NHI Dashboard

Que mide este dashboard

Este sistema detecta anomalias termales en volcanes usando imagenes satelitales en el infrarrojo de onda corta (SWIR). A diferencia del infrarrojo termico (TIR, 8-12 um) que mide la temperatura superficial general, las bandas SWIR (1.6 y 2.2 um) son sensibles a fuentes de calor intenso (>500 K) como:

• Lagos de lava y lava activa expuesta
• Domos en crecimiento con fracturas incandescentes
• Fumarolas de alta temperatura (>300 C)
• Flujos piroclasticos recientes aun calientes
• Coladas de lava en enfriamiento

No detecta actividad de baja temperatura como desgasificacion fria, deformacion o sismicidad.

Bandas SWIR: por que funcionan para volcanes

La radiancia emitida por un cuerpo sigue la ley de Planck. A temperatura ambiente (~300 K), la emision se concentra en el TIR (pico ~10 um). Pero cuando hay una fuente volcanica caliente:

• A ~500 K: la emision SWIR2 (2.2 um) comienza a ser detectable sobre el fondo solar reflejado
• A ~600-800 K: SWIR1 (1.6 um) tambien muestra anomalia clara
• A >1000 K (lava fresca): ambas bandas SWIR muestran seniales muy fuertes

La ventaja del SWIR sobre el TIR es la resolucion espacial: Sentinel-2 tiene 20 m/pixel en SWIR vs 1 km/pixel en TIR (MODIS/VIIRS). Esto permite detectar fuentes pequenias.

Bandas utilizadas

Indices NHI: como se calculan

NHISWIR (detector primario)

Compara las dos bandas SWIR. En condiciones normales, la reflectancia solar decrece con la longitud de onda en el SWIR, asi que SWIR2 < SWIR1 y el indice es negativo. Cuando hay una fuente caliente, la emision termica en 2.2 um supera la de 1.6 um (ley de Planck), invirtiendo la relacion: SWIR2 > SWIR1 y el indice se vuelve positivo.

• NHISWIR < 0 : Normal (reflectancia solar dominante)
• NHISWIR ~ 0 : Ambiguo (posible calentamiento leve o suelo oscuro)
• NHISWIR > 0 : Anomalia termal (emision domina sobre reflectancia)
• NHISWIR > 0.3 : Anomalia fuerte (lava activa, incandescencia)

NHISWNIR (confirmacion)

Compara SWIR1 con NIR. En terreno sin anomalia, SWIR1 y NIR tienen valores similares (el indice oscila cerca de 0). Cuando SWIR1 sube por emision termal, el indice se vuelve positivo. Se usa como confirmacion: un pixel debe ser positivo en ambos indices para considerarse anomalia.

Como interpretar los graficos

Pixeles calientes por fecha

Cada barra muestra cuantos pixeles de 20x20 m (Sentinel-2) o 30x30 m (Landsat) superaron los umbrales NHI en esa fecha. Sirve como proxy del area de la anomalia:

• 1-10 px: Anomalia puntual (fumarola, fractura en domo, pixel sub-resolucion)
• 10-100 px: Anomalia moderada (lago de lava pequenio, flujo activo incipiente)
• 100-1000 px: Anomalia extensa (flujo de lava activo, domo en crecimiento rapido)
• >1000 px: Evento mayor o posible falso positivo — verificar con otras fuentes

Barras rojas = alerta activa. Barras verdes = sin anomalia detectada en esa fecha.

NHISWIR maximo

Valor maximo del indice entre los pixeles calientes. Indica la intensidad de la fuente mas caliente en la escena:

• 0.01 - 0.05 : Anomalia debil (puede ser calentamiento solar residual)
• 0.05 - 0.20 : Anomalia moderada (fumarola intensa, domo caliente)
• 0.20 - 0.50 : Anomalia fuerte (lago de lava, flujo activo)
• > 0.50 : Anomalia muy intensa (lava incandescente expuesta)

NHISWNIR maximo

Confirmacion del indice secundario. Valores positivos altos refuerzan la interpretacion de anomalia real. Valores cercanos a 0 con NHISWIR alto pueden indicar un pixel borderline.

Radiancia total SWIR2

Suma de la reflectancia SWIR2 de todos los pixeles calientes. Es un proxy de la potencia radiante total (VRP) de la anomalia. Util para comparar la intensidad relativa entre fechas: un valor alto con pocos pixeles indica una fuente concentrada e intensa; un valor alto con muchos pixeles indica una fuente extensa.

Sistema de semaforo

Fuentes de error y falsos positivos

Causas comunes de falsos positivos

• Bordes de nubes: La transicion nube/suelo puede crear artefactos SWIR
• Nieve brillante: Reflectancia alta en SWIR puede generar indices anomalos en zonas de transicion nieve/roca
• Suelo calentado por el sol: Superficies oscuras (lava reciente, ceniza) en dias calidos pueden elevar la emision SWIR
• Incendios forestales: Indistinguibles de anomalias volcanicas por SWIR; se requiere contexto geografico para descartar
• Instalaciones industriales: Raro en volcanes chilenos, pero posible en zonas mineras del norte

Causas de falsos negativos (anomalia real no detectada)

• Nubes: El SWIR no penetra nubes densas. Cobertura >50% descarta la escena
• Nieve sobre crater: Cubre la fuente termal; solo fuentes muy intensas derriten suficiente nieve para ser visibles
• Fuente sub-pixel: Una fumarola de 5 m en un pixel de 20 m se diluye; la anomalia puede no superar el umbral estadistico
• Hora de paso: Sentinel-2 y Landsat son satelites diurnos (~10:30 AM local). No detectan eventos nocturnos ni efimeros
• Frecuencia temporal: Sentinel-2 revisita cada 5 dias, Landsat cada 8-16. Eventos entre pasadas no se registran

Que buscar como geologo

Patrones que sugieren actividad real

• Persistencia temporal: Anomalias en multiples fechas consecutivas en el mismo volcan son la senial mas confiable. Un unico pixel en una sola fecha es sospechoso
• NHISWIR > 0.2: Valores altos del indice son dificiles de producir por reflectancia solar; casi siempre indican emision termal real
• Incremento gradual de pixeles: Si el conteo de pixeles calientes crece entre fechas, sugiere expansion de la fuente (ej: flujo de lava avanzando)
• Correlacion con sismicidad: Anomalia SWIR precedida por enjambre sismico refuerza la interpretacion de ascenso magmatico

Patrones que sugieren ruido

• Anomalia en un solo sensor/fecha: Si aparece en Sentinel-2 pero no en Landsat (o viceversa) del mismo periodo, puede ser artefacto
• Muchos volcanes en la misma fecha: Si 10+ volcanes de la misma zona muestran anomalia el mismo dia, es probable ruido atmosferico o solar
• NHISWIR muy bajo (0.01-0.03) con muchos pixeles: Fuente debil pero extensa es mas consistente con calentamiento solar que con actividad volcanica

Volcanes de referencia en Chile

Limitaciones del sistema

• Usa reflectancia de superficie (L2A), no radiancia TOA como el paper original. Los valores absolutos de NHI difieren del NHI Tool oficial de Genzano et al.
• Resolucion temporal limitada: un evento de horas puede no coincidir con pasada satelital
• Solo detecta anomalias diurnas (pasada ~10:30 AM). MIROVA (MODIS nocturno) complementa para eventos nocturnos
• Los umbrales estadisticos estan calibrados para Chile pero no validados sistematicamente; pueden requerir ajuste para volcanes con contextos geologicos particulares
• No reemplaza el monitoreo multiparametrico (sismicidad, deformacion, gases, visual)

Referencias

• Marchese et al. 2019 — Algoritmo NHI original (doi:10.3390/rs11232876)
• Genzano et al. 2020 — NHI Tool en Google Earth Engine (doi:10.3390/rs12193232)
• Coppola et al. 2020 — MIROVA: monitoreo termal con MODIS (doi:10.3389/feart.2019.00362)
• Massimetti et al. 2020 — Sentinel-2 hot-spot vs MIROVA (doi:10.3390/rs12050820)

NHI Tool (TOA) — En desarrollo

Esta pestania es un espacio de desarrollo para migrar la fuente de datos a radiancia Top-of-Atmosphere (TOA), que es la que utiliza el NHI Tool original de Google Earth Engine (Genzano et al. 2020).

Objetivo: lograr comparabilidad numerica directa con NHI Tool para poder contrastar series historicas.

Estado actual

El dashboard principal usa Sentinel-2 L2A + Landsat C2 L2 (reflectancia de superficie) via Microsoft Planetary Computer, con filtros estadisticos inspirados en VRP Chile para compensar el ruido de L2A.

Resultado: el patron temporal de picos coincide con NHI Tool, pero las magnitudes absolutas divergen (valores sistematicamente mas bajos/altos segun el volcan).

Plan de migracion

Planetary Computer no sirve Sentinel-2 L1C ni Landsat 8/9 TOA. La ruta tecnica requiere cambiar de fuente de datos:

• Sentinel-2 L1C (TOA): AWS Open Data bucket sentinel-s2-l1c (acceso gratuito via boto3 + STAC).
• Landsat 8/9 Level-1 (TOA): AWS usgs-landsat bucket. Requiere parsear metadata MTL para escalar DN a TOA reflectance (REFLECTANCE_MULT_BAND / REFLECTANCE_ADD_BAND).
• Reescribir buscar_escenas y leer_banda en nhi_analyzer.py para soportar ambas fuentes.
• Validar en una rama separada (toa-migration) antes de mergear.

Progreso

• [x] Investigacion de disponibilidad en Planetary Computer
• [x] Confirmado: PC no sirve TOA para OLI/MSI modernos
• [x] Descubierto Element84 earth-search con S2 L1C anonimo (AWS_NO_SIGN_REQUEST)
• [x] Migracion de Sentinel-2 a L1C TOA (nhi_analyzer_toa.py)
• [x] Source code del NHI Tool GEE descifrado (URL publica de modules.json, sin auth)
• [x] Replica EXACTA del algoritmo NHI Tool linea por linea (en radiancia TOA)
• [x] Validacion cruzada vs NHI Tool en Lascar: 5/9 escenas EXCELENTE (0.5-2x), 7/9 dentro de 0.2-5x
• [ ] Migracion de Landsat 8/9 a L1 TOA (bucket usgs-landsat es requester-pays, necesita credenciales AWS)
• [ ] Extender a los otros 42 volcanes
• [ ] Parsear ESUN per-imagen del SAFE metadata (mejor precision que constantes nominales S2B)
• [ ] Decidir merge a pipeline principal + regeneracion historica

Algoritmo NHI Tool (decifrado del GEE source)

Asset: users/nicogenzano/default:vulcani/nhi-v1.5 (descargado via URL publica del app, sin auth requerida).

1. Conversion DN -> radiancia TOA (W/m²/sr/µm):

El (-1000) replica el offset que aplica COPERNICUS/S2_HARMONIZED. ESUN nominal S2B: B5=1287.69, B8A=956.52, B11=247.15, B12=87.83 W/m²/µm.

2. Indices normalizados:

3. Pixel HOT si ALGUNA condicion (OR):

El criterio b703 < 90 (B5 red-edge) actua como cloud mask implicito (las nubes son brillantes en B5). NHI Tool no aplica QA60 ni cloud mask explicito ("senza cloud mask" en el source).

Comparativa por volcan: L2A actual vs TOA replica

Linea verde = TOA replica NHI Tool (S2 L1C, esta pestania). Linea azul dashed = L2A+VRP actual (dashboard principal). Marcas rojas = valores NHI Tool GEE exportados directamente del app en CSV (ground truth; disponible para Lascar en docs/nhi_data_toa/{volcan}/nhi_tool_gee_reference.csv).

Buffer: Lascar 3 km (match del NHI Tool GEE) | resto 5 km (default para este POC, sin referencia GEE para comparar). Datos: docs/nhi_data_toa/{volcan}/nhi_timeseries.json (S2 L1C Element84) vs docs/nhi_data/{volcan}/nhi_timeseries.json (S2 L2A + L8 L2 Planetary Computer).