Мониторинг лесных пожаров из космоса. Проблемы и пути их решения

МОНИТОРИНГ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ИЗ КОСМОСА. ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

Крючков И.И.

Problems of monitoring offorest fires from space and ways ofperfection of diagnostics of detection offorest fires.

Лесные пожары издавна причиняли большой ущерб. С течением времени и ростом населения они становятся все более нежелательным явлением, а борьба с ними — государственной проблемой не только в России, но и в других многолесных государствах. Недостаточные меры, направленные на тушение огня, способствуют распространению пожаров на огромной площади и делают их чрезвычайно опасными для жизни человека, о чем нельзя забывать.

Оперативное обнаружение и мониторинг очагов пожаров на территории обширных и труднодоступных лесных массивов России - актуальная природоохранная задача. Традиционное использование авиации для патрулирования пожароопасных районов требует значительных финансовых средств, что объясняет возрастающую роль спутниковых систем дистанционного зондирования земной поверхности. Использование искусственных спутников земли (ИСЗ) является оптимальным для решения данной проблемы.

На снимках, сделанных из космоса, можно увидеть все — светлые пятна вырубки лесов в Усть-Илимском районе, ледовую обстановку на Байкале, шлейфы дымов газовых промыслов Уренгоя или просто пожаров.

Нетрудно представить себе, какие возможности для использования в самых разных отраслях открывает такой "взгляд" из космоса. Сегодня новейшие технологии космического наблюдения, или, как принято говорить, мониторинга, все шире используются в мире.

В Иркутской области есть уникальная возможность развивать такие технологии. Уже несколько лет в Институте солнечно-земной физики работает Центр космического мониторинга. Имеются новые научные результаты в области применения данных дистанционного спутникового зондирования для оперативного мониторинга лесных пожаров на территории области. Один из основных результатов — создание многоступенчатого алгоритма обнаружения очагов возгораний, позволяющего надежно регистрировать пожары на площади 0,2-0,3 га, т.е. в начальной стадии развития. Была доказана возможность определения площадей, выгоревших во время действия крупных лесных пожаров, что позволило проводить инвентаризацию послепожарного состояния лесов. Эти методики, разработанные впервые в России, использованы для решения практических задач.

Геоинформационная система (ГИС) обеспечивает сбор, хранение, сопряженную обработку и распространение пространственно-координированных данных о горимости лесов, условиях возникновения и развития лесных пожаров, уровне их воздействия на окружающую среду, получаемых на основе наземных, воздушных и космических средств и методов наблюдения за лесными

пожарами и погодными условиями. Информация, представленная в виде совокупности таблиц, электронных тематических карт и результатов обработки спутниковых изображений, оперативно обновляется на WWW-сервере и доступна пользователям по сети Internet в реальном времени.

Задачи ГИС мониторинга лесных пожаров:

- оценка и прогноз пожарной опасности в лесах;

- мониторинг процесса возникновения и развития лесных пожаров;

- мониторинг процесса обнаружения и тушения лесных пожаров.

Для повышения эффективности контроля воздействия лесных пожаров на

окружающую среду в ЦКМ проводятся работы по созданию Географической Информационной Системы "Лесные пожары Иркутской области". Основным содержанием данной ГИС является оперативная информация о зарегистрированных очагах пожаров. Наряду со стандартными слоями, представляющими элементы топографической основы, в данной ГИС присутствуют специализированные слои информации служб по охране леса (границы авиаотделений, квартальная сеть лесничеств).

На основе ГИС - технологических систем возможен прогноз поведения пожаров и их последствий, что в свою очередь позволяет осуществить планирование мероприятий в рамках определённых территорий и периода лесопо-жарного сезона по предупреждению возгорания лесных участков и устранение последствий пожаров.

Но есть целый ряд практически важных проблем, решить которые можно только при наличии спутниковых данных высокого пространственного разрешения. Комплекс принимает информацию с американской спутниковой системы NOAA, имеющей среднее пространственное разрешение 1 км, но обладающей высокой оперативностью — съемка региона производится 4-6 раз в сутки. Используются данные пятиканального радиометра AVHRR в сочетании с пороговыми алгоритмами обнаружения очагов, которые базируются на применении совокупности фиксированных пороговых значений к измеряемым характеристикам интенсивности восходящего излучения. Основными информативными признаками здесь являются радиационная температура (Т3) в третьем канале и разность температур (Т3-Т4) третьего и четвертого каналов. Другие комбинации измеряемых характеристик обычно используются для контроля облачности и простейшего учета вариаций искажающего влияния атмосферы. Очевидно, что точность работы таких пороговых алгоритмов зависит от вариаций оптико-геометрических условий наблюдений: а) молекулярных, аэрозольных и облачных оптических характеристик; б) изменений оптических параметров трассы наблюдения за счет угла визирования оси прибора; в) геометрических параметров положения Солнца.

Система спутникового мониторинга лесных пожаров работает в автоматическом режиме, что позволяет круглосуточно, в течение пожароопасного периода, вести прием и обработку информации с целью обнаружения лесных пожаров на территории всей Сибири и Дальнего Востока.

Основные проблемы применения данной системы является: повышение точности обнаружения очага пожара; сокращение ложных оповещений; обнаружение различных типов возгорании; а также разработка общей математической модели лесных пожаров, которая позволит усовершенствовать методику прогноза лесной пожарной опасности, так как с помощью этой модели можно учесть такие существенные факторы, как влияние излучения Солнца, тип почвы и тип растительности на сушку слоя лесных горючих материалов. Кроме того, в рамках этой модели можно определить поля плотности излучения над очагом лесного пожара в различные моменты времени, что в принципе позволяет создать новую методику обнаружения и диагностики лесных пожаров по данным аэрокосмического мониторинга.

Основные ограничения на повышение разрешения изображений накладывает бортовая аппаратура регистрации изображений. Сюда включается прежде всего, оптическая разрешающая способность, определяемая отношение рабочей длины волны к размеру регистрирующей апертуры объектива, а также степень усреднения изображений и шаг дискредитации перед их передачей на Землю ИСЗ. Иные ограничения связанные с геометрическими искажениями, например с наклонным визированием, рефракцией в атмосфере и т. д., здесь не рассматриваются.

Повышение разрешения включает две взаимосвязанные задачи: улучшение визуального качества и реконструкцию изображений. Решению первой задачи служит метод фрагментации и зонирования изображений. Решению второй - метод деконволюции с регуляризацией.

Сочетание зональной обработки изображений и их реконструкции позволит подойти к решению задач прогноза развития пожаров и выбора методов подавления. Очевидно, что при этом целесообразно использовать современные геоинформационные технологии и оболочки документирования результатов мониторинга лесных пожаров и принятия своевременных решений по борьбе с лесными пожарами.

Главным результатом математического моделирования лесных пожаров является определение предельных условий распространения лесных пожаров, при которых процесс горения прекращается. Разработанные к настоящему времени математические модели лесных пожаров позволяют правильно описывать механизмы их распространения и классифицировать основные режимы зажигания.

В качестве развития программ и технологии ГИС в будущем предполагается моделировать развитие пожаров в зависимости от настоящей ситуации лесного фонда и видов действующих пожаров, с целью координации работы лесопожарных служб и назначения оптимального перечня мероприятий по тушению и устранению последствий пожаров.

Решение этих вопросов позволит в первом приближении завершить создание математической теории лесных пожаров и использовать ее для создания как способов и средств для борьбы с лесными пожарами, так и прогнозов экологических последствий лесных пожаров.