Разработка и исследование системы мониторинга лесных пожаров по материалам космических съемок: На примере Новосибирской области

Возрастающие масштабы взаимодействия природы и человека, явления нерациональной эксплуатации природных ресурсов, техногенной нарушенности и промышленного загрязнения приводят к значительному ухудшению окружающей среды.

В связи с резким сокращением лесной растительности на земном шаре, промышленным загрязнением воздуха, почв и водных бассейнов значение лесов приобретает масштабы одного из важнейших компонентов биосферы, оказывающего стабилизирующее воздействие на природную обстановку. От правильной эксплуатации лесов зависит решение таких важных задач, как повышение продуктивности биосферы, рациональное использование земельных и водных ресурсов, получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, обеспечение благоприятных условий для жизни человека.

Лесные пожары ежегодно наносят огромный ущерб лесному хозяйству. Такое положение создалось из-за отсутствия надежных прогнозов условий возникновения, средств оперативного контроля и разведки пожаров, а также соответствующих систем автоматизированной обработки оперативной информации для выработки стратегии и тактики борьбы с ними. Поэтому пожары часто обнаруживают с большим опозданием, и они выходят из-под контроля. При крупных пожарах нет объективной информации об их состоянии, что существенно затрудняет, а порой делает и невозможным планирование борьбы с ними и оценку их последствий. Вместе с тем на современном этапе технического развития эти вопросы уже можно и экономически целесообразно решать на основе средств дистанционного зондирования и вычислительного техники.

Внедрение лесоохранных технологий, основанных на использовании сдутниковых данных, в современных российских условиях весьма актуально. Общеотраслевая компьютеризация и переход на новые средства связи способствуют их развитию. Одновременно с этим, условия дефицита финансирования создают определенные трудности в ведении ранее существовавших методов слежения за лесопожарной ситуацией.

Сочетание визуальных и инструментальных методов, использование космических средств позволит существенно расширить контролируемую территорию лесного фонда, повысить периодичность наблюдения, оперативность обнаружения пожаров, точность определения размеров пройденной огнем площади и наносимого ущерба лесным экосистемам.

В лесной науке дистанционные методы применяются для изучения структуры природных территориальных комплексов и динамики происходящих в них процессов и явлений.

Проведение комплекса мероприятий по противопожарной охране предполагает периодическое получение информации об исследуемых экосистемах с целью оперативного воздействия (принятия решений), что определяет актуальность создания региональной системы лесоэкологического мониторинга.

Объектом диссертационного исследования являются лесные пожары и система их мониторинга. Исследования проводятся на примере Новосибирской области.

Предметом исследования выступают методы и средства создания системы мониторинга лесного хозяйства, позволяющей повысить эффективность охраны и использования лесов.

Основная цель исследований — разработка региональной системы оперативного мониторинга лесного хозяйства, позволяющей решать задачи слежения и прогнозирования лесопожарной обстановки для целей обеспечения информационной поддержки принятия управленческих решений по организации предупредительных и противопожарных мероприятий, а также ликвидации последствий.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1 .исследовать содержание и сущность мониторинга лесного хозяйства на примере лесных пожаров с использованием данных дистанционного зондирования (ДДЗ);

2.разработать структуру, методы и средства создания и ведения системы оперативного мониторинга лесного хозяйства как элемента системы мониторинга территории;

3.реализовать элементы системы на примере лесных пожаров Новосибирской области для осуществления оперативного анализа наземной и аэрокосмической информации с выдачей аналитических результатов на цифровые терминалы заинтересованных потребителей:

— создание модуля обработки ДДЗ, включающего в себя предобработку данных, оперативный мониторинг текущей пожарной обстановки и прогнозирование зон пожарной опасности;

— создание геоинформационной системы на основе пространственной базы тематических данных исследуемого региона (содержащей данные лесоустройства, топографию, противопожарное оснащение и др.), позволяющей автоматизировать ведение отчетности по регистрации пожаров, проводить пространственный и оверлейный анализ, накапливать и структурировать архивные данные.

В процессе работы применялись методы дистанционных исследований с использованием космических снимков спутников серии NOAA, методы обработки цифровых изображений. При создании ГИС использовались математические методы моделирования, пространственного и статистического анализа. Широко применялись геоинформационные и картографические методы. Структура системы оперативного мониторинга территории разработаны на основе анализа российских и зарубежных мониторинговых систем, собственных разработок автора и коллектива Новосибирского регионального центра геоинформационных технологий СО РАН (НРЦГИТ СО РАН), полученных в результате изучения и обобщения литературных материалов по космическому мониторингу, обработке спутниковых данных, геоинформатике, геоинформационному картографированию, обработке изображений. В качестве программного обеспечения использовались: полнофункциональный программный комплекс ARC/INFO 7.2, настольный ГИС-пакет ArcView 3.0а (ESRI Inc.) с авторскими модулями расширения Fire Wall, компонента обработки ДДЗ NOAA Forest Fires Detect 2.0 (НРЦГИТ СО РАН), пакет программ для работы с ДДЗ ERDAS Imagine 8.3.(ERDAS Inc.), программа обработки данных NOAA Scanviewer (Scanex), векторизатор WinTrack (НРЦГИТ CO РАН), пакет программ для работы с ДДЗ ENVI.

Научная новизна проводимых исследований заключается в следующем:

— определяются задачи и функции региональной системы мониторинга лесного хозяйства и разрабатываются методы его ведения в условиях Новосибирской области;

— разрабатывается на основе существующих теоретических положений методика корректировки географической привязки спутниковых данных, технология выявления сезонных изменений вегетации, построения прогнозных карт по индексам зеленоцветности;

— разрабатывается структура, и определяются принципы ведения и наполнения архивных баз тематических данных о регионе, обеспечивающих полноценное функционирование мониторинговой системы;

— автоматизируются пространственный анализ и ведение отчетности по регистрации пожаров;

— реализуется система мониторинга лесных пожаров Новосибирской области, обеспечивающая сбор оперативной информации, ее обработку, отображение, ведение отчетности в единицах лесоустроительной номенклатуры, интегрированная в существующую систему управления лесными ресурсами;

— предлагаются пути использования информации мониторинга лесных хозяйства при оперативной оценке текущей пожарной обстановки, составлении карт прогноза пожарной опасности, проведении работ по классификации лесов по степени пожароопасности, расчете оптимизации временных, финансовых и технических затрат для организации работ по тушению и ликвидации последствий лесных пожаров, получении оперативных материалов для лесного кадастра, экологического мониторинга, промышленной эксплуатации и др.

Предметом защиты является созданная система оперативного мониторинга лесных пожаров Новосибирской области, действующая с 1997 года в режиме экспериментального тестирования, с 1998 года по 1999 год в режиме опытной эксплуатации, а с наступлением лесопожарного сезона 2000 года — в производственном режиме на базе Западно-Сибирского регионального центра приёма и обработки спутниковых данных для предоставления информации о текущей пожарной обстановке в отдел противопожарной охраны лесов управления лесами Новосибирской области и на базу авиалесоохраны Новосибирской области.

На защиту выносятся структура системы оперативного мониторинга лесных пожаров Новосибирской областиметодика коррекции географической привязки данных Ж) ААтехнология обработки данных ТчЮАА от приема данных до получения отчетных форм журналов текущей пожарной обстановкитехнология составления прогнозных карт, основанных на расчете вегетационных индексов, индексов зеленоцветности, ретроспективном анализе временных рядов спутниковых снимков.

Диссертационная работа выполнялась в рамках инициативных работ НРЦГИТ СО РАН совместно с Западно-Сибирским региональным центром приема и обработки спутниковых данных (ЗапСибРЦПОД) по созданию региональной комплексной системы оперативного контроля и мониторинга лесных пожаров. В рамках проекта были предоставлены в Областную администрацию согласованные предложения по системе, поддержанные Западно-Сибирским управлением гидрометеослужбы. Проводились совместные мероприятия с региональным штабом гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций, управлением лесами Новосибирской области, отделом информационно-технической поддержки Администрации Новосибирской области. Были проведены переговоры с представителями лаборатории информационной поддержки космического мониторинга Института космических исследований РАН и инженерно-технологического центра «Сканекс» о сотрудничестве в рамках проекта.

Проект представлялся на научно-практическом семинаре «Использование данных АУНКК/МОАА для решения задач мониторинга лесных пожаров» (г. Пушкино, 24−26 ноября 1997 г.), на коллегии управления лесами Новосибирской области (ноябрь 1997 г.), на межведомственном совещании «Информационно-космическая система «Лесной Пожар"(25 марта 1998 г.), на научно-практической конференции преподавателей СГГА (апрель, 1998 г.), на региональной научно-практической конференции молодежи «Проблемы региональной экологии» (г. Томск, 10−12 ноября 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Современные проблемы геодезии и оптики (ноябрь, 1998 г.), на научно-практической конференции преподавателей СГГА (апрель, 1999 г.), на VI Международном Симпозиуме «Оптика атмосферы и океана «(Томск, 23−26 июня 1999 г.), на выездном заседании Научно-координационного совета СО РАН по ГИС-технологиям и дистанционному зондированию (г. Кемерово, 11−13 октября 1999 г.), будет представлен на Международной конференции «ИНТЕРКАРТО-6: ГИС для устойчивого развития территорий» (г. Апатиты, 22−24 августа 2000 г.), на научно-практической международной конференции «Геоинформатика — 2000» (г. Томск, 1116 сентября 2000 г.).

3.5.4.7 Выводы.

Результаты анализа «шумов», возникающих только за счет геометрических искажений, показали, что их влияние может быть чрезвычайно сильным, вплоть до появления собственной периодичности и отчетливых трендов изменения.

Можно уверенно утверждать, что недооценка влияния «шумов», возникающих в результате некорректной взаимной привязки снимков может снизить ценность результатов анализа временных серий при решении различных задач мониторинга. Следовательно, без специализированного анализа «шумов» и их исключения из временной серии исследовать временной ряд нельзя.

3.5.5 Оценка эффективности применения системы мониторинга лесных пожаров Новосибирской области по спутниковым данным.

Из принятых в пожароопасный сезон 1999 г. 368 витков были отобраны 155 случайным образом.

Из них 30 витков попали на дни со сплошной облачностью.

Остальные 132 были обработаны и на них выявлено 187 точек возможного возгорания.

Из них 44 совпали квартал в квартал с данными управления лесами Новосибирской области.

На 50 точек нет данных в управлении, но о них можно говорить с достаточной долей достоверности как о пожарах, так как они повторялись в одних и тех же кварталах в разное время съемки и с разных спутников.

Еще была выявлена одна категория точек возможного возгорания — около 5 точек. Это вероятнее всего остаточные явления от ликвидируемых пожаров. Судьбу остальных 88 точек определить не представлялось возможным. По теории вероятности — 50 на 50.

Таким образом, анализ показывает эффективность порядка 70%.

Приведем еще несколько интересных фактов:

22 мая 1999 года по спутниковым данным была выявлена точка возможного возгорания в 192 квартале Лячинского лесничества Михайловского лесхоза. По данным лесного управления этот пожар обнаружили только 23 мая, и он уже достиг площади 30 га.

21 мая 1999 года по спутниковым данным была выявлена точка возможного возгорания в 14 и 15 кварталах Каргатского лесничества Каргатского лесхоза. Лесники его обнаружили только 23 мая площадью уже 70 га.

Заключение

.

В ходе диссертационного исследования были получены следующие результаты:

— разработана структура информационной системы, представляющей собой комплекс аппаратно-программных средств, средств связи, а также последовательность технологических и организационно-технических мероприятий, обеспечивающих оперативный контроль за территорией Новосибирской области на основе обработки спутниковых данных с учетом региональных особенностей;

— разработана сквозная технология оперативной оценки текущей лесопожарной ситуации от приема спутниковых данных до выдачи аналитических результатов в принятой у пользователя системе лесоустроительной номенклатуры, позволяющая производить основной объем обработки данных непосредственно на месте приема;

— разработана структура и порядок ведения баз данных тематической, пространственной и спутниковой информации, необходимых для автоматизированного ведения учета лесных пожаров, полнофункционального геоинформационного анализа с целью обеспечения информационной поддержки принятия управленческих решений;

— создана и наполнена база тематических пространственных и атрибутивных данных Новосибирской области для ведения мониторинга лесных пожаров в виде серий электронных карт и таблиц;

— разработан программный модуль обработки данных спутников серии Ж) АА, позволяющий оперативно производить предобработку, географическую привязку с её коррекцией, детектировать возможные очаги пожаров, выдавать результаты в форматах, позволяющих интегрировать их в ГИС;

— разработана и реализована технология коррекции географической привязки данных спутников NOAA на основе методов восстановления изображения увеличенных фрагментов снимка и геометрических преобразований, позволяющих вести коррекцию на уровне подпиксельной точностипредложены пути автоматизации коррекции;

— предложена технология составления прогнозных карт пожароопасности на основе индексов зеленоцветности, рассчитываемых по текущим и архивным спутниковым данным;

— создано геоинформационное приложение, позволяющее на основе баз тематических данных о регионе и результатов обработки спутниковых снимков автоматически проводить пространственный и оверлейный анализ, вести электронные журналы архива оценки пожарной ситуации, выдавать справочную информацию, генерировать и выдавать электронные и твердые копии форм отчетов и карт.

Таким образом, поставленная цель диссертационной работы достигнута.

Практическая значимость результатов научных исследований заключается в их использовании при создании информационной системы оперативного контроля и мониторинга лесных пожаров на территории Новосибирской области, позволяющей повысить оперативность, эффективность и качество принятия решений при слежении за лесопожарной обстановкой.

Для Новосибирской области разработана система оперативного мониторинга лесных пожаров, обеспечивающая сбор и обработку оперативной наземной и аэрокосмической информации с выдачей.