Un método para detectar automáticamente fuegos sobre la superficie de la tierra por medio de un sistema satelital que comprende:

- adquirir imágenes multiespectrales de la Tierra en diferentes tiempos por medio de un sensor satelital multiespectral, siendo cada imagen multiespectral una colección de imágenes espectrales simples asociada cada una con una longitud de onda respectiva (λ), constituyéndose cada imagen espectral simple de pixeles indicativo cada uno de una radiancia espectral (Rλ) de un área respectiva de la Tierra; - proveer un modelo físico relacionado con radiaciones espectrales (Rλ) de los pixeles en las imágenes multiespectrales adquiridas en diferentes tiempos con respecto a variables físicas que representan fenómenos termodinámicos que ocurren en la superficie de la Tierra, incluyendo un posible fuego sobre la superficie de la Tierra, en la atmósfera de la Tierra, tales como nubes, velos o brumas, y relacionadas con las posiciones relativas de la Tierra y el Sol; caracterizado por: - computar el modelo físico, para al menos un píxel considerado en un tiempo dado (t), una temperatura de fondo (TB,t) y una fracción de píxel (ft) que se representa una extensión de un posible fuego en un área de la superficie de la Tierra correspondiente al píxel considerado sobre la base de la radiancia espectral (Rλ,t) del píxel considerado en el tiempo dado (t), de una radiancia espectral previamente adquirida (Rλ,t-Δt) del píxel considerado, de la fracción de píxel (ft-Δt) previamente computada en el mismo modelo físico para el mismo píxel considerado, y de la temperatura de fondo (TB,t-Δt) previamente computada en el mismo modelo físico para el mismo píxel considerado; y - detectar un fuego en un área de la superficie de la Tierra con base en la fracción de píxel (ft) computada en el modelo físico para el píxel correspondiente

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN.

10  La presente invención se relaciona con la detección automática de fuegos sobre la superficie de la Tierra y de fenómenos atmosféricos tales como nubes, velos, brumas o similares, por medio de un sistema satelital, en particular, explotando los datos multiespectrales adquiridos por sensores multiespectrales de sistemas satelitales geoestacionarios

o polares.

15  ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

Tal como es sabido, las imágenes multiespectrales son imágenes adquiridas por radiómetros con Sensores Remotos (RS), cada uno de los cuales adquiere una imagen digital (en detección remota, denominada una escena) en una banda pequeña del espectro visible, que varía desde 0.4 m hasta 0.7 m, denominada región rojo-verde-azul (RGB), y va hasta longitudes de onda del infrarrojo de 0.7 m a 10 m o más m, clasificada como NIR (infrarrojo cercano), MIR (infrarrojo medio), FIR (infrarrojo lejano) o TIR ( infrarrojo térmico). Una imagen multiespectral por lo tanto es una recolección de varias imágenes espectrales individuales (de banda sencilla o monocromática) de la misma escena, tomada cada una con un sensor sensible a una longitud de onda diferente. Se han desarrollado diferentes técnicas para detección de fuego, con base en los criterios de umbral y algoritmos contextuales, para los sistemas polares multiespectrales y, en los últimos años, para los sensores geoestacionarios. Para una discusión detallada de estas técnicas puede hacerse referencia, por ejemplo, a Kaufman, Y.J., Justice, C.O., Flynn, L.P. Kendal, J.D., Prins, E.M., Giglio, L. Ward, D.E. Menzel, W.P. and Setzer, A.W., 1998, Potential global fire monitoring from EOS-MODIS, Journal of Geophysical Research, 103, 32215-32238, and Giglio, L., Descloitres, J., Justice, C.O.& Kaufman, Y.J. (2003), An enhanced contextual fire detection algorithm for MODIS, Rem. Sen. Environment, 87:273-282.

Los sensores multiespectrales en los satélites polares se caracterizan por una resolución espacial relativamente alta, pero, debido al largo tiempo de retorno de los satélites polares, no puede alcanzarse la rapidez necesaria para propósitos de detección efectiva del fuego, aun combinando todos lo sensores polares multiespectrales existentes. Por el contrario, los sensores geoestacionarios multiespectrales proporcionan adquisiciones muy frecuentes, por ejemplo, cada 15 minutos para el sensor MSG SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and Infra Red Imager), aunque se caracteriza por una resolución espacial más baja (3 x 3 km2 y superior para canales infrarrojos), lo cual podría evitar que se detectaran fuegos pequeños.

40 Con el fin de superar las limitaciones de la resolución espacial, se propuso recientemente una metodología basada en un modelo físico para detección de fuegos a nivel de subpixeles a partir de datos de sensores geoestacionarios, por parte de E. Cisbani, A. Bartoloni, M. Marchese, G. Elisei, A. Salvati, Early fire detection system based on multi-temporal images of geostationary and polar satelites, IGARSS 2002, Toronto, 2002, y Calle, A., Casanova, J.L., Moclan, C.,

45  Romo, A.J., Costantini, M., Cisbani, E., Zavagli, M., Greco, B., Latest Algorithms and Scientific Developments for Forest Fire Detection and Monitoring Using MSG/SEVIRI and MODIS Sensors, IEEE, 2005, 118-123.

En particular, se propone un Modelo de Transferencia Radiativa analítico (RTM) que caracteriza los fenómenos radiativos que determinan la energía detectada por el sensor, expresada por medio de radiancias Rλ (W/m2/sr/m) para 50 cada banda  en ventanas atmosféricamente transparentes en las regiones espectrales de infrarrojo cercano (NIR), infrarrojo medio (MIR) e infrarrojo térmico (TIR). Tal como se muestra en la figura 1(a), la radiancia Rλ recogida por un sensor satelital remoto es la suma de la radiancia solar RS,λ reflejada por la Tierra, la radiancia térmica atmosférica RA'λ (tanto los componentes de corriente ascendente como de corriente descendente), y, finalmente, la emisión térmica del suelo. Dada la temperatura de fondo TB, la emisividad λ de la superficie de la tierra, y la transmitancia de la atmósfera λ

55  entre la superficie de la tierra y el sensor, el RTM puede expresarse como: donde, B(T) es la emisión de cuerpo negro de Planck a una temperatura T y a una longitud de onda . Así mismo, pueden explotarse otros modelos de RTM.

**(Ver fórmula)**

De acuerdo con C.C. Borel, W.B. Clodius, J.J. Szymanski and J.P. Theiler, Comparing Robust and Physics-Based Sea Surface Temperature Retrievals for High Resolution, Multi-Spectral Thermal Sensors Using one or Multiple Looks, Proc. of the SPIE'99, Conf. 3717-09, la principal contribución a la transmitancia λ en las ventanas atmosféricas en las regiones NIR y TIR proviene del contenido de vapor de agua atmosférico y de las relaciones entre la transmitancia y el vapor de agua pueden parametrizarse con bastante aproximación mediante la siguiente expresión: Donde w es el vapor de agua total a lo largo del camino de terminación/inicio en/desde el pixel examinado y que tiene un ángulo de zenit . Los parámetros Aλ, Bλ y Cλ dependen (al menos) de la longitud de onda  y pueden estimarse a través de varias simulaciones MODTRAN (MODerate resolution atmospheric TRANsmission) (diseñadas por programas de ordenador para modelar la propagación atmosférica de la radiación electromagnética de 100-50000 cm-1 con una resolución espectral de 1 cm-1) y métodos de regresión. Pueden considerarse otros modelos/métodos para estimar λ.

25 El contenido W de vapor de agua puede estimarse tal como se describe en Eumetsat Satellite Application Facility, Software Users Manual of the SAFNWC/MSG: Scientific part for the PGE06, SAF/NWC/INM/SCI/SUM/06, edición 1.0, enero de 2002, pero pueden considerarse otros métodos. El término solar RS,λ puede calcularse tal como se describe en el antes mencionado Potential global fire monitoring from EOS-MODIS:

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

Donde el ES,λ es la radiación del Sol en la parte superior de la atmósfera, λ (zSE) es la transmitancia a lo largo del camino entre el Sol y la superficie de la Tierra, λ (zED) es la transmitancia a lo largo del camino entre la superficie de la tierra y el sensor satelital, y λ es la emisividad de la superficie de la tierra. Pueden explotarse otros modelos/métodos

40  para calcular RS,λ .

La contribución de radiancia atmosférica RA,λ describe un fenómeno complejo, caracterizado por humo, aerosoles y temperaturas atmosféricas locales difíciles de modelar. Un modelo posible es el siguiente:

descendente ascendente

50  donde, con referencia a la Figura 1(b), el λ (zTOA) es la transmitancia a lo largo del camino vertical entre la superficie de la Tierra y la parte superior de la atmósfera, λ (zED) es la transmitancia a lo largo del camino entre la superficie de la Tierra y el sensor satelital, y λ, es como en lo anterior, la emisividad de tierra.

**(Ver fórmula)**

La formulación Dozier tal como se describe en J. Dozier, A Method for satellite identification of surface temperature fields of subpixel resolution, Remote Sensing of Environment, 11 (1981) 221-229 y aplicado a la ecuación 1 (o otros modelos de RTM) hace una descripción de subpixeles de los procesos radioactivos posibles, considerando la extensión del fuego (fracción de píxel f de un píxel de radiancia adquirido por el sensor satelital) y la temperatura del fuego TF :

**(Ver fórmula)**

**(Ver fórmula)**

donde F,λ y B,λ son las emisividades del fuego y de fondo, respectivamente, a la longitud de onda λ.De acuerdo con el sistema de detección temprana de fuego antes mencionado con base en imágenes multitemporales de satélites geoestacionarios y polares, si se consideran dos adquisiciones sucesivas, la formulación de Dozier (5)

donde t y t-Δt denotan dos tiempos de adquisición cercanos, y Δf=ft-ft-Δt' y donde se hacen las siguientes suposiciones:

 la temperatura de fondo TB es constante entre dos adquisiciones consecutivas (durante 15 minutos para datos MSG SEVIRI);20  la emisividad del fuego es la misma que la emisividad de la superficie que no se está quemando; y ... [Seguir leyendo]

1. Un método para detectar automáticamente fuegos sobre la superficie de la tierra por medio de un sistema satelital que comprende:

5 

 adquirir imágenes multiespectrales de la Tierra en diferentes tiempos por medio de un sensor satelital multiespectral, siendo cada imagen multiespectral una colección de imágenes espectrales simples asociada cada una con una longitud de onda respectiva (λ), constituyéndose cada imagen espectral simple de pixeles indicativo cada uno de una radiancia espectral (Rλ) de un área respectiva de la Tierra;

10  proveer un modelo físico relacionado con radiaciones espectrales (Rλ) de los pixeles en las imágenes multiespectrales adquiridas en diferentes tiempos con respecto a variables físicas que representan fenómenos termodinámicos que ocurren en la superficie de la Tierra, incluyendo un posible fuego sobre la superficie de la Tierra, en la atmósfera de la Tierra, tales como nubes, velos o brumas, y relacionadas con las posiciones relativas de la Tierra y el Sol;

15 caracterizado por:  computar el modelo físico, para al menos un píxel considerado en un tiempo dado (t), una temperatura de fondo (TB,t) y una fracción de píxel (ft) que se representa una extensión de un posible fuego en un área de la superficie de la Tierra correspondiente al píxel considerado sobre la base de la radiancia espectral (Rλ,t) del píxel considerado en el tiempo dado (t), de una radiancia espectral previamente adquirida (Rλ,t-Δt) del

20 píxel considerado, de la fracción de píxel (ft-Δt) previamente computada en el mismo modelo físico para el mismo píxel considerado, y de la temperatura de fondo (TB,t-Δt) previamente computada en el mismo modelo físico para el mismo píxel considerado; y  detectar un fuego en un área de la superficie de la Tierra con base en la fracción de píxel (ft) computada en el modelo físico para el píxel correspondiente.

25 

2. El método de la reivindicación 1, donde se provee un modelo físico que comprende:

 proveer un sistema de ecuación multiespectral dinámico que comprende al menos una ecuación espectral simple asociada con una longitud de onda respectiva (λ), y relacionar las radiancias espectrales (Rλ) de los 30 pixeles en imágenes espectrales sencillas adquiridas en tiempos diferentes a las variables físicas en los

mismo tiempos;

y donde el cálculo del modelo físico, para al menos un píxel considerado, en un tiempo dado (t), una

temperatura de fondo (TB,t) y una fracción de píxel (ft) comprende:

 computar la fracción de píxel (ft) y la temperatura de fondo (TB,t) resolviendo el sistema de ecuaciones multiespectrales dinámicas en un tiempo dado (t) para el píxel considerado sobre la base de una fracción de píxel (ft-Δt) y la temperatura de fondo (TB,t-Δt) computada previamente resolviendo el sistema de ecuaciones multiespectral dinámico en un tiempo previo (Tt-Δt) para el mismo píxel considerado.

3. El método de la reivindicación 2, donde las ecuaciones espectrales sencillas del sistema de ecuaciones

40  multiespectrales dinámico se basan en diferencias entre las ecuaciones que relacionan las radiancias espectrales (Rλ) adquiridas en tiempos diferentes y las variables físicas en los mismos tiempos.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, donde las variables físicas en el modelo físico comprenden una o más de las siguientes variables:

45  una temperatura de fuego (TF);  una radiancia del Sol (RS,λ);  una emisividad de fuego (εF,λ);  una emisividad de fondo (εB,λ); y

50  una transmitancia de la atmósfera de la Tierra (Tλ).

5. El método de la reivindicación 4 donde el sistema de ecuaciones multiespectrales dinámico es: donde t y t-Δt denotan dos tiempos diferentes, λ denota una longitud de onda considerada, ft y f t-Δt denotan la fracción de píxel, TB,t y TB, t-Δt denotan la temperatura de fondo, TF denota una temperatura de fuego, ∆Rλ,t=Rλ, t-Rλ,t-∆t denota una diferencia de radiancia espectral, ∆RS,λ,t=RS,λ,t-RS,λ,t-∆t denota una diferencia de radiancia del

**(Ver fórmula)**

10  Sol, εF,λ denota la emisividad de fuego, εB,λ denota la emisividad de fondo, λ,t denota las transmitancia de la atmósfera de la tierra y A denota un conjunto de longitudes de onda consideradas (λ); y donde:

 la fracción de píxel (ft) y la temperatura de fondo (TB,t) en el momento t se obtienen resolviendo el 15 sistema de ecuación multiespectral dinámico;  la diferencia de radiancia espectral (∆RS,λ,t) se computa directamente a partir de las imágenes multiespectrales adquiridas;  la temperatura de fuego (TF), la diferencia de radiancia del Sol (∆RS,λ,t), la emisividad de fuego (εF,λ), la emisividad de fondo (εB,λ) y la transmitancia de la atmósfera de la Tierra (λ,t) se computan 20 independientemente;

 ia fracción de píxel (ft-Δt) y la temperatura de fondo (TB,t-Δt) en el tiempo t-Δt se computan resolviendo el sistema de ecuaciones multiespectral dinámico en un iteración previa donde en la primera iteración la extensión de fuego (ft-Δt) y la temperatura de fondo (TB,t-Δt) se definen independientemente en valores respectivos.

25 

6. El método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, donde la detección de un fuego en un área de la superficie de la Tierra con base en la fracción de píxel (ft) computada en el modelo físico para el píxel correspondiente incluye:

30  filtrar la fracción de píxel (ft) computada en el modelo físico para un píxel sustrayéndole un valor correlacionado con una secuencia filtrada en paso bajo de fracciones de píxel en (ft-Δt) previamente computadas; y  detectar un fuego en un área de la superficie de la tierra donde la fracción de píxel filtrada (ft) computada en el modelo para el píxel correspondiente es mayor que un umbral dado.

35 

7. El método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende adicionalmente:

 computar un modelo predictivo adaptable que predice radiancias espectrales (RPRD,λ) en un tiempo considerado para los pixeles considerados sobre la base de radiancias espectrales previamente adquiridas 40 (Rλ) de los pixeles considerados, y de radiancias espectrales (RPRD,λ) predichas previamente para los

mismos pixeles considerados por dicho modelo predictivo adaptable;

 comparar las radiancias espectrales adquiridas (Rλ) de los pixeles considerados en un tiempo considerado con las radiancias espectrales (RPRD,λ) predichas en el mismo tiempo considerado para los mismos pixeles considerados mediante el modelo predictivo adaptable;

45  detectar un fuego en áreas de la superficie de la Tierra o un fenómeno atmosférico en áreas de la atmósfera de la Tierra correspondientes a los pixeles considerados sobre la base de un resultado de la comparación; y,

 cuando no se detecta un fenómeno atmosférico en un área de la atmósfera de la Tierra correspondiente a un píxel considerado, computar en el modelo físico la temperatura de fondo (TB,t) y la fracción de píxel (ft)50 para dicho píxel considerado y detectar un fuego en un área de la superficie de la Tierra correspondiente a

dicho píxel considerado en la fracción de píxel computada (ft).

8. El método de la reivindicación 7, donde el cómputo de un modelo predictivo adaptable incluye:

 para cada píxel considerado computar un análisis armónico temporal de las radiancias espectrales del píxel relacionado en diferentes tiempos, y adquirido en, o predicho para la misma longitud de onda (λ); y  computar el modelo predictivo adaptable con base en componentes de baja frecuencia computados a

partir de las radiancias espectrales de manera que se eliminen por filtración los cambios de alta frecuencia 5 en las radiancias espectrales debidos a fuegos sobre la superficie de la Tierra o fenómenos atmosféricos.

9. El método de la reivindicación 8, donde el análisis armónico temporal es un análisis de Fourier.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, donde la detección de un fuego en un área de la superficie de

10  la Tierra o un fenómeno atmosférico en un área de la atmósfera de la Tierra correspondientes a un píxel considerado comprende:

 detectar un fenómeno atmosférico si la radiancia espectral adquirida (Rλ) del píxel es inferior a la radiancia espectral predicha correspondiente (RPRD,λ) de un valor de umbral dado (thDET,λ); y15  Detectar un fuego si la radiancia espectral adquirida (Rλ) del píxel es superior a la radiancia predicha espectral correspondiente (RPRD,λ) de un valor de umbral dado (thDET,λ).

11. El método de la reivindicación 10, donde se detecta un fenómeno atmosférico en un área de la atmósfera de la Tierra correspondiente a un píxel utilizando el modelo predictivo adaptable, la radiancia espectral adquirida del píxel (R10.8) y el umbral (thDET,10.8) asociados con la longitud de onda de 10.8 m o utilizando el modelo predictivo adaptable, la radiancia espectral adquirida del píxel (R12) y el umbral (thDET,12) asociados con la longitud de onda de 12 m; y donde se detecta un fuego en un área de la superficie de la Tierra correspondiente a un píxel utilizando el modelo predictivo adaptable, la radiancia espectral adquirida del píxel (R3.9) y el umbral (thDET,3.9) asociados con la longitud de onda de 3.9 m.

25 

12. El método de acuerdo con cualquier reivindicación 8-11, donde el cómputo, para cada píxel considerado de un análisis armónico temporal incluye:

30  formar un vector (hλ) que contiene las radiancias espectrales relacionadas con tiempos diferentes, y adquiridas en o predichas para la misma longitud de onda (λ) y  computar el análisis armónico temporal del vector (hλ).

13. El método de la reivindicación 12, donde la formación de un vector (hλ) comprende:

35  formar un vector inicial (hλ) que contiene radiancias espectrales (Rλ) del píxel considerado adquiridas en la misma longitud de onda (λ) en tiempos diferentes y no afectadas por fuegos, nubes, velos o brumas.

14. El método de la reivindicación 13, donde la formación de un vector inicial (hλ) comprende:

40 

 considerar varios días vecinos;

 reconocer una adquisición libre de nubes para cada elemento de vector como la que asume el valor máximo de radiancia espectral en las bandas de longitud de onda de 10.8 o 12 m entre las correspondientes al mismo elemento de vector en los días considerados; y

45  reconocer una adquisición libre de fuegos para cada elemento de vector libre de nubes ya seleccionado como el que asume el mínimo valor de radiancia espectral en una banda de longitud de onda de 3.9 m entre aquellas correspondientes al mismo elemento de vector en los días considerados.

15. El método de acuerdo con cualquier reivindicación 12 a 14, que comprende adicionalmente:

50  clasificar como válidas o inválidas las radiancias espectrales adquiridas (Rλ) de acuerdo con un criterio dado; y donde formar un vector (hλ) comprende adicionalmente:

 actualizar el vector (hλ) con las radiancias espectrales adquiridas (Rλ) si se clasifican como válidas o con las correspondientes radiancias espectrales predichas (RPRD,λ) si la radiancias espectrales adquiridas (Rλ) se clasifican como no válidas. 16. El método de la reivindicación 15, donde la clasificación como radiancias espectrales adquiridas válidas o no válidas (Rλ) de acuerdo con un criterio dado comprende:

 clasificar como válidas las radiancias espectrales adquiridas (R12) asociadas con la longitud de onda 12 m si son más altas que las radiancias espectrales predichas correspondientes (RPRD,12) de un valor de 10 umbral dado (thUPD,12);  clasificar como válidas la radiancias espectrales adquiridas (R10.8) asociadas con la longitud de onda 10.8 m si son más altas que las radiancias espectrales predichas correspondientes (RPRD,10.8) de un valor de umbral dado (thUPD,10.8); y  clasificar como válidas la radiancias espectrales adquiridas (R3.9) asociadas con la longitud de onda 3.9 15 m si están en el rango definido por las radiancias espectrales predichas correspondientes (RPRD,3.9) disminuidas o incrementadas de un valor de umbral dado (thUPD,3.9).

17. El método de acuerdo con la reivindicación 15 o 16, donde la actualización de la vector (hλ) comprende:

20  Reemplazar en el vector (hλ) las radiancias espectrales en tiempos dados con las radiancias espectrales adquiridas correspondientes (Rλ) clasificadas como válidas o con las correspondientes radiancias espectrales predichas (RPRD,λ).

18. Un sistema de procesamiento programado para implementar el método de acuerdo con cualquier reivindicación 25 precedente.

19. Un software que se puede cargar en un sistema de procesamiento y configurarse para implementar, cuando se ejecuta, el método de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 17.