Agreement between Sentinel-1 C-band backscatter change and Sentinel-2 burn severity indices across land-cover types in a low-biomass transitional eco-region

Bosbranden zijn niet langer alleen een zomerse dreiging die beperkt is tot dichte dennenbossen. Terwijl het klimaat opwarmt, worden brandseizoenen langer en verspreiden ze zich naar nieuwe gebieden, inclusode de glooiende vlaktes en struiklandschappen van het Amerikaanse Zuiden. In deze overgangslandschappen, waar grassen zich mengen met verspreide eikenbomen en struiken, is het meten van de schade na een brand verrassend moeilijk. Traditionele methoden vertrouwen op optische satellieten die foto's maken van het land in zichtbaar licht en infrarood licht. Deze beelden werken goed in bossen omdat ze het verschil kunnen zien tussen gezonde groene bladeren en zwartgeblakerde, dode bladeren. Echter, in open gebieden met weinig vegetatie is de grond zelf vaak helder en reflecterend, en kunnen grassen zo snel terug groeien dat de satelliet binnen enkele weken alweer groen ziet, waardoor de werkelijke omvang van de verwoesting wordt verborgen. Om dit op te lossen, wenden wetenschappers zich tot een ander soort oog: radar. In tegenstelling tot camera's die wachten op zonlicht, sturen radarsatellieten hun eigen microgolfsignalen uit die weerkaatsen op de grond en vegetatie, waardoor ze door rook en wolken kunnen kijken en veranderingen in de fysieke structuur van het land kunnen detecteren, zelfs wanneer de planten nog groen zijn.

In maart 2022 trok een enorme brandcomplex door centraal Texas, waarbij meer dan 62.000 hectare land werd verbrand, waaronder vier afzonderlijke branden: de Kidd-, Wheatfield-, Ramsey- en Oak Mott-branden. Dit evenement bood een perfecte gelegenheid om te testen of radar kon zien wat optische camera's misten. Een onderzoeker van The University of Texas at Dallas zette zich het doel om twee soorten satellietgegevens voor deze specifieke brand te vergelijken: de standaard optische brandkaarten en een nieuwe analyse met gebruik van radarsignalen. Het doel was om te begrijpen hoe goed de radar de afname van de vegetatiestructuur en het vochtgehalte in een landschap dat gedomineerd wordt door struiken en grassen, in plaats van hoge bomen, kon volgen. De studie richtte zich op een regio waar de vegetatie kort is en de bodem vaak zichtbaar is, een omgeving waar traditionele brandkaarten historisch gezien moeite hadden met nauwkeurigheid.

De onderzoekers begonnen met het in kaart brengen van de perimeter van de brand en bekeken vervolgens de gegevens van twee verschillende satellielsystemen. Het ene systeem, Sentinel-2, legt beelden vast in lichtgolflengten die gevoelig zijn voor de gezondheid van planten. Het andere, Sentinel-1, gebruikt radar om te meten hoeveel energie er terugkaatst van het oppervlak. Wanneer vegetatie brandt, verliest het zijn structuur en zijn watergehalte. In een bos betekent dit meestal dat het radarsignaal afneemt omdat de bomen die het signaal verstrooiden, verdwenen zijn. Maar in de open Texas-struikgewassen is het verhaal complexer. De analyse toonde aan dat het radarsignaal anders gedroeg, afhankelijk van het type plant. In gebieden met hogere, houtige struiken daalde het radarsignaal aanzienlijk, wat duidde op een verlies van structuur. Echter, in graslanden nam het signaal soms toe. Dit gebeurde omdat de brand het gras had verwijderd dat de radarvlagen dempte, waardoor de ruwere, drogere bodem eronder werd blootgesteld, die meer energie terugreflecteerde naar de satelliet.

Toen de onderzoekers de radarveranderingen vergeleken met de optische brandkaarten, vonden ze een duidelijke discrepantie in hoe de twee sensoren de brand zagen. De optische kaarten, die vertrouwen op het verschil in plantgezondheid vóór en na de brand, lieten zien dat een groot deel van de brandperimeter ofwel onverbrand of slechts licht verbrand was. In werkelijkheid had de brand veel stukken land overgeslagen, waardoor een gefragmenteerd patroon van verbrande en onverbrande gebieden achterbleef. De optische kaarten hadden moeite om onderscheid te maken tussen gebieden die echt beschadigd waren en gebieden die gewoon snel herstelden. De radargegevens boden echter een scherper beeld van de fysieke veranderingen. Het toonde aan dat het kruisgepolariseerde radarsignaal, dat bijzonder gevoelig is voor de driedimensionale structuur van planten, een veel betere indicator was van structureel verlies dan de standaard optische kaarten. De radar kon de verwijdering van houtige struiken en het uitdrogen van de bodem detecteren, zelfs wanneer de optische sensoren in de war werden gebracht door de snelle terugkeer van groen gras.

Een belangrijke bevinding van de studie was dat de manier waarop wetenschappers de brandintensiteit berekenen, enorm veel uitmaakt in deze landschappen met een lage biomassa. De standaardmethode voor optische kaarten past de ernstscore vaak aan op basis van hoeveel vegetatie er vóór de brand aanwezig was. De onderzoekers ontdekten dat deze aanpassing de gegevens in de Texas-struiklandschappen juist slechter maakte. Omdat de vegetatie vóór de brand al schaars was, versterkte de aanpassing eerder willekeurige ruis dan de schade verhelderde. In plaats daarvan werkte een eenvoudigerere maatstaf van de absolute verandering in de optische data beter wanneer deze werd gecombineerd met de radar. De studie bevestigde dat het radarsignaal en de eenvoudige optische veranderingsmaatstaf aan elkaar gelinkt waren, maar alleen in gebieden met voldoende houtige structuur om de radarvlagen te verstrooien. In de graslanden was de connectie zwak, wat suggereert dat hoewel radar krachtig is, het de optische data in elke situatie niet volledig kan vervangen.

De studie onderzocht ook wat de intensiteit van de brand aanstuurde. Ze onderzochten of de helling van het land of het type vegetatie een grotere rol speelde in hoe hevig de brand was. De resultaten toonden aan dat de helling van het land bijna geen effect had op de ernst van de brand. In plaats daarvan was het type brandstof de beslissende factor. Gebieden bedekt met struiken en houtige planten brandden met aanzienlijk hogere ernst dan open graslanden. Dit ondersteunt het idee dat de opmars van houtige planten zoals mesquite en jeneverbes in graslanden het brandregime verandert, waardoor branden intenser en schadelijker worden. De radargegevens waren in staat om deze verschillen in structureel verlies te benadrukken, waarbij ze lieten zien dat de houtige gebieden een diepere verandering ondergingen dan de graslanden.

Misschien wel de meest praktische ontdekking was het vermogen van de radar om een kaart van vochtverlies te maken. Door de radarsignalen te combineren, genereerden de onderzoekers een index die liet zien waar het land na de brand het meest was uitgedroogd. Deze kaart stemde goed overeen met de gebieden waar de brand had gebrand, zelfs op plaatsen waar de optische kaarten ambigu waren. Dit is cruciaal omdat radar door de rook en wolken kan kijken die optische satellieten direct na een brand vaak blokkeren. Het ziet ook het fysieke uitdrogen van de bodem en planten voordat het groene gras de kans krijgt om de schade te verbergen. Dit betekent dat crisismanagers radar kunnen gebruiken om een betrouwbaar beeld te krijgen van de impact van de brand en het resulterende watertekort in de bodem, veel eerder dan zij met traditionele methoden zouden kunnen.

De onderzoekers merkten op dat hun bevindingen specifiek zijn voor dit type omgeving met een lage biomassa en overgangsnatuur, en niet als algemeen geldend voor dichte bossen of andere ecosystemen moeten worden beschouwd zonder verdere tests. Ze wezen er ook op dat hoewel de radar-data veelbelovend was, deze nog steeds gevalideerd moet worden met metingen op grondniveau om een perfecte schaal voor het meten van brandintensiteit te creëren. Voor nu demonstreert de studie dat het combineren van radar- en optische data een completer beeld biedt van brandschade in de Southern Great Plains. Het onthult dat in deze semi-aride landschappen, waar de grond zichtbaar is en de planten snel terug groeien, de fysieke structuur van de vegetatie een ander verhaal vertelt dan de kleur van de bladeren. Door te luisteren naar de echo van de radar, kunnen wetenschappers eindelijk de ware vorm van de brandplek zien, zelfs wanneer het land er weer groen uitziet.