Original paper

Rapid Mapping of Forest Fires in the European Mediterranean Region - a Change Detection Approach Using X-Band SAR-Data

[Brandflächendetektion auf Basis von X-Band Radarsatellitendaten im europä- ischen Mittelmeerraum]

Bernhard, Eva-Maria; Twele, André; Gähler, Monika

Abstract

Usually, optical data are used for detecting burned areas in a rush mode, but the analysis of these data is often limited due to persistent cloud cover or haze. This paper focuses on the potential of X-band SAR data for mapping forest fires in the European Mediterranean region. The goal of the study was the development of an object-based, semi-automatic, robust and fast but at the same time accurate and transferable algorithm for the detection of burned areas in case of rapid mapping. For this reason change detection techniques based on image differencing, rationing and index calculation were applied. Prior to the SAR data analysis, a number of pre-processing procedures were carried out, including the elimination of speckle noise by Gamma-DE-MAP filtering, radiometric and geometric calibration as well as computation of sigma nought, a scattering coefficient. In the course of devastating fires in Greece and La Palma in 2009, a multi-temporal backscatter coefficient analysis of fire affected and unburned areas were performed. Within this comparison, the detected signal of VV and HH polarisations showed significantly higher values in images acquired after the fires than before the fires. However, VV polarised data showed a higher amplitude between pre- and post-disaster backscatter levels than HH polarised data. The classification result has been validated by SPOT 5 data and achieved an overall accuracy of 77.9%. Thus, burned area detection with SAR data could potentially play a significant role in forest fire detection in Europe.

Kurzfassung

Eine schnelle Brandflächendetektion mittels Satellitendaten wird zurzeit hauptsächlich auf Basis von optischen Daten vorgenommen, wobei hier Wolkenbedeckung und Rauch zu starken Beschränkungen bei der Erfassung führen können. Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Ermittlung des Potenzials von X-Band Radarsatellitendaten zur Brandflächendetektion im europäischen Mittelmeerraum. Hauptaugenmerk lag dabei auf der Entwicklungeinesobjekt-basierten, semi-automatischen, robusten und schnellen, jedoch auch räumlich genauen und übertragbaren Algorithmus zur Brandflächendetektion im Rahmen katastrophenbedingter Notfallkartierung. Das Verfahren stützt sich auf eine multitemporale Veränderungsanalyse, die auf der Basis von Differenzbildern, Ratiobildern und einer Index-Berechnung beruht. Hierfür wird zunächst eine Datenvorprozessierung durchgeführt, welche eine Reduktion des störenden Speckle-Effektes durch den Gamma-DE-MAP Filter, sowie eine radiometrische und geometrische Kalibrierung umfasst. Am Beispiel der verheerenden Waldbrände in Griechenland und La Palma im Jahr 2009 wurde das Rückstreuverhalten von verbrannten und unverbrannten Flächen auf multitemporaler Datenbasis untersucht. Dabei ergab sich, dass sowohl die VV-als auch die HH-Polarisation signifikant höhere Werte in Satellitendaten aufweisen, die nach dem Brand aufgenommen wurden, als in Satellitendaten, die vor dem Brand aufgezeichnet wurden. Es war jedoch festzustellen, dass durch die Nutzung von VV Polarisation ein höherer Unterschied in Rückstreuwerten zwischen der Pre- und Postdesaster Satellitenbildszene festzustellen war als bei Nutzung von HH Polarisation. Die erreichte Klassifikationsgenauigkeit des Verfahrens belief sich auf 77,9% und wurde anhand von SPOT 5 Satellitenbildern validiert. Somit könnten Radar-Sensoren in Ergänzung zu optischen Satelliten eine entscheidende Rolle für die Feuerbeobachtung und Kartierung im europäischen Mittelmeerraum spielen.

Keywords

change detectionterrasar-xburned area detectionforest fire