ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТЕГОРИЙ ПОЖАРОВ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В СИБИРИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ И ДРУГИХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2013 г. Е. И. Пономарев*, Е. Г. Швецов
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск *Е-таП: evg@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 21.02.2013 г.
Представлены результаты обработки базы данных о пожарах растительности за период 1996—2012 гг., созданной на основе спутникового детектирования в тепловом диапазоне термически активных зон. Обсуждаются результаты анализа характеристик пожаров на территории Сибири. Выделена категория "короткоживущих" объектов — однократные наблюдения термически активных зон, а также категория крупноразмерных пожаров. Исследован вклад выделенных категорий пожаров в итоговые статистики горимости. Получены картосхемы пространственного распределения пожаров растительности в Сибири и оценки уровня их воздействия на лесные территории.
Ключевые слова: спутниковая съемка, база данных, термически активная зона, пожар растительности, геопространственный анализ
DOI: 10.7868/S0205961413050035
ВВЕДЕНИЕ
Детектирование термически активных зон — одно из важнейших применений данных съемки со спутников, выполняемой в инфракрасном (к = = 3—12 мкм) тепловом диапазоне для целей мониторинга за пожарами растительности. Данное направление активно развивается с середины 90-ых годов прошлого века как за рубежом, так и в России. В частности, исследования в этом направлении проводятся в Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН для территории Сибири и всей азиатской части России. Регулярные наблюдения за пожарами с использованием спутникового оборудования были начаты в 1995 г. с установкой в Красноярске станции приема информации в канале HRPT (High Resolution Picture Transmissions) со спутников серии NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) и, позже, с установкой станции приема информации со спутников Terra, Aqua (Sukhinin et al.; 1999, Lou-pean et al., 2006). На сегодняшний день существует возможность оперировать банком данных термически активных зон, зафиксированных со спутников в течение периода 1996—2012 гг.
Термически активные зоны после предварительной обработки интерпретируются как пожары растительности. В частности, проводится анализ и исключаются "ложные тревоги", сигналы от техногенных или антропогенных источников, солнечные блики на поверхностях с высоким ко-
эффициентом отражения и т.д. Спутниковые данные, таким образом, являются важной составляющей системы мониторинга пожаров, наряду с результатами авиационного и наземного обнаружения пожаров. При этом спутниковые методы позволяют получить большую детализацию при наблюдении за наиболее крупными пожарами, так как обеспечивают необходимую периодичность съемки и охват зоны развития и распространения пожара.
Многолетние базы данных спутникового мониторинга пожаров неоднократно сравнивалась с ле-сопожарной статистикой, получаемой как дистанционными, так и наземными и авиационными средствами. Во многих работах отмечается высокая корреляция между результатами альтернативных методик наблюдений за многолетней динамикой пожаров, но количественные характеристики площадей, пройденных огнем, могут существенно отличаться и требуют дополнительных калибровок (Petkov et а1., 2012; Барталев и др., 2012). Таким образом, актуальными являются вопросы анализа достоверности итоговых баз данных о пожарах, фиксируемых спутниковыми средствами, а также необходимой калибровки количественных показателей горимости и оценки уровня воздействия пожаров на лесные территории Сибири.
Основная цель данной работы — провести классификацию пожаров растительности на тер-
ритории Сибири и исследовать характеристики выделяемых категорий пожаров.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ
В последние десятилетия проблема лесных пожаров является актуальной и остро стоит во многих странах мира, включая и Россию. Высокие показатели числа пожаров и площадей, пройденных огнем, регистрируются ежегодно в различных районах на территории Сибири. В 2010 г., наряду с экстремальной горимостью европейской части России (Бондур, 2011), зафиксировано более 18 тыс. пожаров в лесной и лесостепной зонах юга Сибири. В 2011 г. число пожаров превышало 24 тыс. Экстремальная ситуация сложилась в 2012 г., в течение пожароопасного сезона (март—сентябрь) на территории Сибири произошло более 23 тыс. пожаров. При этом было зафиксировано более 2200 крупных и экстремально крупных пожаров, площадь которых превышает 2000 га. Отмечено, что пожары в Сибири в 2012 г. обусловили экстремальный вклад в эмиссию атмосферы (Panov et al., 2012), что определялось показателями горимости, существенно превышающими значения предыдущего периода спутниковых наблюдений 1999—2010 гг. (Sukhinin, 2008; Швиденко и др., 2011). Наиболее крупные пожары в последние годы повторялись на территории Якутии, в Прибайкалье, на севере Красноярского края, в Томской обл. и республике Тыва.
По нашим оценкам, отражающим ситуацию последнего десятилетия, на территории Сибири до 90% общих площадей, пройденных огнем, приходятся на экстремально крупные пожары. Из общего числа пожаров до 45% распространяются на площадях менее 100—200 га, около 50% пожаров, детектируемых спутниковыми методами, имеют площади до 1000 га, а 5% составляют пожары, относимые к крупноразмерным, площади которых превышают 2000 га.
По оценкам, на территории Сибири в начале двухтысячных годов ежегодно пожарам растительности различной интенсивности подвергалась территория 2—17 млн га (Conard et al. 2002; Soja et al., 2004; Швиденко и др., 2011). Наши данные для последних лет согласуются с этими оценками, причем суммарные площади пожаров остаются на уровне многолетних максимумов. В течение последних 17 лет наблюдается тренд увеличения числа регистрируемых пожаров растительности и повреждаемых огнем площадей. Такая динамика определяться как повышением уровня антропогенного влияния и изменением режима ведения лесного и сельского хозяйства (Ivanov, Ponomarev, 2012), так и возможными климатическими изменениями. В частности, отмеча-
ется, что при сравнении долговременных метеорологических параметров и количества пожаров на территории Сибири наблюдается высокая корреляция с ходом температурной кривой (Швиденко идр., 2011; Ропошагеу й а1., 2012).
МЕТОДЫ
В настоящей работе объектами исследования были пожары растительности, детектируемые со спутников как термически активные зоны. Используемый банк данных содержит информацию за пожароопасные периоды 1996—2012 гг. Материалы были получены при непосредственной ежедневной обработке данных спутниковых съемок с МОЛЛ/АУИЯЯ (с 1996 г.) и Terra/MODIS (с 2007 г.), выполняемых в Центре коллективного пользования Красноярского научного центра СО РАН Институтом леса СО РАН.
Рассматриваемый район исследований охватывает большую часть азиатской России и ограничен на западе Уральскими горами, а на востоке в зону мониторинга не входят только Чукотка и Камчатка. В широтном направлении — вся территория от южной границы до побережья Северного ледовитого океана.
Используемая в работе база данных содержит порядка 2 х 104 записей за год, за весь период наблюдений анализируются 3.4 х 105 записей. К атрибутивным параметрам, на основе которых был проведен анализ, отнесены данные о площади термически активной зоны, площади полигона пожара, вычисленной средствами географических информационных систем (ГИС), координаты центров полигонов, кратность регистрации, а также совокупная длительность детектирования объекта (от момента обнаружения до момента последней регистрации термически активной зоны). Таким образом, используемый массив выборки удовлетворяет условиям проведения статистического анализа, а длительность рассмотренного ряда (17-летний период) позволяет характеризовать общие закономерности пожарных режимов и их повторяемости на территории Сибири.
Алгоритм обнаружения термически активных зон основан на определении соотношения между значениями радиационной температуры участка поверхности (пиксела), измеренной спутниковым радиометром, и заданного порогового значения. Величина порога рассчитывается на основании средней температуры фона и ее среднеквадратичного отклонения в окрестности потенциального очага пожара с учетом эмпирически определенных числовых коэффициентов. Подобный подход к обнаружению термически активных зон широко применяется во многих альтернативных алгоритмах обнаружения пожаров, например в алгоритме
1200
о 1000 р
800
600
400
200
ilLutl
lililí Ml. ■
12 14 15 16 18 19 20 Категории площадей
22
250
200
150
100
50
illlJIllmu,
14 15 16 17 18 19 21 Категории площадей
22
Рис. 1. Пример гистограммы распределения событий лесных пожаров по площадям в 2012 г.: а — с учетом всех термически активных зон (23707 записей); б — при исключении "короткоживущих" объектов, зафиксированных спутниковыми средствами однократно в весенний период (7894 записей).
а
б
0
0
FIRMS/NASA (Fire Information for Resource Management System) (Kaufman, Justice, 1998; Giglio et al., 2003).
Основной инструмент проведения исследований — геопространственный, временной и ги-стограммный анализы распределения термически активных зон и сопряженный анализ этой информации с материалами многоспектральной спутниковой съемки. Дополнительная калибровка и валидация данных проводится с использованием съемки среднего пространственного разрешения Landsat и SPOT.
Данные спутникового мониторинга после проведения процедуры обработки сравнивались с материалами альтернативных ресурсов (таких, как данные Рослесхоза, NASA) посредством корреляционного анализа.
На основе анализа вариограмм с использованием подхода геопространственной интерполяции (метод кригинга) (Матерон, 1968) получены данные о пространственном распределении уровня воздействия крупных и экстремально крупных пожаров на лесные территории. Результат получен в формате векторных полигональных ГИС-по-крытий, калиброванных по уровню воздействия на рассматриваемую территорию.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
"Короткоживущие" объекты в базе данных пожаров
Статистический анализ экспериментальны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.