Cas d’usage 2 - Test dégâts des tempêtes estivales de 2017

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Fig. 1 : Épreuve écran issue de l’application web. La légende permet de différencier les surfaces de dégât potentielles (jaune à rouge) des nuages (hachuré gris) et des surfaces sans données (grises). Le symbole entouré en bleu contient un lien vers Sentinel Playground permettant de vérifier visuellement l’image satellite de base.

Une méthode pour fournir de manière automatique des cartes indicatrices sur les dégâts de tempête estivales pour toute la Suisse a été développée d’après les images satellite Sentinel-2. L’année 2017 a été choisie comme exemple et pour un test pratique de l’évaluation des tempêtes estivales (fin juillet et début août). L’utilisateur ou l’utilisatrice peut choisir toutes les images satellite Sentinel-2 entre le 05.07.2017 et le 19.08.2017 qui couvrent au moins en partie la Suisse. Il est alors possible, après une tempête, de vérifier rapidement si des images utilisables, c’est-à-dire avec le moins de nuages possible, sont disponibles. Les surfaces de changement potentielles disponibles s’affichent ensuite dans le visualiseur.

Les surfaces de changement proposées sont déterminées d’après la diminution du Normalized Burn Ratio Vegetationsindex. Un projet précédent (Weber & Rosset, 2019) a démontré l’utilité de cet indice pour détecter les surfaces touchées par des tempêtes.

Fig. 2 : Représentation des deux orbites Sentinel couvrant la Suisse. À une date donnée, l’orbite 108 ou l’orbite 65 est relevée. La disponibilité des images est la meilleure pour la zone où elles se superposent (tous les 2 ou 3 jours).

Les valeurs dans la légende du visualiseur représentent en moyenne pour chaque surface de changement (polygone) la baisse du NBR multipliée par 100. La multiplication par 100 ne sert ici qu’à économiser de l’espace de stockage (grâce aux chiffres entiers plutôt que décimaux). La différence résulte de la comparaison entre l’image à la date choisie et un état de référence avant l’événement présumé / la date choisie. On utilise comme référence un composite si possible exempt de nuages constitué de toutes les images disponibles datant de 45 jours avant la date choisie. Des valeurs proches de -100 indiquent d’importants dégâts. Les polygones de changement sont délimités grâce à une valeur seuil (-15) et à partir d’une superficie minimum de 5 ares. Les nuages sont aussi représentés (cf. Fig. 1) afin d’éviter de conclure erronément à l’absence de dégâts. Cela vaut aussi pour les surfaces « no data », c.-à-d. celles pour lesquelles aucune donnée Sentinel-2 n’est disponible (Fig. 1).

Da die Schweiz durch zwei Orbits abgedeckt wird, wird an einem Aufnahmedatum immer nur ein Teil der Fläche der Schweiz erfasst (siehe Abb. 2). Der andere Teil wird im Kartenviewer jeweils als NoData-Fläche gekennzeichnet.

Einschränkungen

Abb. 3: Gute räumliche Abgrenzung von flächigen Schäden für ein Sturmereignis in Nussbaumen TG am 2.8.2017. Die erste wolkenfreie Aufnahme nach dem Sturm war am 15.8.2017 verfügbar. Die ausgewiesenen Schadflächen wurden mit Referenzdaten der WSL (in Gelb) abgeglichen.

Die Resultate wurden teilweise mit Referenzdaten der WSL validiert und erwiesene flächige Schäden konnten gut erkannt und abgegrenzt werden (siehe Abb. 3). Jedoch werden bis dato auch diverse Flächen fälschlicherweise als Schadflächen ausgeschieden. Dies geschieht insbesondere an Wolkenrändern, sowie im Zusammenhang mit Schnee oder Schattenwurf an steilen Nordhängen. In diesen Fällen ist bei der Interpretation der Ergebnisse besondere Vorsicht geboten.

Nach Möglichkeit sollte immer ein wolkenfreier Aufnahmezeitpunkt ausgewählt werden. Zu diesem Zweck wird für jedes Aufnahmedatum ein Direkt-Link auf Sentinel Playground bereitgestellt (siehe blau umrandetes Symbol in Abb. 1), sodass jedes Bild einfach visuell überprüft werden kann. Aufnahmedatum und Bildausschnitt werden dabei im Link gespeichert und direkt übernommen. In Nussbaumen TG betrug die Wartezeit zwischen dem Sturm vom 2.8.2017 und der nächsten verfügbaren wolkenfreien Aufnahme zum Beispiel 13 Tage (siehe Abb. 3).

Das genaue Vorgehen zur Auswahl einer brauchbaren Aufnahme wird im untenstehenden Video noch erklärt und veranschaulicht.

Eine anspruchsvolle Situation stellt sich zudem im Winter: Vegetationszustand, Beleuchtungsintensität, Wolken, Schatten und Schnee stellen zusätzliche Herausforderungen dar, weshalb Ergebnisse zu Winterstürmen bisher nicht veröffentlicht wurden. Ein möglicher Lösungsansatz wäre eine Kombination mit Sentinel-1 Daten, welche von Bewölkungs- und Beleuchtungsintensität nicht beeinflusst werden (siehe dazu ein laufendes Projekt an der WSL).

Video-Tutorial : Basics für den korrekten Gebrauch

Das folgende Video erläutert die Benutzung der Webanwendung «Test Sommersturmschäden 2017»:

Hintergrundinformationen zur Methode

Für jede Sentinel-2-Aufnahme innerhalb der definierten Zeitspanne (5.7. bis 19.8.2017) wurde zuerst der NBR berechnet (NBRAktuell). Wolken wurden dabei mittels der ESA Wolkenmaske ausgeschieden. Daraufhin wurde der NBR für die Referenzperiode berechnet, welche als das 45-Tages-Fenster vor dem ausgewählten Aufnahmedatum definiert wurde.

Zu diesem Zweck wurde zuerst mittels der unter Use Case 1 beschriebenen NDVI Maximum Komposit Methode aus allen verfügbaren Aufnahmen innerhalb der 45-tägigen Zeitspanne ein möglichst wolkenfreies Komposit erstellt. Für dieses wurde dann wiederum der NBR berechnet (NBRReferenz). Aus diesen beiden Bildern wurde daraufhin die Differenz gebildet (∆NBR), und die Veränderungsflächen wurden mittels Schwellenwert ausgeschieden. Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht das Vorgehen.


Abb. 4: Darstellung des Arbeitsflusses zu Use-Case 2. Für jede Sentinel-2-Aufnahme wird der NBR berechnet (NBR Aktuell). Daraufhin wird der NBR für die Referenzperiode berechnet, welche als das 45-Tages-Fenster vor dem ausgewählten Aufnahmedatum definiert wurde. Zu diesem Zweck wird aus allen verfügbaren Aufnahmen innerhalb der 45-tägigen Zeitspanne ein möglichst wolkenfreies Komposit erstellt, für welches wiederum der NBR berechnet wird (NBR Referenz). Aus diesen beiden Bildern wird die Differenz gebildet (∆NBR), und die Veränderungsflächen werden mittels Schwellenwert ausgeschieden.


Dieser Prozess erfolgte wie beschrieben zunächst testweise für den Sommer 2017, jedoch ist die automatisierte Bereitstellung der Veränderungsflächen für die ganze Schweiz möglich. Dabei würden die Informationen für alle verfügbaren Aufnahmen innerhalb der letzten 45 Tage ab dem jeweils aktuellen Datum mittels sogenannten «rollenden Archiven» zur Verfügung gestellt werden. Die vollautomatische Analyse und Bereitstellung der Resultate sollte innerhalb von 2-5 Tagen nach Bildaufnahme möglich sein.

Datenbezug

Die Veränderungsflächen können hier als ein einziger Polygon-Layer via WMS oder WFS Dienst bezogen werden (Tipps und Informationen zu Einbindung und Verarbeitung der Daten gibt es hier). Für jede ausgeschiedene Veränderungsfläche wurden neben dem Zeitpunkt (time) zudem Flächengrösse (area), sowie Mittelwert (mean), Maximalwert (max) und 90%-Quantil (p90) der NBR-Differenzwerte berechnet und als Attribute in den Vektordaten gespeichert. Wie schon erwähnt, wurden die NBR Differenzen aus Speicherplatzgründen mit 100 mulipliziert, und Veränderungslfächen mittels Schwellenwert (-15) und ab einer Mindestgrösse von 5 Aren ausgeschieden. Das Attribut class differenziert zwischen Veränderungsflächen (class = 1), Wolken (class = -1), und NoData (class = -2).