Så kan satelliter hjälpa oss bekämpa bränder

2019-05-09 06:00  

Med hjälp av satellitdata och maskininlärning ska KTH-forskare skapa en effektivare metod för att spåra skogsbränder – och analysera skadorna som följer i eldens spår.

I slutet av april bröt det ut flera skogsbränder i landet, bland annat i Tjällmo i Motala, Hästveda i Hässleholm och i Gislaved. En som noggrant följer utvecklingen är Yifang Ban, professor och avdelningschef för enheten Geoinformatik vid KTH i Stockholm.

På KTH leder professor Yifang Ban arbetet med att utveckla ett helt nytt sätt att övervaka förändringarna som skogsbränder orsakar. Kärnan i projektet utgörs av en egenutvecklad metod. Den använder olika typer av multitemporal satellitdata, det vill säga data insamlad vid olika tidpunkter över ett område.

Satelliter kan spåra pågående skogsbränder

I dag använder Myndigheten för samhällsskydd och beredskap, MSB, bland annat flyg och helikoptrar för att kartlägga brändernas framfart i enskilda områden. Under fjolårets omfattande skogbränder riktades också EU:s satellitsystem Copernicus mot Sverige för att samla in högupplösta bilder av brändernas utbredning. Problemet i dagsläget är att satelliterna inte kan ge realtidsinformation, eftersom de passerar Sverige för sällan.

Läs mer: Beresheet kraschade på månen – därför var det väntat

Men med KTH:s nya metod för satellitövervakning skulle det gå snabbare för exempelvis MSB att få en övergripande bild av bränderna – och skadorna som dessa ger upphov till.

– Vi använder öppna och kostnadsfri data från Esas Sentinel-1 och Sentinel-2-satellier, Landsat samt Viirs och Modis från Nasa. Data samlas in av satelliter med sensorer för både synligt och infrarött ljus, och med radarsystem. Sensorer för kortvågs-infrarött (på engelska kallat swir, reds anm) kan se ”genom rök”, men vi behöver även radar för att kunna samla in data genom moln och under dygnets alla timmar, säger Yifang Ban.

Så tränas KTH:s övervakningssystem

För att spåra hur skogsbränder sprider sig jämförs historiska satellitbilder med färska, som har tagits efter att bränderna brutit ut. Med hjälp av de infraröda sensorerna kan förändringar lätt upptäckas med ett index som beräknas utifrån swir-banden. Men det är mycket svårare att göra samma sak med sar-data, det vill säga data från syntetisk aperturradar, över komplex terräng.

Som en lösning på det problemet har KTH utvecklat en ny metod som drar nytta av maskininlärning med hjälp av ett djupt artificiellt cnn-nätverk (convolutional neural network) för att automatiskt upptäcka förändringar som bränderna orsakar.

Läs mer: Se upp Musk – nu skickar Bezos upp egna satelliter

Det neurala nätverket tränas att identifiera och kartlägga brända markområdet. Det görs genom att utgå dels från satellitbilder av branden, dels av satellitbilder av samma område innan branden startade. På så sätt kan systemet beräkna logaritmen av kvoten mellan dessa bilder. Resultatet görs sedan om till en binär bild för att separera brända och icke-brända områden. Utifrån denna binära förändringsbild väljs träningsdata automatiskt med slumpmässig provtagning.

– Denna typ av träning är viktig för snabb kartläggning av skogsbrandens utbredning, eftersom den inte kräver stora mängder markdata som måste samlas in i förväg. På sikt hoppas vi att kunna anpassa systemet globalt, så att det kan användas för att upptäcka skogsbränder och övervaka brandutvecklingen i olika typer av miljöer och terräng, säger Yifang Ban.

”Hoppas att systemet kan börja testas skarpt i sommar”

Det första fröet till den nya övervakningsmetoden planterades när Yifang Ban var på ett forskningsutbyte i Kanada 2017–2018. Under den tiden drabbades Kanada av över 500 bränder i British Columbia. Tillsammans med sitt team på KTH arbetade Yinfang Ban nära en forskare vid British Columbias ministerium för skog, land, naturresursverksamhet och landsbygdsutveckling.

– Just nu försöker vi att anpassa systemet till svenska förhållanden. Den sar-baserade cnn-metoden skapades ursprungligen för större bränder i British Columbia och i Kalifornien. Metoden måste nu testas under andra miljöförhållanden och för skogsbränder i Sverige, som är mindre i utbredning. Vår ambition är att MSB och BC Wildfire Services kommer att kunna testa systemet i sommar för övervakning av skogsbränder. Deras synpunkter på användning av systemet kommer att vara ovärderlig för oss i den fortsatta utvecklingen av systemet.

MSB: Vi ser stora möjligheter med tekniken

Både Myndigheten för samhällsskydd och beredskap och British Wildfire Services har skrivit så kallade stödjebrev, som betyder att myndigheterna har visat ett intresse för att ta del av resultatet av KTH:s forskningsprojekt. Men i dagsläget finns det dock inget formellt beslut om att MSB ska bidra till projektets finansiering.

– Vi ser stora möjligheter med den här typen av forskningsprojekt. Som myndighet måste man vara med och följa utvecklingen, ta del av erfarenheter och utvärdera olika nya förslag och idéer. Det är mixen av sensorer som gör satelliter intressanta, säger Leif Sandahl, brandingenjör hos MSB, till Ny Teknik.

Läs mer: Billiga EU-modulen ska ge säker autonomi för alla

Leif Sandahl poängterar att MSB inte är den som ansvarar för ledning och informationsinhämtning vid en brandinsats. Det ansvaret har den kommunala räddningstjänsten, och vid omfattande olyckor länsstyrelsen. MSB finansierar däremot olika utvecklings- och forskningsuppdrag, och deltar i nationella projekt och samarbeten för att bland annat få en nationell bild av händelseutvecklingen vid kriser.

– Det gör att vi har ett samlat intresse av att utveckla olika funktionella verktyg för att ta fram hjälpmedel för att kunna ha en uppdaterad lägesbild, säger han.

Som Ny Teknik redan har berättat i detta reportage använder MSB i dag satelliter, tillsammans med flyg, helikoptrar och drönare, för att samla optiska bilder, gps-position och annan information om bränder. Problemet med dagens satelliter är att data inte kan skickas tillräckligt ofta, säger Leif Sandahl.

– MSB:s uppdrag är många, och ett är att stödja med olika nationella resurser, som till exempel materiel för skogsbrandsläckning och vissa ledningsfunktioner, när kommunernas räddningstjänst resurser är uttömda. Vi klarar av att bekämpa 99,9 procent av bränderna, vilket gör att det inte alltid är så intressant att ha en kontinuerlig satellitövervakning.

Läs mer: Blågul medverkan i ny månlandning

-Efter och under branden i Västmanland 2014 använde vi data från Copernicus. Vi fick ett avtryck med hjälp av satellitinformationen som visade exakt läge för branden, var brandfronterna fanns och var det hade brunnit. Utifrån denna satellitbild kunde vi rekonstruera branden, och verifiera de brandförlopp vi dokumenterat i terrängen - som hur högt flammorna hade tagit sig i trädkronorna, och hur intensivt det brunnit i olika skogsmiljöer. Den typen av data ökar vår förmåga att förstå vad som har hänt, vilket är väldigt viktigt, fortsätter Leif Sandahl.

Hade ett övervakningssystem liknande det KTH utvecklar varit till nytta under fjolårets svåra brandbekämpning?

– Vi använde satellitdata under 2018. Men inte för realtidsövervakning utan mer för analys. Jag skulle vilja kunna få data från satelliter var tredje timme, helst varje timme.

Forskarnas önskemål: Mer högupplöst data – dagligen

Yifang Ban på KTH är medveten om begränsningarna i dagens satellitsystem. Hennes och KTH-kollegernas mål är att skapa ett globalt system för övervakning i realtid. Men för att det ska kunna bli verklighet behövs nya typer av satellitsystem som är kapabla att ge uppdateringar med nya data en gång i timmen.

– I dag kan vi bara få nya optiska och radardata med hög upplösning var tredje dag i Sverige och lägre upplösta infraröda och termiska data från system som Viirs (upplösning på 375 meter) och Modis (upplösning på 1 000 meter) var 12:e till 24:e timme, säger hon.

Läs mer: Nasachef sågar Indiens satellitnedskjutning

Nu sätter Yifang Ban sitt hopp till att exempelvis MSB ska kunna hjälpa hennes forskningsteam att få tillgång till mer högupplösta data dagligen. Det skulle till exempel kunna göras genom utbyten med organisationer som International Charter Space and Major Disasters, eller Global Monitoring for Environment and Security (GMES), säger hon.

– Det skulle göra det lättare för oss att upptäcka nya bränder, övervaka pågående bränder och bedöma brandskador. De tjänsterna är dock endast avsedda för stora katastrofer, och kapaciteten av datainsamlingen kan begränsas om många skogsbränder eller andra katastrofer inträffar samtidigt.

Nya minisatelliter ritar om kartan för radarsystem

Samtidigt står satellitmarknaden inför viktig förändring. Under de senaste åren har nya kommersiella system bestående av minisatelliter (cubesat) tagits i bruk, exempelvis Iceye:s Radar Cubesat-konstellationer. Inom kort ska Kanada dessutom att skjuta upp en ny konstellation av Radarsat-satelliter. Även startuper som Capella Space är i färd med utveckla nya radarsystem bestående av svärmar med minisatelliter.

Läs mer: Nasa-chef: Klimatförändringarna handlar inte om tro utan fakta

Med dessa nya satellitsystem kommer nya radarbilder med hög upplösning att finnas tillgängliga i princip varje timme - vilket helt förändrar läget för den typen av globalt övervakningssystem som Yifang Ban utvecklar.

– När dessa data blir tillgängliga kan realtidsövervakning av skogsbränder bli möjligt med våra metoder, säger Yifang Ban.

Copernicus satelliter övervakar jorden

Europeiskt rymdprojekt som består av jordövervakningssatelliter i sex olika grupper, Sentinel 1–6.

De första, Sentinel-1A och Sentinel-1B, sköts upp 2014 och 2016. Det är så kallade polära satelliter som observerar jordytan med sar, synthetic aperture radar.

Sentinel 2A och 2B sköts upp 2015 och 2016. De är utrustade med kameror som registrerar våglängder i det synliga spektrat och nära infrarött.

Kalle Wiklund

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt