СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА С КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
FOREST FIRE FROM THE SPACECRAFT MONITORING METHOD

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга опасных природных процессов и может быть использовано для контроля распространения лесного пожара с помощью аппаратуры, размещенной на космическом аппарате (КА).
Лесной пожар - стихийное, неуправляемое распространение огня по лесной территории (пожары считаются лесными независимо от того, покрыта территория лесного хозяйства лесом или не покрыта. - например, хвойные молодняки, лесные болота и т.д.) - наносит ущерб лесному хозяйству и окружающей природной среде.
Пожары классифицируются по типу и интенсивности горения, в том числе: низовые пожары, верховые пожары, подземные пожары. Основным проводником горения в лесном пожаре является непрерывный слой лесных горючих материалов (ЛГМ). Скорость распространения огня обусловлена многими факторами, в том числе солнечной радиацией, влажностью подстилающей поверхности (верхних почвенных горизонтов), состоянием ЛГМ, которые могут изменять свою функцию и категорию в зависимости от конкретных условий, и т.д.
При описании распространения лесного пожара могут использоваться следующие его элементы: часть кромки/контура лесного пожара, распространяющаяся с наибольшей скоростью, - фронт пожара; часть кромки/контура пожара, наиболее медленно распространяющаяся в сторону, противоположную движению фронта, - тыл пожара; части движущейся кромки/контура между фронтом и тылом пожара - фланги пожара.
Обнаружение и контроль лесных пожаров осуществляется путем наземного мониторинга (со специально оборудованных вышек, пешим порядком, с использованием наземного транспорта), авиационного мониторинга и анализа информации из космоса.
Наиболее эффективным способом обнаружения и контроля лесных пожаров является спутниковый мониторинг пожаров (Арцыбашев Е.С.и др. Использование спутниковой информации для определения координат лесных пожаров // Борьба с лесными пожарами. Тр. СПбНИИЛХ. СПб. 1998. С. 15-22).
Известен способ контроля лесного пожара с КА, включающий выполнение съемки с КА пожара на подстилающей земной поверхности и определение по получаемому изображению координат контура пожара (Шахраманьян М.А., Дорошенко С.Г., Епихин А.В., Резников В.М., Щербенко Е.В. Методы тематической обработки космических снимков при мониторинге природных чрезвычайных ситуаций // Технологии гражданской безопасности. 2004. №4. С. 8-39; Карпов А.А., Алешко Р.А., Шошина К.В. Технологии определения природных пожаров с использованием данных спутниковой съемки // Молодой ученый. - 2015. - №13.1. - С. 17-19. - URL https://moluch.ru/archive/93/20829 - прототип).
В частности, для выявления лесных пожаров могут использоваться спутники TERRA и AQUA с аппаратурой MODIS (Giglio L. MODIS Collection 5 Active Fire Product User's Guide. Department of Geographical Sciences University of Maryland, 2013. 61 с.)и спутники NOАА с аппаратурой AVHRR и др.
Полученные спутниковые данные проходят обработку, в состав которой входит исправление искажений, географическая привязка, цифровой анализ, визуальное дешифрирование и интерпретация снимков, и на их основе составляются карты пожаров (например, геосервис «Карта пожаров» http://new.scanex.ru/geo-service/karta-pozharov/ обеспечивает обнаружение и распознавание возможных очагов пожаров и пожароопасных ситуаций на территории России).
В частности, снимки с КА в инфракрасном спектре позволяют получить данные о температуре подстилающей поверхности. При этом для выявления пожаров могут быть использованы два типа алгоритмов: пороговые и контекстуальные. Пороговые алгоритмы основаны на выявлении превышения температуры определенной точки над нормой, которая соответствует температуре земной поверхности. Контекстуальные алгоритмы сравнивают температуру соседних пикселей и выявляют температурные аномалии на фоне более холодных пикселей (Галеев А.А, Ершов Д.В., Барталев С.А., Крашенинникова Ю.С., Лупян Е.А., Мазуров А.А. Построение адаптивного алгоритма детектирования пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса, 2008. С. 58-69).
На точность снимков с КА влияют многие факторы - например, повышенная облачность мешает как обнаружению лесных пожаров, так и определению их размера. Поэтому построенные на картах очаги возгораний могут не совпадать с реальными и, следовательно, определенные по снимкам с КА площадь пожара и скорость его распространения также могут иметь ограниченную достоверность.
В частности, эта достоверность ограничивается за счет отсутствия учета смены видов подстилающей поверхности на пути возможного распространения поджара в задаваемых направлениях, определяемых, например, потенциальной опасностью достижения пожаром критически важных объектов.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности контроля за распространением лесного пожара относительно области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуется, - области с некоторыми критическими значениями описывающих/характеризующих ее параметров (например, относительно объекта, достижение которого пожаром приведет к катастрофическим последствиям).
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в определении линии наиболее быстрого распространения пожара до задаваемой области подстилающей поверхности (области, распространение пожара до которой исследуют).
p
p
p
Технический результат достигается тем, что в способе контроля лесного пожара с космического аппарата, включающем выполнение с космического аппарата съемки пожара на подстилающей поверхности и определение по получаемому изображению координат контура пожара, дополнительно запоминают момент времени, на который определены координаты контура пожара, определяют и запоминают значения параметров поля ветра над подстилающей поверхностью, по получаемому изображению определяют координаты границ областей различных видов подстилающей поверхности и определяют расстояния от точек контура пожара до точек границ областей различных видов подстилающей поверхности и до точек границы области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, при этом каждое расстояние измеряют вдоль линии, проходящей по подстилающей поверхности одного вида, по данным расстояниям и прогнозируемым для каждого вида подстилающей поверхности скоростям распространения пожара определяют интервал времени Δt, отсчитываемый от момента времени t, равного запомненному моменту времени, как наименьший из интервалов времени до касания контуром пожара границ областей различных видов подстилающей поверхности, до касания контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, и до момента времени, в который отклонения прогнозируемых на данный момент времени значений параметров поля ветра от запомненных значений параметров поля ветра превышают задаваемую величину, определяют значения координат контура пожара на момент времени t+Δt и запоминают данный момент времени и прогнозируемые на данный момент времени значения параметров поля ветра над подстилающей поверхностью, при расположении области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, вне прогнозируемой площади распространения огня, ограниченной последним определенным контуром пожара, повторяют действия, начиная с определения вышеупомянутых расстояний, причем данные расстояния отсчитывают от точек последнего определенного контура пожара, момент времени t определяют как последний запомненный момент времени, а отклонения прогнозируемых значений параметров поля ветра определяют от последних запомненных значений параметров поля ветра, при касании последним определенным контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, выполняют повторную съемку пожара через промежуток времени, отсчитываемый от момента выполнения предшествующей съемки, не превышающий сумму определенных интервалов времени At, уменьшенную на время для подготовительных операций перед достижением пожаром указанной области, по полученному изображению определяют текущие координаты контура пожара и запоминают момент времени, на который они определены, по координатам контуров пожара, определенных по полученным последнему и предшествующим изображениям, уточняют значения скоростей распространения пожара и продолжают вышеупомянутое повторение действий, причем определение координат контура пожара выполняют по уточненным значениям скоростей распространения пожара, а при касании последним определенным контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, определяют линию наиболее быстрого распространения пожара до данной области как непрерывную линию, соединяющую данную область и определенный по последнему снимку контур пожара, разделенную определенными после съемок контурами пожара на отрезки длиной , где
i
V - скорость распространения пожара на отрезке, прогнозируемая для вида подстилающей поверхности, на которой расположен отрезок;
i
Δt - интервал времени между моментами, на которые определены контуры пожара, ограничивающие отрезок.
Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг. 1-4, на которых последовательно представлены схемы определения описанных расстояний и контуров пожара.
На рисунках введены следующие обозначения:
1 - площадь распространения огня;
2 - контур пожара, определенный по результатам первой съемки с КА;
3 - область подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют;
4 - границы областей различных видов подстилающей поверхности;
5 - минимальные из локальных экстремумов расстояний от последнего определенного контура пожара, до границ областей различных видов подстилающей поверхности (каждое расстояние измеряют вдоль линии, проходящей по подстилающей поверхности одного вида);
6 - определенный контур пожара, который касается границы областей различных видов подстилающей поверхности;
7 - расстояние от последнего определенного контура пожара до области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют (расстояние измеряют вдоль линии, проходящей по подстилающей поверхности одного вида);
8 - определенный контур пожара, который касается области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют;
9 - контур пожара, определенный по результатам повторной съемки КА;
10 - линия наиболее быстрого распространения пожара до области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют.
Поясним предложенные в способе действия.
В предлагаемом способе выполняют съемку с КА пожара на подстилающей земной поверхности и по полученному в результате съемки изображению определяют координаты контура пожара.
Запоминают момент времени, на который определены координаты контура пожара.
Определяют значения параметров поля ветра над подстилающей поверхностью и запоминают значения параметров поля ветра над подстилающей поверхностью, определенные на момент времени, на который определены координаты контура пожара.
Указанную съемку с КА пожара на подстилающей земной поверхности проводят с использованием камеры высокого разрешения, обеспечивающей получение изображения, позволяющего выявить/идентифицировать на изображении со снимка линии границ подстилающей поверхности разных видов (линии, на которых происходит смена вида подстилающей поверхности).
В качестве видов подстилающей поверхности могут рассматриваться как типы/подтипы лесного покрытия (вышеупомянутые молодняки различных пород и иные типы/подтипы растительности, болота и т.д.), так и различные типы/подтипы рельефных образований, географических объектов, инженерных/инфраструктурных объектов/сооружений и иных фрагментов/областей/объектов подстилающей поверхности, на границе которых может изменяться (ускоряться иди замедляться) скорость распространения огня/пожара.
По получаемому изображению определяют координаты границ областей различных видов подстилающей поверхности.
По получаемому изображению определяют расстояния от точек контура пожара до точек границ областей различных видов подстилающей поверхности и до точек границы области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют. Данные расстояния определяют таким образом, что каждое расстояние измеряют вдоль линии, проходящей по подстилающей поверхности одного вида.
p
По определенным расстояниям и прогнозируемым для каждого вида подстилающей поверхности скоростям распространения пожара определяют интервал времени Δt, отсчитываемый от момента времени t, равного запомненному моменту времени, как наименьший из интервалов времени до касания контуром пожара границ областей различных видов подстилающей поверхности, до касания контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, и до момента времени, в который отклонения прогнозируемых на данный момент времени значений параметров поля ветра от запомненных значений параметров поля ветра превышают задаваемую величину:
,
Gi
p
где Δt - интервал времени от момента времени t до касания контуром пожара i-ой границы областей различных видов подстилающей поверхности;
0
p
Δt - интервал времени от момента времени t до касания контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют;
w
p
Δt - интервал времени от момента времени t до момента времени, в который отклонения прогнозируемых на данный момент времени значений параметров поля ветра от запомненных значений параметров поля ветра превышают задаваемую величину.
p
Определяют значения координат прогнозируемого контура пожара на момент времени t+Δt. Определенный описанным образом прогнозируемый контур пожара или касается границы областей различных видов подстилающей поверхности (в этом случае область подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, расположена вне прогнозируемой площади распространения огня, ограниченной данным контуром пожара), или касается области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют.
p
Запоминают данный момент времени t+Δt и запоминают прогнозируемые на данный момент времени значения параметров поля ветра над подстилающей поверхностью.
p
При расположении области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, вне прогнозируемой площади распространения огня, ограниченной последним определенным контуром пожара, повторяют описанные действия, начиная с определения вышеупомянутых расстояний. При этом при повторении указанных действий упомянутые расстояния отсчитывают от точек последнего определенного контура пожара, момент времени t определяют как последний запомненный момент времени, а отклонения прогнозируемых значений параметров поля ветра определяют от последних запомненных значений параметров поля ветра.
После каждого такого повторения область подстилающей поверхности, ограниченная последним определенным контуром пожара, увеличивается и приближается к области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют. Повторение описанных действий прекращается после достижения (касания) определенным контуром пожара данной области.
c
ПОДГ
При касании последним определенным контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, выполняют повторную съемку пожара на подстилающей поверхности через промежуток времени ΔT, отсчитываемый от момента выполнения предшествующей съемки, не превышающий сумму определенных интервалов времени Δt, уменьшенную на время Δt для подготовительных операций перед достижением пожаром указанной области:
По полученному новому изображению пожара на подстилающей поверхности определяют текущие координаты контура пожара и запоминают момент времени, на который они определены.
с
По координатам контуров пожара, определенных по полученным последнему и предшествующим изображениям, определяют уточненные значения скорости распространения пожара по подстилающей поверхности различных видов. Данные уточненные значения скоростей распространения пожара определяют по фактическому перемещению контура пожара из его положения на подстилающей поверхности, определенного по результатам предшествующей съемки пожара с КА, в положение, определенное по результатам последней (повторной) съемки пожара с КА, произошедшему за промежуток времени ΔТ между съемками. В общем случае, указанное определение уточненных значений скорости распространения пожара выполняется с учетом модельной зависимости скорости распространения пожара от параметров поля ветра.
Математически данная задача решается с помощью известных математических методов (Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир, 1985): задача поиска искомых параметров - значений скорости распространения пожара, при которых достигается минимизация целевого функционала, записанного в виде, например, квадратичной суммы «невязок» уравнений от данных параметров, может решаться, например, методом наименьших квадратов.
Таким образом полученные уточненные значения скоростей распространения пожара являются текущими фактическими скоростями распространения пожара по конкретным видам подстилающей поверхности.
Далее продолжают вышеупомянутое повторение действий. При этом при повторении указанных действий определение координат контура пожара выполняют с использованием уточненных значений скоростей распространения пожара и повторение действий прекращают при касании последним определенным контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют.
После этого, - а именно, при достижении (касании) последним определенным контуром пожара области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, - определяют линию наиболее быстрого распространения пожара до данной области как непрерывную линию, соединяющую данную область и определенный по последнему снимку контур пожара, разделенную определенными после съемок контурами пожара на отрезки длиной
i
где V - скорость распространения пожара на отрезке, прогнозируемая для вида подстилающей поверхности, на которой расположен отрезок;
i
Δ - интервал времени между моментами, на которые определены контуры пожара, ограничивающие отрезок.
При постоянных значениях скоростей распространения пожара на отрезках соотношение (1) имеет вид .
Данная линия наиболее быстрого распространения пожара до указанной области является местоположением «фронтальных» точек распространения пожара до данной области (линией перемещения точек контуров пожара, вдоль которой пожар распространяется до данной области с наибольшей скоростью).
Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.
Предлагаемое техническое решение позволяет определить линию наиболее быстрого распространения пожара до задаваемой области подстилающей поверхности. Тем самым решается задача контроля распространения лесного пожара относительно задаваемой области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют.
В качестве указанной области подстилающей поверхности, распространение пожара до которой исследуют, могут выступать, например, как упомянутые объекты, достижение которых пожаром приведет к катастрофическим последствиям, так и области/линии, охватывающие и равноудаленные на задаваемые расстояния от текущего контура пожара, по достижению/прохождению которых пожаром можно корректно определять текущие фактические и прогнозируемые местоположения фронта, тыла и флангов пожара на рассматриваемых интервалах времени.
При этом обеспечивается учет фактических - а именно, уточненных по результатам повторной съемки с КА пожара - значений скоростей распространения пожара по подстилающей поверхности различных видов.
Также обеспечивается учет произвольного, в общем случае криволинейного перемещения указанных фронтальных точек распространения пожара в направлении к интересующей области на всем интервале возможного распространения пожара до данной области, а также обеспечивается учет изменения скорости перемещения указанных фронтальных точек распространения пожара в направлении к интересующей области в зависимости от смены видов подстилающей поверхности вдоль линии прогнозируемого перемещения данных точек.
Таким образом, обеспечивается гарантированный контроль лесного пожара на всем интервале времени его возможного распространения до задаваемой области, включая определение координат линии наиболее быстрого распространения пожара до интересующей области подстилающей поверхности как функции времени с учетом фактических, определенных по результатам съемки с КА значений скоростей распространения пожара по подстилающей поверхности различных видов.
В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа с использованием спутников ДЗЗ и других КА.
Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств. В том числе, для съемок могут использоваться существующие, применяемые на спутниках ДЗЗ и других КА оптические приборы и системы, для расчета/определения по полученным снимкам используемых/предложенных параметров могут использоваться вычислительные средства КА и соответствующих наземных служб.