SeverusPT - A multi-source burn severity dataset for mainland Portugal

Abstract (EN)

The SeverusPT project aims to periodically and timely provide relevant and standardized information on burn severity supported by satellite and field observations. Key objectives include developing a spatially explicit framework for assessing, mapping, and predicting burn severity and delivering a co-designed product/service to enhance institutional and operational capacity for fire hazard management and post-fire ecosystem restoration.

The project currently provides standardized satellite-based datasets on mainland Portugal’s observed/historical burn severity, leveraging multiple satellite missions (Sentinel-2, Landsat, MODIS), spectral indices (e.g., Normalized Burn Ratio – NBR, Tasseled Cap Transformation – TCT), and burn severity indicators. The datasets are derived from pre-calculated severity products through algorithms that integrate satellite image time series (SITS) in two main approaches: (i) a delta-based pipeline, employing “classical” severity measurements (e.g., delta NBR) and focused primarily on high spatial resolution satellites; and (ii) a trajectory-based pipeline supported by SITS and the analysis of post-fire trajectories for multiple dimensions of ecosystem functioning and primarily focusing on high-temporal/moderate spatial resolution satellites.

Field assessments, critical for validating satellite products and obtaining nuanced results regarding post-fire effects, were used to provide information on burn severity across different structural components of vegetation. The project used a purposive stratified approach for field surveys, focusing on the 2022 fire season across mainland Portugal. Selection criteria based on fire size, location, main vegetation type, and other ancillary layers enabled comprehensive coverage and diversity in post-fire conditions. Approximately 111 sites in 28 burned areas were surveyed in north and centre Portugal (the wildfire foci in the country) using the Geometrically Structured Composite Burn Index (GeoCBI) protocol. Two methods were used to validate the delta-based products by comparing in situ GeoCBI and satellite burn severity estimates: (i) non-parametric linear correlation (Spearman method) and nonlinear correlation; and (ii) a nonlinear exponential model adapted from pre-existing studies.

Delta-based SeverusPT products agreed well with GeoCBI field measures of burn severity. The best linear correlation results were bounded between 0.64 and 0.71. Sentinel-2 and the NBR spectral index with RBR generally ranked higher when compared to Landsat-8. For nonlinear correlation, results were between 0.65 and 0.76, with the best results for Landsat-8 TCTG, closely followed by Sentinel-2 NBR spectral index with RDT or RBR indicators. The results for the nonlinear model validation were similar, with the best marks attained by the RdNBR, RBR, and dNBR indicators (R2= 0.64, 0.62, and 0.60, respectively).

The project’s data portal is a centralized gateway for accessing and downloading project data and metadata. It offers two primary levels of data access: Level 1 includes the products, and Level 2 comprises image data files along with metadata. The trajectory-based pipeline and products are still under active development and will be added to the SeverusPT Data Portal.

SeverusPT builds on a comprehensive approach combining satellite data with rigorous field validation, yielding significant insights into wildfire severity. The project’s innovative methodologies and the data portal’s accessibility contribute to the field of wildfire severity assessment, offering valuable data and tools for fire management and prioritizing post-fire mitigation and recovery strategies.

SeverusPT Data Products Manual: https://doi.org/10.5281/zenodo.10640961

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Resumo (PT)

O projecto SeverusPT tem como objetivo disponibilizar, de forma regular e atempada, informação relevante e pradonizada da severidade da área ardida, baseada em dados de satélite e observações no terreno. Os principais objetivos incluem o desenvolvimento de uma moldura de análise espacialmente explícita para avaliar, mapear e prever a severidade da área ardida, fornecendo um produto/serviço resultante de co-desenho para melhorar a capacidade institucional e operacional para a gestão do risco de incêndio e o restauro dos ecossistemas pós-incêndio.

Atualmente este projeto disponibiliza conjuntos de dados derivados de imagens de satélite para Portugal Continental acerca da severidade histórica/observada da área ardida. Estes conjuntos de dados fazem uso de informação proveniente de múltiplas missões espaciais (Sentinel-2, Landsat, MODIS), índices espetrais (p.ex. “Normalized Burn Ratio” – NBR, “Tasseled Cap Transformation” – TCT), e indicadores da severidade da área ardida. Os conjuntos de dados derivam de produtos pré-calculados de severidade através de algoritmos que integram séries temporais de imagens de satélite (SITS) em duas abordagens principais: (i) a cadeia de processamento (“pipeline”) baseado em deltas, que implementa medidas “clássicas” de severidade (p.ex. delta-NBR) e que se foca principalmente em satélites de alta resolução espacial; e (ii) a cadeia de processamento baseado em trajetórias, que se baseia na análise de trajetórias pós-incêndio para múltiplas dimensões do funcionamento dos ecossistemas e que se foca em dados de satélite de alta resolução temporal e resolução espacial moderada.

No sentido de fornecer informação acerca da severidade da área ardida em vários componentes estruturais da vegetação, foram utilizados dados recolhidos no terreno, os quais são cruciais para validar produtos derivados de imagens de satélite e obter resultados pormenorizados relativamente a efeitos pós-incêndio. No âmbito do projeto foi usada uma abordagem estratificada para efetuar os levantamentos no terreno, focada na época de incêndios de 2022 em Portugal Continental. Critérios de seleção baseados no tamanho da área ardida, localização, tipo de vegetação principal e outras camadas auxiliares de informação permitiram cobrir uma maior diversidade de condições pós-incêndio. Foram visitados aproximadamente 111 locais pertencentes a um total de 28 áreas ardidas no Norte e Centro de Portugal Continental (as zonas do país mais afetadas por incêndios), usando o protocolo “Geometrically Structured Composite Burn Index” (GeoCBI). Foram utilizados dois métodos para validar os produtos baseados em deltas, através da comparação do GeoCBI in situ com estimativas obtidas por satélite: (i) correlações lineares não paramétricas (método de Spearman) e correlações não-lineares; e (ii) um modelo exponencial não-linear adaptado de estudo pré-existentes.

Os produtos SeverusPT baseados em deltas apresentaram elevada concordância com as medidas de severidade da área ardida recolhidas no terreno através do GeoCBI. Os valores resultantes mais elevados para a correlação linear situaram-se entre 0,64 e 0,71. Foram obtidos valores geralmente mais elevados para Sentinel-2 e para o índice espetral NBR e o indicador de severidade RBR, em comparação com os resultados obtidos para Landsat-8. Relativamente às correlações não-lineares, foram obtidos valores entre 0,65 e 0,76, tendo os valores mais elevados sido obtidos para o índice espetral TCTG derivado de Landsat-8, seguido do índice espetral NBR derivado de Sentinel-2 com os indicadores de severidade RDT ou RBR. Foram obtidos resultados semelhantes para a validação através de modelo não-linear, com os valores mais elevados correspondendo aos indicadores de severidade RdNBR, RBR e dNBR (R2 = 0,64, 0,62 e 0,60, respetivamente).

O portal de dados do projeto constitui uma via de acesso centralizada para a visualização e descarregamento de dados e metadados do projeto, oferecendo dois níveis primários de acesso: o Nível 1 inclui os produtos e o Nível 2 é constituído por ficheiros de imagens e metadados. Os produtos provenientes da cadeia de processamento baseada em trajetórias estão ainda em desenvolvimento activo e serão adicionados posteriormente no Portal de Dados do SeverusPT.

O SeverusPT assenta numa abordagem abrangente que combina dados provenientes de satélites com uma rigorosa validação baseada em dados recolhidos no terreno, oferecendo uma melhor compreensão da severidade dos incêndios. As suas metodologias inovadoras e a acessibilidade do seu portal de dados contribuem para o campo da avaliação da severidade dos incêndios, providenciando dados e ferramentas valiosos para a gestão do fogo e para a priorização de estratégias de mitigação e recuperação pós-incêndio.