Canada experienced in 2023 one of the most severe wildfire seasons in recent history, causing damage across ecosystems, destroying communities, and emitting large quantities of CO2. This extreme wildfire season is symptomatic of a climate-change-induced increase in the length and severity of the fire season that affects the boreal ecosystem. Therefore, it is critical to empower wildfire management in boreal communities with better mitigation solutions. Wildfire probability maps represent an important tool for understanding the likelihood of wildfire occurrence and the potential severity of future wildfires. The massive increase in the availability of Earth observation data has enabled the development of deep learning-based wildfire forecasting models, aiming at providing precise wildfire probability maps at different spatial and temporal scales. A main limitation of such methods is their reliance on coarse-resolution environmental drivers and satellite products, leading to wildfire occurrence prediction of reduced resolution, typically around $\sim 0.1${\deg}. This paper presents a benchmark dataset: CanadaFireSat, and baseline methods for high-resolution: 100 m wildfire forecasting across Canada, leveraging multi-modal data from high-resolution multi-spectral satellite images (Sentinel-2 L1C), mid-resolution satellite products (MODIS), and environmental factors (ERA5 reanalysis data). Our experiments consider two major deep learning architectures. We observe that using multi-modal temporal inputs outperforms single-modal temporal inputs across all metrics, achieving a peak performance of 60.3% in F1 score for the 2023 wildfire season, a season never seen during model training. This demonstrates the potential of multi-modal deep learning models for wildfire forecasting at high-resolution and continental scale.


翻译:2023年,加拿大经历了近年来最严重的野火季之一,对生态系统造成破坏、摧毁社区并排放大量二氧化碳。这一极端野火季是气候变化导致火季长度和严重性增加的典型表现,影响了北方生态系统。因此,为北方社区提供更优的减灾解决方案以增强野火管理能力至关重要。野火概率图是理解野火发生可能性和未来野火潜在严重性的重要工具。地球观测数据可用性的急剧增长推动了基于深度学习的野火预测模型的发展,旨在提供不同时空尺度下的精确野火概率图。此类方法的主要局限在于其依赖粗分辨率环境驱动因子和卫星产品,导致野火发生预测的分辨率较低,通常约为$\\sim 0.1${\\deg}。本文提出了一个基准数据集:CanadaFireSat,以及用于加拿大全境100米高分辨率野火预测的基线方法,该方法利用了高分辨率多光谱卫星图像(Sentinel-2 L1C)、中分辨率卫星产品(MODIS)和环境因子(ERA5再分析数据)等多模态数据。我们的实验考虑了两种主要的深度学习架构。研究发现,在所有评估指标上,使用多模态时序输入均优于单模态时序输入,在模型训练中从未见过的2023年野火季中,F1分数最高达到60.3%。这证明了多模态深度学习模型在高分辨率和大陆尺度野火预测中的潜力。

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