научная статья по теме КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЖАРОВ В СИБИРИ ПО ДАННЫМ TERRA/MODIS НА ОСНОВЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ИХ РАДИАЦИОННОЙ МОЩНОСТИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЖАРОВ В СИБИРИ ПО ДАННЫМ TERRA/MODIS НА ОСНОВЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ИХ РАДИАЦИОННОЙ МОЩНОСТИ»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЖАРОВ В СИБИРИ ПО ДАННЫМ TERRA/MODIS НА ОСНОВЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ИХ РАДИАЦИОННОЙ МОЩНОСТИ

© 2014 г. Е. И. Пономарев

Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск E-mail: evg@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 25.04.2013 г.

На основе методик обработки съемки в инфракрасном диапазоне (4 мкм) со спутника Terra/MODIS исследованы вариации мощности излучения от пожаров. Использована методика вычисления показателя FRP (Fire Radiative Power), позволяющего оценить интегральную радиационную мощность теплоизлучения от термически активного участка. Обработка была проведена для базы данных пожаров, зафиксированных в Сибири спутниковыми методами в 2012 г. Каждая запись о пожаре в базе данных включает серию детектированных термически активных зон. Для каждой зафиксированной термически активной зоны вычислен показатель FRP. Проведен анализ динамики показателя FRP в течение времени развития пожара. Выявлены пределы вариации FRP для пожаров, развивающихся в различных условиях и в различных типах леса. Проведена классификация пожаров в Сибири на основе величины FRP, результат которой представлен в формате векторного полигонального покрытия для ГИС.

Ключевые слова: лесной пожар, мощность теплоизлучения, FRP, термически активные зоны, геопространственный анализ

Б01: 10.7868/80205961414020080

ВВЕДЕНИЕ

По оценкам, приводимым в литературе, в Сибири ежегодно пожарам растительности подвергается территория 2—17 млн га (Сопагё й а1., 2002; Всца й а1., 2004; Швиденко и др., 2011). В течение последних лет наблюдается тренд увеличения числа и площадей пожаров (Ьоир1ап й а1., 2006; 8икЫшп, 2008; Пономарев и др., 2013). В 2012 г. на территории Сибири было зафиксировано более 23 тыс. пожаров, в том числе более 2200 крупных пожаров, площадь которых превышала 2000 га. Отмечено, что пожары в Сибири в 2012 г. обусловили экстремальный вклад в эмиссию в атмосферу (Рапоу й а1., 2012).

Использование спутниковых методов, активно развивающихся на протяжении последних 20 лет, позволило расширить границы территории мониторинга, повысить оперативность детектирования пожаров, а также получить дополнительные сведения о пожарах, включая их точную координатную привязку, величину площади активного горения, общей площади, времени функционирования пожара и т.д. Одно из актуальных направлений применения данных многоспектральной спутниковой съемки — оценка энергетических параметров пожаров. Такая информация важна при анализе площадей, поврежденных

крупными лесными пожарами, при оценке уровня воздействия огня на растительность, при прогнозе послепожарного состояния или процессов лесовосстановления.

В данной работе вариация мощности теплоизлучения от пожаров анализировалась на основе методики определения показателя FRP (Fire Radiative Power), который вычисляется по данным Terra/MODIS в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (Kaufman et al., 1998).

Цель работы — анализ вариации параметра FRP для базы данных пожаров на территории Сибири в условиях экстремального пожарного сезона 2012 г.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При классификации лесных пожаров по интенсивности горения выделяют слабые, средние и сильные пожары (Иванов и др., 2011), которым соответствуют некоторые диапазоны мощности тепловыделения с единицы площади. Данная характеристика для реального процесса горения в лесу сильно варьирует и зависит от ряда параметров, таких как тип леса, вид и запас горючего материала, длительность периода сушки, текущие метеорологические условия и т.д. Эти факторы

определяют уровень пожарной опасности по условиям погоды и уровень природной пожарной опасности лесных территорий.

По оценкам, приводимым в литературе, мощность потока тепловыделения с единицы площади пожара составляет в зависимости от типа леса от 28 до 200 кВт/м2 — данные для сосняков ли-шайниково-зеленомошных и участков, поврежденных шелкопрядником, соответственно (Ва-лендик, Косов, 2008). Эти значения согласуются с экспериментальными данными по оценке лучистого потока от различных проводников горения. В частности, при горении хвои сосны зафиксирован поток 0.7 кал/(см2 с) (Конев, 1977), что в переводе к метрической системе составляет 30 кВт/м2. Для низовых пожаров высокой интенсивности оценки мощности теплового излучения составляют 750 кВт с единицы площади (Иванов и др., 2011). В широком диапазоне варьирует энергетическая характеристика кромки пожара при горении в сосняках (Jack Pine) Канады — от 290 до 54000 кВт/м (Stocks, Hartley, 1995).

Для анализа интегральной мощности теплоизлучения от пожаров растительности могут использоваться дистанционные данные, в частности, съемка аппаратурой Terra/MODIS, которой фиксируется радиояркостная температура поверхности в диапазоне 4 мкм. Соотношение, характеризующее связь между мощностью излучаемого теплового потока от пожара и радиояркостны-ми температурами цели и фона на изображениях в диапазоне 4 мкм, было впервые предложено в работе Kaufman et al. Показатель, получивший название FRP (Fire Radiative Power) (Kaufman et al., 1998, Justice et al., 2002), вычисляется следующим образом:

FRP = 4.34 x 10

-19

(t8 - r!bg),

(1)

где Т4 — радиояркостная температура термически активного пиксела (цели) в канале 21 радиометра МОЭК (X = 3.989-3.929 мкм); - радиояркостная температура для фоновой поверхности снимка, измеренная в том же спектральном диапазоне.

Для учета площадных характеристик излучающей поверхности соотношение было адаптировано (Wooster et а1., 2003, Мойгаш et а1., 2005) к виду

FRP = 20.25S(R4 - R4bg), R = oT4,

(2)

где Я4 и Я4Ь? — энергетическая светимость, вычисляемая на основе закона Стефана—Больцмана в диапазоне 4 мкм; а = 5.6704 х 10-8 Вт/(м2 К4) — постоянная; S — площадь термически активной зоны.

Единицей измерения показателя FRP в соотношении (1) является [Вт/м2], однако употребляется также значение этой величины, приведенное к пикселу изображения (с учетом пространственной разрешающей способности), для которого определяется данная интегральная характеристика. В этом случае размерность показателя — [МВт/пиксел], или [МВт], что является эквивалентным представлением одной и той же характеристики (Kaufman, Justice et al., 1998). В данной работе использовалась единица измерения, вытекающая из соотношения (2).

Банк данных о радиояркостной температуре термически активных зон был сформирован в результате оперативного мониторинга лесных пожаров аппаратурой Terra/MODIS в 2012 г. В работе использована первичная база данных, содержащая ежедневные многократные наблюдения термически активных зон. Первичная база данных в дальнейшем используется для объединения зафиксированных пикселов в контур пожара на основе анализа пространственно-временного порогового фильтра. Однако в нашем случае интерес представляют именно серии съемок одного и того же пожара в различные моменты времени (рис. 1). Исходная информация была преобразована в формат векторного полигонального покрытия для обработки в ГИС-среде.

Для каждого зафиксированного полигона был вычислен показатель FRP. Ежедневный круглосуточный мониторинг пожаров позволил зафиксировать в базе данных до 5—10 наблюдений в день. На основе этой информации были построены ряды, отражающие суточную, а также долгоперио-дическую динамику изменения показателя FRP в течение времени развития пожара (рис. 2). В работе использовано более 2.6 х 105 записей о пожарах на территории Сибири за 2012 г.

Как уже отмечалось, мощность протока теплового излучения от пожара зависит от типа леса. Для оценки вариации показателя FRP был проведен сопряженный геоинформационный анализ с использованием карт растительности и лесных районов для территории Сибири в векторном формате (Исаченко, 1988; Bartalev et al., 2003).

В работе ГИС-методами были выделены данные, относящиеся преимущественно к пожарам в сосняках (более 19 000 записей термически активных пикселов), в лиственничниках (30000 записей), в кедровых насаждениях (более 5400 записей), в лиственных лесах (более 8000 записей), а также на нелесных территориях (более 7000 записей). Для каждой из рассматриваемых выборок была проведена процедура анализа гистограммы распределения, и из рассмотрения исключены единичные случаи некорректных и экстремальных значений показателя FRP, составляющие не более 2% от общего числа.

Рис. 1. Пример многократного детектирования термически активных зон средствами Тегта/МОВК с пространственным разрешением 1000 м в течение времени развития пожара. Заштрихованные полигоны в подложке — результат классификации пожара на снимке Ьаш18а1.

Получены оценки вариации БЯР при пожарах в лесах с преобладанием сосновых, лиственничных, кедровых и лиственных насаждений. Отдельную категорию составили данные о мощности теплового излучения от пожаров на нелесных территориях (луга и земли с.-х. назначения).

На основе ГИС-подхода проанализированы отличия энергетической характеристики пожаров, зафиксированных в различных лесных районах Сибири. В данном случае мощность теплоизлучения от пожара определяться не только преобладающими породами, но и зональными отличиями, связанными с местными климатическими условиями и состоянием горючих материалов на момент развития пожаров.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Многоспектральные изображения Тегга/МОЭ18 территории Сибири обновлялись до трех раз в сутки, а с учетом перекрытия соседних витков съемки в отдельных случаях были доступны данные на шесть сроков наблюдений в течение суток. Рассчитанная информация об интегральной мощности теплоизлучения от пожаров отражает днев-

ные и ночные вариации показателя БЯР, пример динамики которой представлен на рис. 2.

Согласно гистограмме, распределения более 35% термически активных зон имели значения БЯР до 1000 МВт, более 45% - до 5000 МВт, доля случаев с высокими значениями теплоизлучения составила не более 15%, а количество спорадических максимумов не превышало 3%.

Средние с учетом суточной и долгопериоди-ческой динамики значения мощности теплоизлучения от пожаров фиксировались на уровне 1200-1900 МВт (рис. 3). Наименьшие значения соответствовали горению не ле

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»