Способ расчета прямых пожарных эмиссий углерода с учетом пороговой классификации интенсивности пожара растительности по спутниковым съемкам в ИК диапазоне
METHOD FOR CALCULATING DIRECT FIRE CARBON EMISSIONS, TAKING INTO ACCOUNT THE THRESHOLD CLASSIFICATION OF THE INTENSITY OF VEGETATION FIRE FROM SATELLITE IMAGERY IN THE IR RANGE

Изобретение относится к экологии и дистанционному зондированию, а именно к способу вычисления прямых пожарных эмиссий углеродосодержащих соединений с учетом автоматической пороговой классификации активной зоны пожара растительности по категориям интенсивности, определяемым спутниковым оборудованием по мощности теплоизлучения (Fire Radiative Power, FRP) от активной зоны горения.
С
M
A
β
B
CE,
2
2
Наиболее известным способом определения прямых пожарных эмиссий углеродосодержащих соединений (, г), взятым за прототип, является использование эмпирического соотношения Сейлера-Крутцена (Seiler, Crutzen, 1980), в котором в качестве параметров входят масса растительных горючих материалов, сгоревших при пожаре (, кг), площадь, пройденная огнем (, м), коэффициент полноты сгорания (), запас растительных горючих материалов (, кг/м), коэффициент, определяющий долю углерода в сгорающей биомассе ( г/кг) [Seiler W. and Crutzen P.J. Estimates of gross and net fluxes of carbon between the biosphere and atmosphere from biomass burning // Climat Change. 1980. № 2. P. 207–247].
Недостатком существующего метода является то, что определение требуемых характеристик основано на экспертных оценках для всех включенных в соотношение параметров, включая площади пожаров, а интенсивность горения, которая определяет варьирование всех остальных параметров в широком диапазоне, в этом методе считается постоянной.
Оценить интенсивность горения наземными способами не представляется возможным; наземный или авиационный способ выявления категорий интенсивности пожара невозможен по причине большого объема точек обследования (равное количеству пожаров за сезон ~100000 шт.), трудоемкости и затратности.
A
B
С
k
A
B
C
D
k
2
2
В другом известном модифицированном методе, основанном также на соотношении Сейлера-Крутцена (Seiler, Crutzen, 1980), используется тот же набор параметров: площадь пожара (, м), удельное количество биомассы на выгоревшей территории (, кг/м), полнота сгорания биомассы (, %), коэффициент эмиссии – масса вещества, выбрасываемого в атмосферу при сгорании 1 кг биомассы (г/кг), а также введен корректирующий коэффициент () для уточнения площадей, пройденных огнем. Значения площадей пожаров  рассчитываются по космическим данным, а коэффициенты ,  и  являются табличными, соответствующими конкретным типам растительности данной территории. Коэффициент  позволяет уточнять площади пожаров по спутниковым данным низкого пространственного разрешения [Бондур В.Г. Космический мониторинг эмиссий малых газовых компонент и аэрозолей при природных пожарах в России // Исследование Земли из космоса. 2015. № 6. С. 21–35].
Недостатком этого модифицированного метода также является не учет категорий интенсивности горения, а, следовательно, неопределенность значений таких параметров, как удельное количество сгорающей биомассы и коэффициент полноты сгорания для каждого пожара и отдельных его фаз.
Все существующие подходы, основанные только на методе Сейлера-Крутцена (Seiler, Crutzen, 1980), позволяют реализовать только качественную оценку и получить усредненные экстраполированные данные о прямых пожарных эмиссиях углерода, без возможности инструментально определять и учитывать различия объемов эмиссий при изменении параметров горения как разных пожаров, так и внутри одного полигона пожара.
E
F
α
β
β
ρ
ρ
l
p
f
f
E
2
–1
–1
1
2
l
p
h
1
2
Существует метод оценки и прогнозирования скорости эмиссии () газовых веществ от природных пожаров, который использует данные спутникового мониторинга мощности теплоизлучения (Fire Radiative Power, FRP), в котором используется набор параметров, фиксируемых инструментально: среднесуточный поток инфракрасного излучения, оцениваемый из спутниковых измерений FRP (, Вт/м), эмпирический коэффициент пропорциональности между потоком излучения и скоростью сгорания биомассы (, г с   Вт), факторы эмиссий для данного типа растительного покрова () и торфяных (подземных) пожаров (),  и  фракции типа () земного покрова и площади торфяников в рассматриваемой модельной ячейке,  предполагаемый суточный ход эмиссий от пожаров, корректирующие факторы ( и ), оптимизируемые в процессе модельных расчетов. Подход позволяет рассчитать эмиссию с рассматриваемой ячейки территориис усреднением за сутки [Юрова А.Ю., Парамонов А.В., Коновалов И.Б., Кузнецова И.Н., Beekmann M. Прогноз интенсивности теплового излучения и эмиссий аэрозолей от лесных пожаров в Центрально-Европейском регионе // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 3. С. 203–207].
Недостатком данного метода является то, что метод позволяет оценить скорость эмиссии газовых веществ и аэрозолей от природных пожаров, но только в пределах рассматриваемой ячейки, что не решает задачу определения суммарных эмиссий от всех лесных пожаров за пожароопасный сезон, с учетом широкой вариативности параметров пожара.
Техническим результатом изобретения является количественная оценка прямых пожарных эмиссий углеродосодержащих соединений, учитывающая вариацию всех входных параметров в условиях переменной интенсивности горения растительности на основе предварительного выделения категорий интенсивности горения с использованием спутниковых данных о мощности теплоизлучения активных участков пожаров.
(Fire Radiative Power – FRP)
Технический результат достигается тем, что способ расчета прямых пожарных эмиссий углерода с учетом пороговой классификации интенсивности пожара растительности по спутниковым съемкам в ИК диапазоне характеризуется тем, что предварительно проводят классификацию всей площади пожара по мощности тепловыделения  и определяют категории интенсивности (низкоинтенсивное, среднеинтенсивное и высокоинтенсивное горение) отдельных участков пожара, после чего вычисляют суммарное значение прямых пожарных эмиссий по модернизированному соотношению Сейлера-Крутцена:
C =
A
(FRP
)× β
(FRP
) × B
(FRP
)
× CE
i
i
i
i
i
i
),
С
A
A
(FRP
)
β
β
(FRP
)
B
(FRP
)
CE
2
2
i
i
i
i
i
i
где  – прямые эмиссии углерода (г);  – площадь, пройденная огнем (м), представленная в виде суммы площадей всех зафиксированных спутниковыми съемками фаз пожара с учетом категории интенсивности горения – ;  – коэффициент полноты сгорания, учитывающий категорию интенсивности ,  – сгорающий запас растительных горючих материалов, учитывающий категорию интенсивности (кг/м),  – коэффициент, определяющий долю углерода в сгорающей биомассе (г/кг).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что количественные оценки прямых пожарных эмиссий в условиях переменной интенсивности горения, выполняют, предварительно проводя классификацию всей площади пожара по мощности тепловыделения и определяя категории интенсивности (низкоинтенсивное, среднеинтенсивное и высокоинтенсивное горение), после чего вычисляют объем эмиссий углеродосодержащих веществ для каждой доли площади пожара данной категорией интенсивности, для которой остальные параметры в соотношении для вычисления эмиссий также изменяются в соответствии с диапазоном, характерным для данной категории интенсивности горения.
Признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения заключается в количественной оценке прямых пожарных эмиссий углеродосодержащих соединений, которая выполняется с учетом вариации всех входных параметров в условиях переменной интенсивности горения растительности на основе предварительного выделения категорий интенсивности горения с использованием спутниковых данных о мощности теплоизлучения активных участков пожаров.
Пример осуществления способа
λ
λ
Отбираются данные спутникового мониторинга, выполняемого в ИК диапазоне спектра (рабочий диапазон  = 3.93–3.99 мкм) с пространственным разрешением не ниже 1000×1000 м и периодичностью не ниже 6 часов. Для каждого фиксируемого на спутниковых изображениях очага активного горения рассчитывается мощность теплоизлучения (Fire Radiative Power, FRP) по данным радиометра, имеющего канал в рабочем диапазоне  = 3.93–3.99 мкм (например, MODIS, VIIRS и др.).
ср
ср
ср
ср
ср
σ
Пороговым методом выполняется классификация пожарных пикселей на спутниковом изображении с выделением категорий интенсивности горения.  Пороговые значения, разделяющие категории, определяют из статистических параметров распределения мощности теплоизлучения (Fire Radiative Power, FRP), рассчитанных по всем пожарным пикселям. Для этого из всего диапазона значений FRP исключают по 5% минимальных и максимальных значений, а по оставшейся выборке рассчитывают среднее значение (FRP) и стандартное отклонение (). Категории интенсивности пожара задают с учетом стандартного отклонения от среднего: I категория низкоинтенсивного горения соответствует участкам пожаров со значениями FRP<(FRP–σ), II категория среднеинтенсивного горения соответствует участкам пожаров со значениями (FRP–σ) <FRP<(FRP+σ), III категория высокоинтенсивного горения соответствует участкам пожаров со значениями FRP >(FRP+σ).
Суммарное значение прямых пожарных эмиссий вычисляют по модернизированному соотношению Сейлера-Крутцена (Seiler, Crutzen, 1980):
C =
A
(FRP
)× β
(FRP
) × B
(FRP
)
× CE
i
i
i
i
i
i
)
С
A
β
β
(FRP
)
B
CE
i
2
2
i
i
i
i
где  – прямые эмиссии углерода (г);  – площадь, пройденная огнем (м), представленная в виде суммы площадей всех зафиксированных спутниковыми съемками фаз пожара с учетом категории интенсивности горения – A(FRP);  – коэффициент полноты сгорания, учитывающий категорию интенсивности ,  – сгорающий запас растительных горючих материалов, учитывающий категорию интенсивности (кг/м),  – коэффициент, определяющий долю углерода в сгорающей биомассе (г/кг). Суммирование выполняется по всем участкам () различных интенсивностей каждого пожара растительности.
β
β
(FRP
)
B
(FRP
),
i
i
i
i
Значения коэффициента полноты сгорания  в зависимости от категории интенсивности задают, исходя из допустимого диапазона значений  известных из экспериментальных данных для данных условий и категории интенсивности пожара. Запасы растительных горючих материалов  сгорающие при пожарах различной интенсивности, задают из экспериментальных данных соответственно для низко-, средне- и высокоинтенсивного горения.
Использование предлагаемого способа вычисления прямых пожарных эмиссий углеродосодержащих соединений с учетом автоматической пороговой классификации активной зоны пожара растительности по категориям интенсивности, определяемым спутниковым оборудованием по мощности теплоизлучения (Fire Radiative Power, FRP) от активной зоны горения обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
– высокую оперативность получения данных;
– оперативный мониторинг прямых пожарных эмиссий на большой территории;
– снижение доли неопределенности и эмпиричности при количественных оценках прямых пожарных эмиссий;
– способ позволяет учитывать широкую вариативность входных параметров в условиях горения переменной интенсивности;
– способ реализует возможность автоматического вычисления пожарных эмиссий при проведении оперативного спутникового мониторинга пожаров.