Сбор данных по цифровым изображениям при натурном моделировании лесных пожаров

УДК 502:630

Л.К. Трубина, К.П. Куценогий*, Б.В. Селезнев, Д.В. Панов

СГГ А, Новосибирск

*ИХКГ СО РАН, Новосибирск

СБОР ДАННЫХ ПО ЦИФРОВЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ ПРИ НАТУРНОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Приведены результаты использования цифровой стереосъемки во время натурного моделирования низовых пожаров, которые проводились на лесных площадках Красноярского края в процессе экспериментов в рамках международного проекта.

Рассмотрены возможности использования материалов цифровых наземных фотосъемок разных масштабов для информационного обеспечения подобных локальных экспериментов. Предложены методики проведения фотосъемок для формирования интерактивных 3D-фотопанорам растительного покрова и изучения динамики продвижения фронта огня в процессе контролируемого выжигания.

L.K. Trubina, K.P. Koutsenogii*, B.V. Seleznyov, D.V. Panov SSGA, Novosibirsk *ICKC SBRAS, Novosibirsk

DIGITAL IMAGE DATA COLLECTION FOR FULL-SCALE MODELING OF FOREST FIRES

The stereophotography data produced during full-scale modeling of ground fires are presented. The modeling involved photography of forest blocks in Krasnoyarsk region as the experiments in the context of the international project.

The possibilities of using digital ground photography of different scales for the local experiments dataware are considered. The paper offers the methods of photography for producing interactive 3D-photopanoramas of the growth and the research of the fire front advance dynamics in the process of the controlled burning out.

Лесные пожары являются мощным природным и антропогенным фактором, существенно изменяющим функционирование и состояние лесов. Исследованию природы лесных пожаров уделяется достаточно большое внимание. Анализ естественных лесных пожаров, возникающих от неизвестных источников возгорания и стихийно распространяющихся по территории, не позволяет выявлять ряд факторов, определяющих поведение пожара и степень его воздействия на экосистему. Для этого требуется учет локальных особенностей лесных массивов, которые обусловлены рельефом подстилающей поверхности, структурой лесных горючих материалов и др. Получение сведений о пожарных режимах, характерных для конкретной экосистемы, может осуществляться по результатам экспериментальных выжиганий. Натурное моделирование пожарных опытов в рамках международного проекта проводилось на лесных площадках в Красноярском крае.

В общем комплексе работ, осуществляемых при проведении «пожарных» экспериментов, включая пред- и постпожарные учеты и регистрацию распространения огня, применялись методы цифровой наземной

стереофотосъемки. Предложены методики проведения фотосъемок для формирования интерактивных 3D-фотопанорам и отслеживание динамики продвижения фронта огня в процессе контролируемого выжигания.

Применение материалов фотосъемок стало возможным с внедрением технических и программных средств по получению и обработке цифровых изображений. Расширение функций цифровых фотокамер, их оснащение объективами с переменным фокусным расстоянием, наличие разных режимов съемки, позволяют оперативно получать снимки в разных природных условиях в широком диапазоне масштабов.

Натурное моделирование лесных пожаров проводится на лесных участках небольших размеров. В этом случае, реалистичное отображение состояния растительного покрова на момент обследования можно осуществить путем создания виртуально-интерактивных фотопанорам. Отличительная особенность таких фотопанорам заключается в визуализации их на мониторе в 3D-интерактивном режиме. Для достижения эффекта объемности фотосъемка должна проводиться фотокамерой со штатива с последовательным разворотом на 360°: при трех положениях оптической оси - горизонтальном, под углом 45° вверх и 45° вниз. Обработка фотоснимков заключается в их совмещении по идентичным точкам и формировании единого изображения, что выполняется в специализированной программе. Такая фотопанорама обеспечивает лучший обзор и больший объем визуальной информации, чем на обычной «плоской». При их этом легко реализуется увеличение выбранных зон, тем самым достигается максимально полное и детальное представление о состоянии лесной растительности. Виртуально-интерактивные фотопанорамы

значительно повышают качество визуального дешифрирования изменений растительного покрова.

Для определения особенностей распространения огня опробованна синхронная стереофотосъемка. В этом случае, две фотокамеры располагали на штативах на краю участка таким образом, чтобы в зону перекрытия попадал весь участок. Синхронизация работы фотокамер обеспечивалась пультом управления. Для масштабирования модели, формируемой по стереопарам, на участке разбивается сеть реперных точек, отмеченных металлическими стержнями. С этой же целью можно использовать точки, замаркированные на стволах деревьев, если таковые попадают на участок. Фотосъемка производится с заданной частотой фотографирования, которая зависит от скорости ветра и скорости выгорания напочвенного покрова. Выполнять съемку рекомендуется в ручном режиме, что обеспечивает минимальный интервал фотографирования 0,5 секунды.

При регистрации контролируемого выжигания на участке размером 6*10 метров стереофотосъемка осуществлялась камерами Pentax К200 с указанным интервалом. Методика определения координат кромки огня основана на совместной обработке стереопар, полученных в разные моменты времени, в программном продукте PhotoModeler, который позволяет производить построение 3D-модели по любому количеству снимков. Существенным аргументом в пользу этого программного продукта является реализация в нем

разных вариантов внешнего ориентирования модели, как по известным элементам внешнего ориентирования снимков, так и по тестовым объектам, и точкам с известными пространственными координатами, либо можно ограничиться только масштабированием модели. Соответственные точки для построения модели отмечаются на всех снимках, где они отобразились, в монокулярном режиме, с частичной автоматизацией процесса. Совместная обработка стереопар, за счет возникающих дополнительных геометрических связей и условий, позволяет повысить точность построения модели, а соответственно - искомых величин.

Для оценки точности определения пространственных координат точек по стереопарам в лабораторных условиях был создан тест объект (2*5 м), который по размерам повторяет экспериментальную площадку. На тест объект была нанесена сеть опорных точек в виде калиброванных металлических стоек с известной высотой. Выполнена стереофотосъемка и обработка 20 изображений. Для ориентирования моделей использовалось не менее 10 точек с известными координатами, кроме того учитывались дополнительные геометрические условия. Точность оценивалась по контрольным точкам, среднеквадратические отклонения на которых составили: по оси Х - 1,25 см, по У - 4,15 и по оси Ъ -2.64 см.

Как уже отмечалось, была выполнена апробация предложенной методики идентификации фронта огня в процессе контролируемого выжигания по материалам цифровых стереофотосъемок летом 2009 года. Для одного из участков во время эксперимента было получено более 30 стереопар. Изменение поведения огня по результатам обработки семи стереопар (на разные моменты времени) показано на рис. 1.

Рис. 1. Графики процесса горения на экспериментальном участке

Полученные результаты можно считать предварительными. Они показали пригодность наземной цифровой стереофотосъемки для определения некоторых особенностей распространения огня по участку при локальных экспериментах. Благодаря этому намечено продолжение исследований для оптимизации как методики проведения фотосъемки, так и обработки стереопар.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (Проект МНТЦ # 3695).

© Л.К. Трубина, К.П. Куценогий, Б.В. Селезнев, Д.В. Панов 2010