Современные возможности геоинформационной системы мониторинга лесных пожаров ГИС ИСДМ-Рослесхоз

Д. В. Ершов

канд. техн. наук, заведующий лабораторией мониторинга лесных экосистем Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ РАН), г. Москва, Россия

К. А. Ковганко

научный сотрудник лаборатории мониторинга лесных экосистем Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ РАН), г. Москва, Россия

П. П. Шуляк

старший научный сотрудниклаборатории мониторинга лесных экосистем Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН (ЦЭПЛ РАН), г. Москва, Россия

УДК 528.9

СОВРЕМЕННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ГИС ИСДМ-РОСЛЕСХОЗ

С 2003 г. информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров ИСДМ-Рослесхоз используется для поддержки управленческих решений по обнаружению, учету и тушению лесных пожаров на неохраняемых и эпизодически охраняемых авиацией территориях лесного фонда России. В рамках этой системы функционирует геоинформационная система (ГИС), обеспечивающая интеграцию в единую геоинформационную среду оперативных данных по пожарам для оценки и контроля пожарной обстановки. Рассмотрена структурная организация ГИС мониторинга лесных пожаров. Приводится описание картографических продуктов, ежедневно формируемых ГИС-сервером ИСДМ-Рослесхоз в автоматическом режиме. Описаны функциональные возможности настольных ГИС, позволяющие в реальном режиме времени получать спутниковые продукты среднего и высокого пространственного разрешения со спутниковых систем ТЕРРА/АОиА-МосИв, ЭРОТ-НЮТ/НЮТ^, 1_апс18а1>ТМ/ЕТМ+ и др. Перечислены основные направления развития ГИС мониторинга лесных пожаров.

Ключевые слова: геоинформационная система, спутниковые продукты, мониторинг, лесные пожары, лесной фонд, пожарная опасность.

Введение

С 2003 г. информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров ИСДМ-Рослесхоз используется в ФГУ "Авиалесоохрана" Федерального агентства лесного хозяйства (Рослесхоз) для поддержки управленческих решений по обнаружению, учету и тушению лесных пожаров на неохраняемых и эпизодически охраняемых авиацией территориях лесного фонда России [1,2]. Для этого в лесном фонде были определены зоны космического мониторинга I и II уровней, приходящиеся соответственно на территории авиационной охраны с эпизодическим наблюдением и не охраняемые авиацией. С 2005 г. мониторинг лесных пожаров на этих территориях лесного фонда России ведется регулярно космическими средствами наблюдения.

ИСДМ-Рослесхоз является одной из крупных в мире систем подобного класса, сопоставимых по уровню решаемых задач с системами США и Канады [3,4]. Одной из основных ее особенностей является то, что в ИСДМ интегрирован оптимальный

© Ершов Д. В., Ковганко К. А., Шуляк П. П., 2010

набор информации для оперативной оценки текущей пожарной обстановки в лесах Российской Федерации. Система обеспечивает пользователей ежедневными данными по пожарам, регистрируемым наземными, авиационными и спутниковыми средствами наблюдения, метеорологической информацией и данными регистрации грозовых разрядов.

В системе реализована автоматизированная технология детектирования действующих лесных пожаров, оценка пройденных пожарами площадей и степени повреждения огнем лесных массивов по спутниковым данным среднего и низкого пространственного разрешения в диапазоне от 250 м до 1 км (ТЕКЯА/АдиА-Мо^, ШАА-АУНКЯ, БРОТ-УОТ) [5, 6]. В последние годы в ИСДМ в течение пожароопасного сезона осуществляется сбор данных высокого пространственного разрешения с таких спутниковых систем, как БРОТ-2,4 (НЯУ/НЯУ1Я), Ьапё8а1:-5,7 (ТМ/ЕТМ+), "Ресурс-ДК" и др., для выборочной оценки и верификации пройденных пожарами площадей лесного фонда РФ.

Основной целью использования ГИС на данном этапе развития ИСДМ-Рослесхоз является интеграция в единую геоинформационную среду вышеперечисленных данных для оценки и контроля пожарной обстановки. Сложная архитектура системы (рис. 1) и распределенное хранение данных в ее информационных центрах требуют проведения анализа существующих геоинформационных систем на предмет функциональных возможностей ГИС-анализа, перспективности их расширения и адаптации к задачам ИСДМ-Рослесхоз.

В качестве базового программного обеспечения используется линейка программных продуктов, разработанных Институтом исследования окружающей среды США (Environmental Systems Research Institute Inc., ESRI), обладающим 40-летним опытом работы и разработки современных ГИС-техноло-гий в области исследования окружающей среды.

1. Структурная организация ГИС ИСДМ

По территориальному охвату лесного фонда России геоинформационная система подразделяется на федеральный, окружной, региональный и локальный уровни.

На федеральном уровне ГИС используется для ежедневного предоставления информации по текущей пожарной обстановке в лесах в масштабах всей страны с целью принятия стратегических решений при чрезвычайных пожарных ситуациях, а также оценки последствий пожаров и учета текущих изменений.

На уровне федеральных округов ГИС необходима для решения таких задач, как оценка пожарной обстановки в лесах в масштабах отдельного федерального округа и обеспечение этими данными внутри- и межведомственных организаций и администраций субъектов.

а

= и

* й ft, Я

"8 5з

Я я

2 и

« а

a §

2

Ol

в а

п

н § и " о

а

Международные центры хранения и распространения данных

Системы обработки, хранения и доступа к данным

Центры приема ФГУ "Авиалесоохрана "

Система приема данных

Система обработки, хранения и доступа к данным "СМИС-П"

Специализированные российские центры приема

Система приема данных

Система обработки, хранения и доступа к данным "СМИС-П"

и 3 я н

я

et

К

щ §

Я

Б

о.

я &

в

о to я р. ю е я S о

н

I

л:

Центр сбора, обработки и долговременного хранения данных ИСДМ

Рабочие места

для анализа данных и

подготовки отчетности

Система автоматической подготовки отчетности на основе ГИС ИСДМ

Система обработки, хранения и доступа к данным "СМИС-П"

Система удаленного управления и контроля работоспособности

Система информационных серверов ИСДМ для доступа и распространения данных

Система автоматической рассылки и обновления данных

Система интерактивного доступа к данным удаленных пользователей

Информационные узлы

Рабочие места для анализа данных и подготовки отчетности

Автоматически обновляющаяся система хранения данных и система распространения данных

Локальные рабочие места пользователей ГИС ИСДМ

н

п S

н в Я 0

§! вI = i

Ж Удаленные

пользователи

£ й

И ¡0

я "в

§ I § Р

g Е

а

ч в

и

В" S

Е и

Рис. 1. Архитектура построения системы спутникового мониторинга лесных пожаров ИСДМ-Рослесхоз

На региональном уровне ГИС используется для оперативной оценки текущей пожарной обстановки в зоне ответственности авиабазы и департамента лесного хозяйства субъекта РФ, принятия оперативных решений по обнаружению и тушению лесных пожаров, учета лесных пожаров и подготовки ежемесячной и годовой отчетности.

На локальном уровне ГИС предназначена для оперативной оценки пожарной обстановки в зоне ответственности авиаотделений и лесничеств и может использоваться в качестве информационной поддержки при тушении лесных пожаров.

На федеральном уровне большинство информационных продуктов ежедневно формируется посредством автоматизированной обработки исходной

информации и представление их на WEB-серверах ИСДМ-Рослесхоз. Для этого ГИС-сервер ежедневно в заданный момент времени обращается с запросом к единой базе данных ИСДМ (МуБОЬ-серве-рам) в целях получения необходимых характеристик для построения тематических карт. Затем выполняется пространственный анализ данных, подготовка типовых карт на основе шаблонов и передача их в хранилище готовых информационных продуктов ИСДМ. Как только продукты попадают в хранилище, они автоматически становятся доступны на WEB-серверах системы. По этой схеме создаются карты очагов крупных лесных пожаров (более 25 га для европейской части России и более 200 га для Сибири): карты действующих лесных пожаров,

Рис. 2а. Примеры картографических продуктов

прироста пройденной огнем площади за сутки и возникших лесных пожаров (рис. 2а). Эта информация формируется на основе ежедневных отчетных данных, поступающих от субъектов РФ, а также по результатам космического мониторинга.

Кроме этого, формируется порядка 360 картографических продуктов на основе данных метеорологической службы России (Росгидромет) и системы наземной грозопеленгации ФГУ "Авиалесоохрана" (разработчик НТЦ "Инфокомплекс"). В их состав входят фактические и прогнозные показатели ночных и суточных осадков, максимальной температуры воздуха, классов пожарной опасности по методикам В. Г. Нестерова, ПВ-1 и ПВ-2 [7] и "грозоопасно-сти" (плотность распределения грозовых разрядов

положительной амплитуды). Эти карты создаются как для всей территории лесного фонда России, так и на уровне федеральных округов или отдельных субъектов (рис. 26).

Для других уровней используются настольные ГИС на базе программных продуктов ArcGIS 9 и ForsGIS 2 (Fire Objects and Remote Sensing GIS) [8], функционально адаптированные к работе с базами данных ИСДМ-Рослесхоз.

2. Функциональные возможности настольных ГИС ИСДМ

Кроме ГИС-технологии серверного типа, предусмотрена возможность использования настольных ГИС для интерактивной работы с оперативной

по пожарной обстановке в лесах

Рис. 26. Примеры картографических продуктов по данным метеонаблюдений

информацией по пожарам, доступной на информационных серверах ИСДМ-Рослесхоз. С этой целью в ГИС организовано два способа получения информации, а именно удаленный доступ к единой базе данных ИСДМ-Рослесхоз и получение фрагментов базы данных на запрашиваемый регион на локальном компьютере. В обоих случаях ГИС-интерфейс работает с базой данных однотипно. Для локальной базы вместе с ГИС поставляется внешний модуль обновления данных. Перед тем как загрузить в рабочее окно геоинформационной системы набор оперативных слоев, пользователь формирует на карте прямоугольную область, ограничивающую по географическим координатам территорию мониторинга. Далее через диалоговое окно ему предоставляется возможность определить временной интервал и состав интересующей информации. После запуска модуля на экране происходит обновление картографических слоев с оперативной информацией по пожарам, грозам и метеонаблюдениям в виде точечных, линейных и полигональных объектов (рис. 3).

Визуализация спутниковых изображений в ГИС реализована методом динамической подкачки данных с сервера подготовки растровых продуктов ИСДМ. Созданная технология позволяет пользователю перемещаться по карте, одновременно подгружая фрагменты изображения. В зависимости от скорости в сети Интернет задержка может колебаться в интервале от 5 до 30 с. Преимуществом такого подхода является возможность получения спутникового изображения одного и того же размера, несмотря на размер запрашиваемой территории. Достигается это за счет изменения разрешения запрашиваемого изображения, вычисляемого с учетом экранного масштаба карты. ГИС передает на сервер через НТТР-протокол информацию о географических координатах, размере изображения и его разрешении. По заданным параметрам сервер подготовки спутниковых продуктов формирует необходимый пользователю растровый продукт и передает ГИС-ссылку

Рис. 3. Пример обновления данных по пожарам на территории Республики Бурятия

Рис. 4. Пример получения информации по пожарам, детектированным по спутниковым данным Мо^

Рис. 5. Пример реализации запросов к базе данных высокого пространственного разрешения SPOT

, КАРТОЧКА УЧАСТКА ПОВРЕЖДЕНИЯ II

Номер: |1035

I Денные SPOT/HRVIR

П лошадь всего:

П лошадь., лесная Площадь. лесФона "

938 945575

933,945575

3

2 Донные TERRA_MODIS

П лошадьг всего:

Площадь, лесФона

928.2218621 Га

878.1061П| Га 1

Дата снимка [25.052008

3. Дополнительная информация

Субъект: Красноярск»« край Лесхоз: |Мотыгтское Кварталы: I

Причта [l • По л. ар

Степень К - свежий сухостой гюкое жа 1

"3

Ближайший Н/П: | Расстояние, км: [

Прео<5лай порога

Осмотр: [(Од

И

"3

Сохранить

Рис. 6. Подготовка данных для проведения натурных замеров площадей крупных лесных пожаров наземным и авиационным способами

на скачивание. Для изображений высокого пространственного разрешения предусмотрена опция просмотра контуров сцен без визуализации изображений для предварительного поиска необходимого набора данных по интересующей территории (рис. 4).

Геоинформационная система имеет также возможность отображать тематическую информацию по пожарам, грозовым разрядам и данные метеонаблюдений в интегрированном виде (например, карточка пожара: дата обнаружения, площадь, географические координаты, субъект, лесничество и др.) и формировать стандартные отчетные аналитические формы ИСДМ-Рослесхоз в формате Microsoft Excel (рис. 5).

В ГИС также функционирует модуль с набором инструментов, предназначенных для информационной поддержки по проведению натурных замеров площадей крупных лесных пожаров наземным и авиационным способами [9]. На подготовительном этапе с помощью запросов эксперт получает в ГИС контур гари, сформированный с помощью алгоритмов обработки изображений среднего разрешения Modis, и космический снимок высокого разрешения. С помощью инструмента уточнения контура гари по снимку высокого разрешения формируется детальный контур, оценивается площадь, периметр и другие необходимые характеристики (рис. 6). При наличии в ГИС картографической информации о распределении лесного фонда и лесного массива в зоне гари до пожара вычисляются соответственно их площади. Результат может быть сохранен в форматах ArcGIS (шейп-файл) или экспортирован в формат GPS-приемников (NMEA-стандарт). Модуль также позволяет работать в ArcGIS в реальном режиме времени с GPS-приемником типа GARMIN (модель Garmin Extrex Vista C) с возможностью отображения и сохранения контуров (треков) и полигонов в формате шейп-файла. Окончательно подготовленный материал используется для проведения натурных обследований и авиаоблетов гарей в целях оценки площадей повреждения огнем лесной растительности.

3. Основные направления развития ГИС ИСДМ

В рамках действующей системы дистанционного мониторинга лесных пожаров ИСДМ-Рослесхоз основные направления развития геоинформационных технологий будут связаны с созданием сервер-

ных ГИС-приложений, обеспечивающих пользователей в реальном режиме времени информационными продуктами и инструментами для оценки и моделирования:

• текущей и прогнозной пожарной опасности в лесах по условиям погоды на основе российских и зарубежных методик;

• текущей пожарной обстановки в лесах и действующих очагов пожаров;

• вероятности возникновения пожаров от природных и антропогенных источников;

• риска возникновения верховых пожаров и чрезвычайных пожарных ситуаций в лесах;

• запасов лесных горючих материалов (или проводников горения) до и после пожара;

• последствий лесных пожаров, включая пиро-генные эмиссии углерода и других парниковых газов.

Большинство перечисленных направлений находится на стадии исследований и апробации, выполняемых в рамках научно-исследовательских проектов Федерального агентства лесного хозяйства, Российской академии наук, Минобрнауки и федеральных целевых программ Российской Федерации.

Выводы

В рамках Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров ИСДМ-Рос-лесхоз создана и эксплуатируется геоинформационная система, обеспечивающая пользователей оперативной информацией по действующим пожарам, основанной на наземных, авиационных и спутниковых данных, данных грозовой активности и метеонаблюдений.

Реализована технология получения в реальном режиме времени спутниковых продуктов среднего и высокого пространственного разрешения со спутниковых систем TERRA/AQUA-Modis, БРОТ-ЖУ/ ЖУЖ, Ьа^а^ТМ/ЕТМ+ и др.

В ИСДМ-Рослесхоз используются серверные ГИС-технологии автоматической подготовки оперативных картографических продуктов по пожарной обстановке и пожарной опасности в лесах по условиям погоды.

Созданы инструменты для анализа и подготовки информационной поддержки по проведению натурных замеров площадей крупных лесных пожаров наземным и авиационным способом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беляев А. И., Ершов Д. В., Лупян Е. А., Романюк Б. В., Сухинин А. И., Тащилин С. А.

Национальная система сбора, обработки и анализа информации о природных пожарах и ее сопряжение с международными и региональными информационными сетями // Управление

лесными пожарами на экорегионапьном уровне : материалы Международного научно-практического семинара (Хабаровск, Россия, 9-12 сентября 2003 г.). — М. : Изд-во "Апекс", 2004. — С 156-166.

2. Беляев А. И., Коровин Г. Н., Лупян Е. А. Состояние и перспективы развития Российской системы дистанционного мониторинга лесных пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов : сборник научных статей. — Вып. 3. — М.: ООО "Азбука-2000", 2006. — Т. 1.—С. 341—350.

3. Burgan R. Е. 1988 Revisions tothe 1978 National Fire-Danger Rating System. United States Department of Agriculture, Forest Service : Research Paper SE-273. — Southeastern Forest Experiment Station, Asheville, North Carolina, 1988. — 39 p.

4. Turner J. A., Lawson B. D. Weather in the Canadian Forest Fire Danger Rating System : a user guide to national standards and practices. — Canadian Forest Service, Pacific Forestry Centre, Victoria, BC. Information Report BC-X-177, 1978. — 40 р.

5. Барталев С. А., Егоров В. А., Лупян Е. А., Уваров И. А. Оценка площади повреждений наземных экосистем Северной Евразии пожарами в 2001-2003 годах по спутниковым данным инструмента SPOT-Vegetation // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса : сборник научных статей. — М. : GRANP-Poligraph, 2005. — Т. 2. — С. 354-366.

6. Егоров В. А., Барталев С. А., Лупян Е. А., Уваров И. А. Мониторинг повреждений растительного покрова пожарами поданным спутниковых наблюдений // Известия вузов : Геодезия и аэрофотосъемка, 2006. — Вып. 2. — С. 98-109.

7. Коровин Г. Н., Самусенко И. Ф., Поломина 3. С., Гришман 3. М., Вонский С. М., Ждан-ко В. А. Оценка пожарной опасности в лесу и расчет параметров лесных пожаров на ЭВМ : методические указания. — Л. : ЛенНИИЛХ, 1977. — 64 с.

8. Ершов Д. В., Коровин Г. Н., Шуляк П. П., Дворкина Н. Б., Ковганко К. А., Петров П. В., Лупян Е. А., Мазуров А. А., Прошин А. А., Флитман Е. В., Барталев С. А., Тащилин С. А., Абу-шенко Н. А., Беляев А. И., Рыбникова Л. А. Российская система дистанционного мониторинга лесных пожаров //ArcReview. — 2004. — № 4. — С. 21-23.

9. Информационный отчет о результатах работ по бесперебойному функционированию и расширению возможностей блока оперативного учета пожаров ИСДМ-Рослесхоз и верификации данных мониторинга лесных пожаров // Гос. контракт № Р-11К-09/2 от 05.06.2009 г., 2009. — 29 с.

Материал поступил в редакцию 1 октября 2009 г.

Электронные адреса авторов: ershov@ifi.rssi.ru, pavel@ifi.rssi.ru, kkovganko@narod.ru.