ovat verrattain “viileitä” ja signaali-kohina-suhde tästä johtuen pieni.

NOAA-satelliiteissa olevan AVHRR-instrumentin kanava 3 mittaa säteilyä allonpituusalueella 3.55-3.93 µm. Pilveettömällä ilmalla palot voidaan havaita kuvilta kanavalta kolme.

3.3 Projekti

VTT:n Automaatiossa on kehitetty menetelmä metsäpalojen automattiseksi havaitsemiseksi NOAA-satelliittikuvilta. Menetelmää kokeiltiin ensimmäisen kerran kesällä 1993. Projektin rahoittaa sisäasiainministeriön pelastusosasto ja projekti on tehty yhteistyössä Meteorologian laitoksen kanssa. Tutkija Yrjö Rauste on ollut projektin keskeinen työntekijä, nyt projektia jatkaa tutkija Anssi Lohi.

3.4 Kuvat

Menetelmässä käytetään NOAA 12 ja 14-satelliiteista otettuja kuvia. Kuvat vastaanottaa Meteorologian laitos. Yksi kuva kattaa alueen, jonka koko on n. 1150*1150km ja tutkimusalue sijoittuu siten, että kuvan keskipiste on Pietarissa. Alue on kuitenkin tarkoitus muuttaa kesäksi 1997 sellaiseksi, että koko Suomi näkyy kuvalla. Päivittäin prosessoitujen kuvien määrä vaihtelee satelliittien sijainnista ja kuvamateriaalin laadusta johtuen.

Kuva1: Kokeilukaudella 24.6-16.9.1996 prosessoitujen kuvien lukumäärä päivittäin.
(VTT Automaatio, Kesän 1996 kokeilukauden loppuraportti, Yrjö Rauste)

3.5 Työvaiheet

Kuvat käsitellään automaattisesti Meteorologian laitoksessa. Työvaiheet ovat seuraavat (Rauste, 1996):

1. Vastaanottimen virheistä ja pilvistä johtuvan “huonon” datan eliminoiminen

2. Kuvan oikaisu

3. Kuumien pikselien eli mahdollisten metsäpalojen etsiminen

4. Pikselien tarkistus, väärien hälytyksien ehkäisy

5. Hälytysviestin lähettäminen

Kuva2: Työvaihekaavio.

(Proceeding of the 58 Congress of ISPRS, Rauste, 1996)

1. “Huonon” datan eliminoiminen

Satelliitista mitattu tieto lähetetään maahan signaalina. Tiedon vastaanotossa tapahtuu virheitä signaalin ollessa huono. Tällöin tietovirta sisältää satunnaisia lukuja mitattujen arvojen sijasta. Virheet esiintyvät usein useamman rivin ryhminä. Vastaanotettu tieto tarkistetaan automaattisesti ja virheelliset pikselirivit merkitään ennen metsäpalojen tulkintaa. (Rauste, 1996)

Virheelliset rivit tunnistetaan laskemalla kullekin riville keskiarvo kolmelta kanavalta ja vertaamalla keskiarvoja ympäristön keskiarvoihin. Jos yhdenkin kanavan keskiarvo poikkeaa ympäristön keskiarvoista ennalta säädettyä kynnysarvoa enemmän, rivi merkitään virheelliseksi ja ohitetaan kuvien tulkinnassa. Virheellisen pikselirivin lisäksi poistetaan yksi rivi sen ylä- ja alapuolelta kuvamateriaalin laadun varmistamiseksi. (Rauste, 1996) Tämä on tärkeää, sillä yksittäiset taustasta poikkeavat pikselit merkittäisiin ehkä myöhemmin mahdollisiksi metsäpaloiksi. Lisäksi merkitään pilvien alle jäävät alueet kuvan oikaisua varten. Ohjelma vertaa kuvan kanavan 2 arvoja ennalta määrättyyn kynnysarvoon. Kynnysarvon ylittyessä alue merkitään pilveksi ja ohitetaan oikaisussa. (Rauste, 1996)

2. Kuvan oikaisu

Kuvan oikaisu tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensimmäinen, alustava oikaisu perustuu satelliitin rataparametreihin ja satelliitista lähetettyyn ratatelexiin. Ratatelex sisältää satelliitin sijaintitiedon tietyllä hetkellä. Tämän tiedon ja rataparametrien avulla voidaan laskea, missä satelliitti on ollut kuvanottohetkellä ja mikä on ollut mittauskulma. (Lohi, 1997)

Toisessa oikaisussa kuvan kanavaa 2 verrataan tukitietona olevaan Suomen alueesta tehtyyn kuvamosaiikkiin. Kuva sovitetaan mosaiikin päälle ja ohjelma etsii kuvakorrelaation avulla tukipisteitä. Etsintää jatketaan kunnes tukipisteitä on löytynyt 20 tai kunnes 8 minuutin aikaraja on mennyt umpeen. (Lohi, 1997) Tukipisteiden avulla kuvalle lasketaan oikaisu affiinisella muunnoksella Gauss- Kruger-karttaprojektioon.

Oikaisun tarkkuus vaihtelee suuresti. Alustava oikaisu voi olla hyvinkin epätarkka satelliitin ratatelexin vanhuudesta johtuen. Alustavan oikaisun epätarkkuus vaikutta jälkimmäiseen oikaisuun heikentävästi. Jos kuvan ja mosaiikin vastaavuutta ei löydetä, eli tukipisteiden etsimiseen kuluu yli 8 min, jälkimmäinen oikaisu jää suorittamatta. Onnistuneen oikaisun seurauksena sijaintitarkkuus on n. 3 km, ja epäonnistuneen n. 50 km.

3. Metsäpalojen etsiminen

Metsäpaloja tulkitaan kuvan kanavalta 3. Palo emittoi tehollisesti suurinta säteilyä aallonpituudella 3,5 µm. Infrakanavilla asteikko, 0-256, on määritelty siten, että kylmin pikseli saa suurimman arvon ja kuumin alhaisimman. Tällöin pilvet näyttävät valkoisilta. (Rauste, 1996)

Kuvalta etsitään pikselit, joiden kanavan kolme arvo on matala. Jos nämä arvot ovat matalampia kuin määritelty kynnysarvo, kohdat luokitellaan mahdollisiksi metsäpaloksi. (Rauste, 1996) Kynnysarvo säädetään siten, että se poikkeaa riittävästi, (yli 100 yksikköä), alueen normaalilämpötilaa edustavista pikseleistä. Kynnysarvoa säätällä systeemin herkkyyttä voidaan vaihdella, Suomessa on käytetty esimerkiksi arvoa 100. (Lohi, 1997)

4. Löydettyjen palojen tarkistus

Virheellisten tulkintojen ehkäisemiseksi löydetyt “kuumat” pikselit tarkistetaan. Tarkistuksessa käytetään hyväksi AVHRR-instrumentin muiden kanavien arvoja sekä kuvausgeometriaa. Radiometrillä pyritään mittaamaan kohteen itsensä emittoimaa säteilyä, mutta käytännössä vastaanottimeen saapuva säteily on summa emittoituneesta, heijastuneesta ja sironneesta säteilystä. (Grandell, 1995) Erityisesti vedestä ja pilvistä heijastunut auringonvalo muistuttaa säteilyarvoltaan metsäpaloa. Algoritmi käy läpi yleisimmät virhelähteet:

1. Auringonvalon heijastuminen vedenpinnasta tai pilvestä. Auringonvalon suun- takulma kuvanottohetkellä tunnetaan. Rataparametrien avulla lasketaan kullekin pikselille maastonkohteesta vastaanottimeen kulkevan vektorin suuntakulma. Jos laskettu kulma ja auringon suuntakulma eroavat toisistaan säädettyä kynnysarvoa vähemmän, pikseli hylätään mahdollisena metsäpalona. (Rauste, 1996)

2. Pilvet. Päiväsaikaan pilvet erottuvat hyvin kanavalla 2, ( 0,725-1,1µm). Kohde luokitellaan pilveksi ja hylätään siis mahdollisena metsäpalona jos kanavan kaksi arvo on ennalta säädettyä kynnysarvoa suurempi. (Rauste, 1996) Kynnysarvo on luokaa 300. (Lohi, 1997)

3. Pilvet. Pilvien eliminoimiseksi tarkastellaan myös kanavan 4 arvoa. Kohde luokitellaan pilveksi ja hylätään siis mahdollisena metsäpalona jos kanavan neljä arvo on ennalta säädettyä kynnysarvoa suurempi. (Rauste, 1996)

4. Kuvan reunoilla virheet kasvavat. Kohde hylätään metsäpalona jos se sijaitsee tiettyä etäisyyttä lähempänä kuvan reunaa. (Rauste, 1996)

5. Huono kuvamateriaali. Jos paloja löydetään yhdeltä kuvalta säädettyä kynnysarvoa enemmän, (esim 30), kuva hylätään ja yhtäkään hälytystä ei lähetetä. (Lohi, 1997)

Jos löydetty “kuuma” pikseli läpäisee kaikki testit, pikseli tulkitaan metsäpaloksi. Löydetyistä paloista lasketaan seuraavat arvot, (Rauste, 1995):

1. Metsäpalopesäkkeeseen kuuluvien pikselien määrä eli palon laajuus

2. Pienin kanavan 3 arvo

3. Kanavan 3 keskiarvo

4. Palopesäkkeen sijainti

Tärkeimmät tiedot ovat palopaikan sijainti ja laajuus, muita tietoja kerätään lähinnä tilastoihin. Kokeiluissa on huomattu, että terästehtaat muistuttavat säteilyarvoiltaan metsäpaloja. Ennen hälytyksen lähettämistä löydetyn palon koordinaatteja verrataan vielä tukitietona oleviin terästehtaiden koordinaatteihin. Palo hylätään, jos joku tehdas sijaitsee kynnysarvoa lähempänä. (Lohi, 1997)

Kuva 3: Kokeilukaudella 24.6.-16.9.1996 havaittujen palojen lukumäärä päivittäin.
(VTT Automaatio, Kesän 1996 kokeilukauden loppuraportti, Yrjö Rauste)

5. Hälytyksen tekeminen

Palosta tehdään automaattisesti ilmoitus paloalueen aluehälytyskeskukseen faksilla. Viestiin liitetään koordinaattien lisäksi kartta, jossa palopaikka osoitetaan nuolella, havaitsemisaika sekä arvio koordinaattien tarkkuudesta. Koordinaatit annetaan sekä maantieteellisessä koordinaatistossa että yhtenäiskoordinaatistossa. Hälytyksiä on lähetetty myös Suomen alueen ulkopuolelle Latviaan, Ruotsiin, Viroon ja Venäjälle. (Lohi, 1997)

3.6 Aikataulu

Menetelmän nopeus on riippuvainen kuvien saannista. Kuvan vastaanottohetkestä hälytysviestin lähettämiseen kuluu n. 35 minuuttia. (Lohi, 1997)

3.7 Koetuloksia

Menetelmää on kokeiltu käytännössä kesinä 1993-1996. Vuonna 1996 hälytys tapahtui jo täysin automattisesti. Hälytysfakseihin liitettiin joitakin kysymyksiä ja vastauspyyntö. Tärkeintä on ollut tietää, onko jotain todella palanut. Vastauksien perusteella voidaan sanoa, että menetelmä toimii käytännössä. Osa tulkituista paloista on ollut metsäpaloja ja osa kulotuksia. Vääriä hälytyksiä on myöskin tullut muutama, mutta suhteessa vähän. Kuvan oikaisussa tapahtunut virhe on myös toisinaan aiheuttanut jopa 50 km:n virheen koordinaatteihin, (kuva 5, palo Gotlannin lounaispuolella Itämemeressä.) (Rauste, 1996)

Kuva 5: Kokeilukaudella 24.6.-16.9.1996 havaitut palot.
(VTT Automaatio, Kesän 1996 kokeilukauden loppuraportti, Yrjö Rauste)

4. Tutkimusnäkymiä

Menetelmän kehittämisessä on kaksi päätavoitetta: Virheilmoitusten eliminointi ja huonojen kuvien automaattinen hylkäys. (Lohi 1997)

Virheilmoitusten karsiminen on oleellista, sillä ne heikentävät paloviranomaisten luottamusta ja kiinnostusta järjestelmään. Toisaalta virheilmoitusten määrä oli jo kesällä 1996 pieni.

Huonojen kuvien hylkäys automaattisesti ennen kuvan oikaisua taas vähentäisi turhaa työtä ja parantaisi käytetyn kuvamateriaalin laatua. Kuvia tulisi hylätä esim. seuraavista syistä:

-kuva on otettu yöllä, kuvan kanava 2 on pimeä, kuvan jälkimmäistä oikaisua ei voida suorittaa

-kuva on otettu aamuyöllä, osa kuvan kanavasta 2 pimeä, kuvan jälkimmäistä oikaisua ei voida suorittaa

-vanha rataviesti, kuvan alustavasta ja lopullisesta oikaisusta tulee epätarkka

Kesällä pohjoisilla leveysasteilla käsite “yö” on epätarkka. “Yö” voidaan kuitenkin määritellä esim. auringon korkeuskulman avulla. (Rauste, 1996)

Muutoksia menetelmään tulee aiheuttamaan myös uusista NOAA-satelliiteista otettujen kuvien käyttö. Uusissa satelliteissa pääinstrumentti on AVHRR/3- radiometri, jossa on kuusi kanavaa viiden sijasta. (Lohi, 1997)

Systeemiä kokeillaan vielä kesällä 1997, jolloin kuva-alue muutetaan sellaiseksi, että koko Suomi näkyy yhdellä kuvalla. Tämän jälkeen systeemi on tarkoitus ottaa käyttöön vakituisesti osana metsäpalovalvonnan järjestelmää.

5. Yhteenveto

Metsäpalot voidaan tulkita automaattisesti NOAA/AVHRR-kuvilta. Palojen havait- seminen perustuu siihen, että palopesäkkeen lämpötila on ympäristöään oleellisesti korkeampi. Kuva oikaistaan, palot tulkitaan kanavalta 3 ja mahdolliset löydetyt palot tarkistetaan. Jos palo varmistuu metsäpaloksi, siitä lähetetään hälytys paloalueen aluehälytyskeskukseen faksilla. Menetelmä toimii täysautomaattisesti.