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恶化野火火花光子的需求和创新

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消防员和光子学工程师正在利用全谱的成像和其他光学技术,以最大限度地减少燃烧前,期间和之后的野火的影响。国际买球的网站

James schlett,特约编辑

2016年10月,一个倒下的电力线引发了火灾,持续了两个星期,摧毁了超过18000英亩的派克和圣伊莎贝尔国家森林西部的普韦布洛,科罗拉多州。所谓·琼金为妻火最终摧毁九个家庭和17个其他结构,和屠杀本来可能会更糟,如果不是光子学。

2018年,在加州湖首附近的沙斯塔-三一国家森林,一名消防员正在救火。由美国林业局提供。


2018年,在加州湖首附近的沙斯塔-三一国家森林,一名消防员正在救火。由美国林业局提供。

随着燃料迅速接近的结构,一个间际的事件管理团队与航空和地面资源协调,以进行烧毁运营以停止火灾的进展。中途通过操作,一种科罗拉多州多任务飞机,使用IR相机,检测到凹陷的深层坡度,含有大量可燃材料,条件称为“重燃料荷载”。飞机船员警告消防队员,斑点迅速熄灭。

“The quick and early detection combined with rapid response to a specific location prevented any further spread of the fire and allowed the burn operations to continue, eventually leading to the containment of the fire,” said Babete Anderson, a U.S. Forest Service (USFS) spokesperson.

光子学在控制朱金斯大火中发挥的作用只是该技术在预防、扑灭和从野火中恢复方面不断增长的贡献的一个例子。随着2020年森林大火烧毁面积创下纪录,这些灾难推动了对光子学数据的更大需求。据美国国家跨部门消防中心(National Interagency Fire Center)的数据,去年美国发生了58300起山火,烧毁了1,030万英亩土地,其中约40%的土地位于加州。

激发创新

“魁北克摄像机制造商纺织领域应用科学家Jean-Philippe Gagnon说:”野火的普遍性肯定是推动科研边界的强烈动力。该公司一直在合作多个研究人员来开发一种估计材料的绝对温度的方法,而无需先验知识的材料发射率。n色温 - 发射率分离方法使用使用多光谱IR相机获取的数据。

分析野火烟雾的成分是光子学创新的另一个驱动力。总部位于温哥华的Nanozen公司一位高管的家乡不列颠哥伦比亚省北部被野火的浓烟笼罩时,他因为无法使用目前监管部门批准的方法实时测量空气质量而感到沮丧。Nanozen的首席技术官Winnie Chu说:“他决定设计并改进我们目前的[光学粒子计数器]传感器,使其能够准确地探测野火粒子。”

一架Telops M150相机对准了2019年10月美国森林服务局规定的犹他州火灾(上图)。同一烧伤的红外图像(底部)。克雷格·克莱门茨提供。
一架Telops M150相机对准了2019年10月美国森林服务局规定的犹他州火灾(上图)。同一烧伤的红外图像(底部)。克雷格·克莱门茨提供。


2019年10月,纺织M150相机旨在犹他州的美国森林服务规定的火灾(最佳)。同一灼伤的红外图像(底部)。克雷格·克莱门茨提供。

美国环境保护局和美国农业部也对实时测量野火空气质量进行了兴趣,特别是为消防员们进行了实时测量。2019年,各机构每次获得加利福尼亚州的KWJ工程,以100,000美元的赠款来开发可穿戴设备,可集成屏幕印刷的气体传感器和光学粒子传感器。

为了在晚上学习烟雾,国家海洋和大气管理局(NOAA)发达了两种光子密集型有效载荷,用于气溶胶,碳氧化碳(CO)和二氧化碳(CO)的原位消防羽毛采样2),以及火灾温度的遥感。重量轻到足以安装在无人机系统(UAS)上,有效载荷将使燃烧效率估计和主动火区、阴燃和热点的映射成为可能。

随着烟雾构成在夜间航班中复杂的导航风险,NOAA采用UAS解决方案提供者黑色SWIFT技术用于夜间消防观测实验(Nightfox)任务。国际买球的网站NOAA计划将UAS安装的传感器部署到今年夏天和秋天的野火测量。根据Noaa的化学科学实验室的Troy Thornberry和Ru-Shan Gao,2019年和2020年的后勤问题和Covid-19推迟夜间任务。NightFox的原位有效载荷包括非运动IR吸收传感器,便携式光学粒子光谱仪和光学粒子计数器。遥感有效载荷使用FLIR摄像头可见热成像,以及近红外(NIR)和中波红外(MWIR)波段的成像仪。

黑斯威夫特的首席执行官杰克·埃尔斯顿说:“尽管卫星提供了更大范围的覆盖,但它们很少满足需求,在测量羽流密度和成分时,(它们)必须通过一个柱,而不是进行更精确的点测量,这是无人机专门从事的工作。”“我认为这两种技术具有高度的互国际买球的网站补性,卫星提供概述,以及可以传递给无人机团队进行更高分辨率或有目标的原位观测的信息。”

燃烧的需求

USFS的安德森说:“收集高光谱、多光谱和激光雷达数据是为了评估燃料的状况,以便进行野火规划和燃料评估。”这些数据有助于消防人员在评估燃料积聚的可能性时进行决策支持过程。预防官员还可以了解在哪里增加预防活动。

黑色Swift Tech国际买球的网站nologies的超级威士忌无人机系统准备与其传感器有效载荷的飞行准备。处方烧伤显示在远处。礼貌的黑色SWIFT技术。国际买球的网站


黑色Swift Tech国际买球的网站nologies的超级威士忌无人机系统准备与其传感器有效载荷的飞行准备。处方烧伤显示在远处。礼貌的黑色SWIFT技术。国际买球的网站

美国宇航局喷气推进实验室(JPL)已经在飞机和卫星上开发了一系列地球观测仪器,这些仪器正在指导全球野火管理工作。喷气推进实验室的机载可见/红外成像光谱仪(AVIRIS-Classic)已经提供机载高光谱影像自1986年以来。该系统估计了植被燃料类型的组成和条件,并被下一代AVIRIS-NG所取代。

根据Kerry Cawse-Nicholson的说法,JPL的表面生物学和地质(SBG)任务研究算法的联合领导,光子技术也为其他野火管理仪器提供了贡献,包括:
  • 先进的星载热发射和反射辐射计(Aster),它在LWIR,SWIR和可见范围内进行多光谱测量以检测火灾。

  • 多角度成像光谱(MISR),它提供了表征烟雾羽毛的角度测量。

  • 大气红外探测器(AIRS),用于监测火灾产生的一氧化碳排放。

  • 高光谱热发射光谱仪(HYTE),其提供植物应力,陆地温度和气溶胶排放的估计。

  • 适度分辨率成像光谱辐射器(MODIS),其监测甲烷,硫化氢,氨,二氧化氮和二氧化硫的含量。Hytes已被用于类似的应用程序。
高光谱数据的赤字

去年11月,JPL与三个加州机构合作,允许他们从地球观察卫星和其他基于地面技术获得数据。国际买球的网站加州自然资源局的发言人Lisa Lien-Mager - 与JPL合作的机构之一 - 说:“有信息差距,特别是在火灾开始后的前24小时。在点火检测,识别撤离和消防资源的部署期间,需要更及时和准确的信息。“

在火灾连续体的三个阶段——火灾前、主动火灾和火灾后——中间阶段是利用遥感高光谱成像最少的阶段。但这并不是因为高光谱数据对扑灭森林火灾没有价值,阿姆斯特丹自由大学的遥感助理教授Sander Veraverbeke说。Veraverbeke说,高光谱成像优于多光谱成像,因为它的窄波段捕获了窄的气体吸收光谱,这些光谱被宽频带平均。然而,由于喷气推进实验室(JPL)的MODIS和陆地卫星(Landsat)等传感器的成熟程度,多光谱成像技术在森林火灾遥感中占据了主导地位。

Veraverbeke说:“经过几十年的太空多光谱遥感经验,这些多光谱算法和数据集已经很好地就位,并且随时可以用于应急管理。”“星载高光谱遥感充其量只是处于科学探索阶段,在这些数据集达到应急管理水平之前还有很长的路要走。”

国际空间机构推出了几个高光谱卫星的承诺,有助于弥合有限于在主动火灾阶段使用这种光子学技术的数据赤字。过去三年已经看到意大利Prisma和日本的Hisui高光谱卫星发布。然而,JPL的Dave Schimel,科学和应用领导的SBG任务研究,表示,这些新仪器覆盖了狭窄的条件,并提供了非常有限的覆盖范围。他说,他们是比全球监测更多的案例研究。

Veraverbeke说:“缺乏数据是星载高光谱成像的最大限制。”“火灾尤其如此,它是一个短暂的、有些出人意料的过程,在空中作战中很难计划。目前的采样任务,如PRISMA和HISUI,将部分填补这一空白,但我们真的希望继续进行收购,就像SBG概念中提出的那样。”

火灾探测的未来

Veraverbeke说,为了将这项技术的野火管理应用提高到一个新的水平,需要一台连续的太空运载高光谱成像仪。目前唯一正在筹备中的是NASA的SBG,预计将在2027或2028年发射。

JPL的Aviris在2013年在加利福尼亚州(A)的2013年RIM火灾中捕获的火灾后彩色综合图像。与高光谱差异均力燃烧比(B)表示相同的区域。参见参考文献1.礼貌桑德尔veraverbeke。


JPL的AVIRIS在2013年加利福尼亚的环火中拍摄的火灾后彩色合成图像(一)。同样的区域显示为高光谱差分归一化烧伤比(b)。参见参考文献1.礼貌桑德尔veraverbeke。

SBG仍在设计阶段,但建议由具有高空间和光谱分辨率的SWIR(vscir)光谱仪和高信号与噪声组成。热红外辐射计可能有两个MWIR带和五到六个热量红外线带。SBG的太空繁文vswir仪器代表了空中Aviris-ng的演变。JPL的Cawse-Nicholson表示,它在NASA表面矿物粉尘源调查(发射)中的空间被推动为地球表面矿物粉尘源调查(发射),这计划于2022年推出。

由JPL的AVIRIS捕获的2003年加利福尼亚活跃的Simi火灾部分数据(A),以及关于土地覆盖(b)、火灾温度(c)和火灾部分(d)的信息的彩色合成。见参考文献1。由桑德·韦averbeke提供。


这是由喷气推进实验室的AVIRIS在2003年加利福尼亚活跃的西米火部分捕获的数据的彩色合成图(一),以及有关土地覆盖的信息(b)、火灾温度(c)和火零件(d)。参见参考文献1.礼貌桑德尔veraverbeke。

SBG承诺弥补最未充分利用的野火监测技术:MWIR测量。考斯-尼科尔森说:“这部分光谱可以用来测量非常热的火焰的温度,这些火焰通常会使热红外波段饱和。”“较粗分辨率的中波测量是由极地轨道器和地球同步卫星进行的。但SBG将提供独特的60米测量,重复2 - 3天,这将为火灾探测和监测提供机会。”

参考

1. veraverbeke等。(2018)。高光谱遥感火灾:最先进的和未来的观点。远程Sens包围,第216卷,105-121页。

光子谱
4月2021年
术语表
热成像
产生场景可见二维图像的过程,该图像依赖于到达成像设备孔径的场景的热辐射或红外辐射的差异。
高光谱影像
光谱遥感材料的识别和测绘方法。又称成像光谱学;ultraspectral成像。
特征 成像 传感器和探测器 红外摄像机 远程成像 环境 JPL. 热成像 高光谱影像

注释
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