On the extent of fire-induced forest degradation in Mato Grosso, Brazilian Amazon, in 2000, 2005 and 2010

In this paper we analyse the extent of fire-induced forest degradation in Mato Grosso State, Brazil. We utilise a sample based approach used in a previous pan-tropical deforestation survey to derive information on land cover and burned areas in the two major biomes of Mato Grosso: Amazon and Cerrado. Land cover and burned area are mapped for three years (2000–2005–2010) over 77 sample sites (10 000 ha each) distributed systematically throughout the state which 5 covers 90.337 Mha. Our results indicate continuing forest degradation by fires in the state and potentially increasing fire susceptibility of the Amazon forests, regardless of the decrease in deforestation. 2010 witnessed the most extensive fire induced forest degradation (,300 000 ha) in the forests of the Amazon biome among the study years, regardless of the fact that the fire season was less severe than in 2005. Deforestation in the Amazon biome in Mato Grosso dropped from 590 000 ha year in the 2000–2005 period to 190 000 ha year in the second half of the decade. The findings of this study advocate the inclusion of forest fire effects into carbon accounting initiatives.JRC.H.3-Forest Resources and Climat

Global Forest Monitoring from Earth Observation

Covering recent developments in satellite observation data undertaken for monitoring forest areas from global to national levels, this book highlights operational tools and systems for monitoring forest ecosystems. It also tackles the technical issues surrounding the ability to produce accurate and consistent estimates of forest area changes, which are needed to report greenhouse gas emissions and removals from land use changes. Written by leading global experts in the field, this book offers a launch point for future advances in satellite-based monitoring of global forest resources. It gives readers a deeper understanding of monitoring methods and shows how state-of-art technologies may soon provide key data for creating more balanced policies

Multi-year MODIS Active Fire Type Classification Over the Brazilian Tropical Moist Forest Biome

The Brazilian Tropical Moist Forest Biome (BTMFB) spans almost 4 million km2 and is subject to extensive annual fires that have been categorized into deforestation, maintenance, and forest fire types. Information on fire types is important as they have different atmospheric emissions and ecological impacts. A supervised classification methodology is presented to classify the fire type of MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) active fire detections using training data defined by consideration of Brazilian government forest monitoring program annual land cover maps, and using predictor variables concerned with fuel flammability, fuel load, fire behavior, fire seasonality, fire annual frequency, proximity to surface transportation, and local temperature. The fire seasonality, local temperature, and fuel flammability were the most influential on the classification. Classified fire type results for all 1.6 million MODIS Terra and Aqua BTMFB active fire detections over eight years (2003–2010) are presented with an overall fire type classification accuracy of 90.9% (kappa 0.824). The fire type user’s and producer’s classification accuracies were respectively 92.4% and 94.4% (maintenance fires), 88.4% and 87.5% (forest fires), and, 88.7% and 75.0% (deforestation fires). The spatial and temporal distribution of the classified fire types are presente

Using middle-infrared reflectance for burned area detection

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Meteorologia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011A strategy is presented that allows deriving a new index for burned area discrimination over the Amazon and Cerrado regions of Brazil. The index is based on information from the near-infrared (NIR) and middle-infrared (MIR) channels of the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). A thorough review is undertaken of existing methods for retrieving MIR reflectance and an assessment is performed, using simulated and real data, about the added value obtained when using the radiative transfer equation (RTE) instead of the simplified algorithm (KR94) developed by Kaufman and Remer (1994), the most used in the context of burned area studies. It is shown that use of KR94 in tropical environments to retrieve vegetation reflectance may lead to errors that are at least of the same order of magnitude of the reflectance to be retrieved and considerably higher for large values of land surface temperature (LST) and solar zenith angle (SZA). Use of the RTE approach leads to better estimates in virtually all cases, with the exception of high values of LST and SZA, where results from KR94 are also not usable. A transformation is finally defined on the MIR/NIR reflectance space aiming to enhance the spectral information such that vegetated and burned surfaces may be effectively discriminated. The transformation is based on the difference between MIR and NIR in conjunction with the distance from a convergence point in the MIR/NIR space, representative of a totally burnt surface. The transformation allows defining a system of coordinates, one coordinate having a small scatter for pixels associated to vegetation, burned surfaces and soils containing organic matter and the other coordinate covering a wide range of values, from green and dry/stressed vegetation to burned surfaces. The new set of coordinates opens interesting perspectives to applications like drought monitoring and burned area discrimination using remote-sensed information.O coberto vegetal da superfície da Terra tem vindo a sofrer mudanças, por vezes drásticas, que conduzem a alterações tanto na rugosidade da superfície terrestre como no seu albedo, afectando directamente as trocas de calor sensível e latente e de dióxido de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera (Sellers et al., 1996). Neste contexto, as queimadas assumem um papel de extremo relevo (Nobre et al., 1991; O’Brien, 1996; Xue, 1996) na medida em que constituem uma das mais importantes fontes de alteração do coberto vegetal, resultando na destruição de florestas e de recursos naturais, libertando carbono da superfície continental para a atmosfera (Sellers et al., 1995) e perturbando as interacções biosfera-atmosfera (Levine et al., 1995; Scholes, 1995) através de mudanças na rugosidade do solo, na área foliar e noutros parâmetros biofísicos associados ao coberto vegetal. Ora, neste particular, a Amazónia Brasileira constitui um exemplo notável de mudanças no uso da terra e do coberto vegetal nas últimas décadas, como resultado da desflorestação induzida pelo homem bem como por causas naturais (Gedney e Valdes, 2000; Houghton, 2000; Houghton et al., 2000; Lucas et al., 2000), estimando-se que as regiões tropicais sejam responsáveis por cerca de 32% da emissão global de carbono para a atmosfera (Andreae, 1991). Neste contexto, a disponibilidade de informações pormenorizadas e actualizadas sobre as distribuições espacial e temporal de queimadas e de áreas ardidas em regiões tropicais afigura-se crucial, não só para uma melhor gestão dos recursos naturais, mas também para estudos da química da atmosfera e de mudanças climáticas (Zhan et al., 2002). A detecção remota constitui, neste âmbito, uma ferramenta indispensável na medida em que permite uma monitorização em tempo quase real, a qual se revela especialmente útil em áreas extensas e/ou de difícil acesso afectadas pelo fogo (Pereira et al., 1997). Diversos instrumentos, tais como o Land Remote Sensing Satellite/Thematic Mapper (LANDSAT/TM) e o National Oceanic and Atmospheric Administration/Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA/AVHRR) têm vindo a ser extensivamente utilizados na gestão dos fogos florestais, em particular aos níveis da detecção de focos de incêndio e da monitorização de áreas queimadas. Mais recentemente, o instrumento VEGETATION a bordo do Satellite Pour l'Observation de la Terre (SPOT) tem vindo a ser utilizado com sucesso na monitorização de fogos. Finalmente, são de referir os sensores da série Along Track Scanning Radiometer (ATSR) para os quais têm vindo a ser desenvolvidos algoritmos de identificação de focos de incêndio, e ainda o sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) que tem vindo a demonstrar capacidades óptimas no que respeita à observação global de fogos, plumas e áreas queimadas. Neste contexto, os métodos actuais de detecção de áreas ardidas através da detecção remota têm vindo a dar prioridade à utilização das regiões do vermelho (0.64 μm) e infravermelho-próximo (0.84 μm) do espectro eletromagnético. No entanto, tanto a região do vermelho quanto a do infravermelho-próximo apresentam a desvantagem de serem sensíveis à presença de aerossóis na atmosfera (Fraser e Kaufman, 1985; Holben et. al., 1986). Desta forma, em regiões tropicais como a Amazónia, onde existem grandes camadas de fumo devido à queima de biomassa, a utlização destas duas regiões do espectro eletromagnético torna-se insatisfatória para a detecção de áreas ardidas. Por outro lado, a região do infravermelho médio (3.7 – 3.9 μm) tem a vantagem de não ser sensível à presença da maior parte dos aerossóis, exceptuando a poeira (Kaufman e Remer, 1994) mostrando-se, ao mesmo tempo, sensível a mudanças na vegetação devido à absorção de água líquida. Com efeito, estudos acerca dos efeitos do vapor de água na atenuação do espectro eletromagnético demonstraram que a região do infravermelho médio é uma das únicas regiões com relativamente pouca atenuação (Kerber e Schut, 1986). Acresce que a região do infravermelho médio apresenta uma baixa variação da irradiância solar (Lean, 1991), tendo-se ainda que a influência das incertezas da emissividade na estimativa da temperatura da superfície é pequena quando comparada com outras regiões térmicas tais como as de 10.5 e 11.5 μm (Salysbury e D’Aria, 1994). A utilização da radiância medida através de satélites na região do infravermelho médio é, no entanto, dificultada pelo facto de esta ser afectada tanto pelo fluxo térmico quanto pelo fluxo solar, contendo, desta forma, duas componentes, uma emitida e outra reflectida, tendo-se que a componente reflectiva contém os fluxos térmico e solar reflectidos pela atmosfera e pela superfície enquanto que as emissões térmicas são oriundas da atmosfera e da superfície. Ora, a componente solar reflectida é de especial interesse para a detecção de áreas ardidas pelo que se torna necessário isolá-la do sinal total medido pelo sensor. Devido à ambiguidade deste sinal, a distinção dos efeitos da reflectância e da temperatura torna-se uma tarefa muito complexa, verificando-se que os métodos em que se não assume nenhuma simplificação, levando-se, portanto, em consideração todos os constituintes do sinal do infravermelho médio se tornam complexos e difíceis de serem aplicados na prática, na medida em que requerem dados auxiliares (e.g. perfis atmosféricos) e ferramentas computacionais (e.g. modelos de tranferência radiativa). Kaufman e Remer (1994) desenvolveram um método simples para estimar a reflectância do infravermelho médio o qual assenta em diversas hipóteses simplificadoras. Apesar do objectivo primário que levou ao desenvolvimento do método ser a identificação de áreas cobertas por vegetação densa e escura em regiões temperadas, este método tem sido lagarmente utilizado nos estudos acerca da discriminação de áreas queimadas, algumas das vezes em regiões tropicais (Roy et al., 1999; Barbosa et al., 1999; Pereira, 1999). Na literatura não existe, no entanto, nenhum estudo acerca da exactidão e precisão deste método quando aplicado com o objectivo de detectar áreas ardidas, em especial em regiões tropicais. Neste sentido, no presente trabalho procedeu-se a um estudo de viabilidade do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em simultâneo com a análise da equação de tranferência radiativa na região do infravermelho médio, tendo sido realizados testes de sensibilidade dos algoritmos em relação aos erros nos perfis atmosféricos, ruído do sensor e erros nas estimativas da temperatura da superfície. Para tal recorreu-se ao modelo de transferência radiativa Moderate Spectral Resolution Atmospheric Transmittance and Radiance Code (MODTRAN), dando-se especial atenção ao caso do sensor MODIS. Os resultados demonstraram que a utilização do método proposto por Kaufman e Remer (1994) em regiões tropicais para a estimativa da reflectância no infravermelho médio, leva a erros que são pelo menos da mesma ordem de magnitude do parâmetro estimado e, em alguns casos, muito maior, quando ocorre a combinação de altas temperaturas da superfície terrestre com baixos ângulos zenitais solares. A utilização da equação de transferência radiativa mostrouse uma boa alternativa, desde que estejam disponíveis dados acerca da temperatura da superfíce terrestre assim como dos perfis atmosféricos. Entretanto, nas regiões onde ocorrem altos valores de temperatura da superfície terrestre e baixos ângulos zenitais solares, quaisquer dos dois métodos se mostra pouco utilizável, já que nesta região a estimativa da reflectância constitui um problema mal-posto. Em paralelo, utilizaram-se informações sobre aerossóis de queimada para efectuar simulações do MODTRAN que permitiram avaliar a reposta do canal do infravermelho-médio à este tipo de perturbação do sinal, muito comum na Amazónia Brasileira. A fim de tornar o estudo o mais realístico possível, procedeu-se à coleta de material resultante de queimadas na região Amazónica, mais especificamente em Alta Floresta, Mato Grosso, Brasil. Estes resultado foram então integrados nos estudos em questão, possibilitando a caracterização espectral das áreas ardidas. Com base nos resultados obtido definiu-se uma tranformação no espaço do infravermelho próximo e médio com o objetivo de maximizar a informação espectral de forma a que as superfícies vegetadas pudessem ser efectivamente discriminadas e as áreas ardidas identificadas. A tranformação baseia-se na diferença entre a reflectância nos infravermelhos próximo e médio, em conjunto com a distância a um ponto de convergência no espaço espectral dos infravermelhos próximo e médio, ponto esse representativo de uma área completamente ardida. A tranformação permitiu a definição de um novo sistema de coordenadas, o qual provou ser bastante útil no que diz respeito á identificação de áreas ardidas. Este novo espaço de coordenadas constitui uma inovação na área dos estudos de queimadas, já que permite ao mesmo tempo definir dois tipos de índices, o primeiro dos quais identifica superfícies que contém ou não biomassa e o segundo identifica, de entre as superfícies que contêm biomassa, a quantidade de água presente, podendo variar de vegetação verde (abundância de água) até áreas ardidas (ausência de água). Além de distiguir áreas ardidas, os índices desenvolvidos podem ainda ser aplicados em outros casos como, por exemplo, estudos de estresse hídrico e secas.DSA/INPE; Portuguese Foundation of Science and Technology (Fundação para a Ciência e Tecnologia / FCT)(SFRH/BD/21650/2005

Fire Type Classification in the Brazilian Tropical Moist Forest Biome

The Brazilian Tropical Moist Forest Biome (BTMFB) is “Earth’s greatest biological treasure and a major component of the earth system” and forest degradation and deforestation by fire is a serious issue in this region. Fires in the BTMFB can be broadly classified as maintenance, deforestation and forest fire types. Spatially and temporally explicit information on the incidences of fire types are important as they have widely varying atmospheric emissions and ecological impacts. Satellite based remote sensing is a practical means of monitoring the BTMFB that spans almost 4 million km2. However, there has been no way to reliably classify satellite active fire type to date. In this work, methods to characterize MODIS active fire detections are developed using physically based and geographic context/proximity approaches. The research methodology is developed by addressing four hypotheses concerning differences among active fire type characteristics including factors that drive and mediate fire in the BTMFB. Differences in the active fire characteristics among different fire types are presented and discussed. The spatio-temporal distribution of fire types over 8 year (2003-2010) period is documented, analyzed and presented. This dissertation has, to date, resulted in one published, one in press, and one submitted paper

Determination of World's Humid Tropical Deforestation Rates during the 1990's. Methodology and Results of the TREES-II Research Programme.

Abstract not availableJRC.H-Institute for environment and sustainability (Ispra

The relationship between fire severity and burning efficiency for estimating wildfire emissions in Mediterranean forests

Forests are exposed to changing climatic conditions reflected by increasing drought and heat waves that increase the risk of wildfire ignition and spread. Climatic variables such as rain and wind as well as vegetation structure, land configuration and forest management practices are all factors that determine the burning potential of wildfires. The assessment of emissions released by vegetation combustion is essential for determining greenhouse gases and air pollutants. The estimation of wildfire-related emissions depends on factors such as the type and fraction of fuel (i.e., live biomass, ground litter, dead wood) consumed by the fire in a given area, termed the burning efficiency. Most approaches estimate live burning efficiency from optical remote sensing data. This study used a data-driven method to estimate live burning efficiency in a Mediterranean area. Burning severity estimations from Landsat imagery (dNBR), which relate to fuel consumption, and quantitative field data from three national forest inventory data were combined to establish the relationship between burning severity and live burning efficiency. Several proxies explored these relationships based on dNBR interval classes, as well as regression models. The correlation results between live burning efficiency and dNBR for conifers (R = 0.63) and broad-leaved vegetation (R = 0.95) indicated ways for improving emissions estimations. Median estimations by severity class (low, moderate-low, moderate-high, and high) are provided for conifers (0 .44 − 0.81) and broad-leaves (0.64 − 0.86), and regression models for the live fraction of the tree canopy susceptible to burning (< 2 cm, 2 − 7 cm, > 7 branches, and leaves). The live burning efficiency values by severity class were higher than previous studies

Changes in Amazon Forest Structure from Land-Use Fires: Integrating Satellite Remote Sensing and Ecosystem Modeling

Fire is the dominant method of deforestation and agricultural maintenance in Amazonia, and these land-use fires frequently escape their intended boundaries and burn into adjacent forests. Initial understory fires may increase forest flammability, thereby creating a positive fire feedback and the potential for long-term changes in Amazon forest structure. The four studies in this dissertation describe the development and integration of satellite remote sensing and ecosystem modeling approaches to characterize land-use fires and their consequences in southern Amazon forests. The dissertation contributes three new methods: use of the local frequency of satellite-based active fire detections to distinguish between deforestation and maintenance fires, use of satellite data time series to identify canopy damage from understory fires, and development of a height-structured fire sub-model in Ecosystem Demography, an advanced ecosystem model, to evaluate the impacts of a positive fire feedback on forest structure and composition. Conclusions from the dissertation demonstrate that the expansion of mechanized agricultural production in southern Amazonia increased the frequency and duration of fire use compared to less intensive methods of deforestation for pasture. Based on this increase in the frequency of land-use fires, fire emissions from current deforestation may be higher than estimated for previous decades. Canopy damage from understory fires was widespread in both dry and wet years, suggesting that drought conditions may not be necessary to burn extensive areas of southern Amazon forests. Understory fires were five times more common in previously-burned than unburned forest, providing satellite-based evidence for a positive fire feedback in southern Amazonia. The impact of this positive fire feedback on forest structure and composition was assessed using the Ecosystem Demography model. Scenarios of continued understory fires under current climate conditions show the potential to trap forests in a fire-prone structure dominated by early-successional trees, similar to secondary forests, reducing net carbon storage by 20-46% within 100 years. In summary, satellite and model-based results from the dissertation demonstrate that fire-damaged forests are an extensive and long-term component of the frontier landscape in southern Amazonia and suggest that a positive fire feedback could maintain long-term changes in forest structure and composition in the region