ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 1, с. 84-91
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИЗК
СПУТНИКОВОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ И ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
© 2015 г. Е. И. Пономарев*, Е. Г. Швецов
Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, Красноярск, Россия *Е-таИ: evg@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 26.03.2014 г.
Приведены данные о площадях пожаров в азиатской части РФ за период 2007—2013 гг. до и после применения процедуры нормировки данных спутникового мониторинга. Снижена степень неопределенности (на 29—42%) при оценке площадей, пройденных огнем, реализована геометрическая коррекция контуров полигонов пожаров в векторной геоинформационной базе данных. Дано описание предлагаемых методик калибровки.
Ключевые слова: дистанционный мониторинг, площадь пожара, относительная ошибка, уравнение регрессии, геометрическая коррекция
DOI: 10.7868/50205961415010054
ВВЕДЕНИЕ
В использующемся на практике зонировании территории лесного фонда РФ более 51% лесов отведено под спутниковые методы регистрации и слежения за лесными пожарами (Барталев и др., 2008; Андреев, Брюханов, 2011). Дистанционные данные составляют важную часть системы мониторинга пожаров растительности в России, активно развиваются и применяются на практике на протяжении последних двадцати лет. Практическая значимость результатов дистанционного мониторинга пожаров общепризнана, как в России, так и за рубежом.
Спутниковые данные включены и в систему учета лесных пожаров ИСДМ-Рослесхоз, которая была внедрена в 2005 г. (Барталев и др., 2008; 2012) и в функционирующую с начала 2000-х годов систему "Каскад" МЧС РФ (Кудрин, Резников, 2006).
Начиная с 1996 г., в исследовательских целях начал формироваться банк данных о лесных пожарах, фиксируемых спутниковыми методами в красноярском Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (Сухинин, 1996; Барталев и др., 2008). Материалы были получены посредством обработки данных спутниковых съемок NOAA/AVHRR (с 1996 г.) и Terra/Modis (с 2007 г.), выполняемой в Центре коллективного пользования Красноярского научного центра СО РАН. Сегодня этот банк данных содержит информацию о пожарах растительности на азиатской части России за период 1996—2014 гг. (Пономарев, Швецов, 2013).
Развитие системы противопожарного мониторинга лесов подразумевает увеличение доли ди-
станционных средств и привлечение инновационных информационных технологий при учете и обработке данных о лесных пожарах. При этом отмечается (Kukavskaya et al., 2013; Швиденко, Щепащенко, 2013; Замолодчиков и др., 2013; Chu, Guo, 2014), что востребованность такой информации при решении глобальных задач, связанных с оценками степени нарушенности территорий, моделированием углеродного баланса в современных условиях или с мониторингом пожарных эмиссий, требует повышения точности пространственных и площадных характеристик пожаров.
На сегодняшний день спутниковая съемка в оптическом диапазоне, использующаяся при обнаружении и мониторинге пожаров в оперативном режиме, имеет технические ограничения точности оценки геометрических и площадных характеристик регистрируемых объектов, что определяется низкой пространственной разрешающей способностью аппаратуры. Оценка точности дистанционных данных при сравнении с "истинными" значениями площадей пожаров — важная задача, которая решается и в России (Егоров и др., 2008; Барталев и др., 2012), и за рубежом (Roy et al., 2008; Urbanski et al., 2009, Urbanski et al., 2011; Petkov et al., 2013). По нашему мнению, невязки результатов во многом определяются технологическими подходами, используемыми при формировании банков данных спутникового детектирования пожаров. Поэтому имеющиеся алгоритмы могут быть не применимы для калибровки альтернативных банков данных.
70° 95° 120° 145°
95° 120°
Рис. 1. Территория исследования и распределение наиболее крупных пожаров в 2007—2013 гг.: 1 — границы лесорасти-тельных районов, 2 — граница территории, для которой была реализована выборка, 3 — номер лесорастительного района; пожары в базе данных дистанционного мониторинга по категориям площадей: а — более 2 тыс. га, б — до 50 тыс. га, в — более 50 тыс. га.
Основная цель этой работы — калибровка данных о лесных пожарах на основе усовершенствованной методики обработки результатов спутникового детектирования термически активных зон. Приведены результаты применения процедуры нормировки площадей гарей, выполнена оценка точность регистрации контура гари дистанционными средствами низкого пространственного разрешения и дано описание предложенной процедуры геопространственной коррекции полигонального слоя лесных пожаров средствами ГИС.
РАЙОН ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе анализировались данные о лесных пожарах, зафиксированных на территории Сибири за период 2007—2013 гг. в зоне обзора приемной станции, расположенной в г. Красноярск (рис. 1, см. опИпе-версию статьи с цветным риунком на сайте электронной библиотеки www.elibrary.ru) Итоговые статистики площадей пожаров и результаты их коррекции представлены для всей территории азиатской части РФ, исключая только п-ов Камчатка и Чукотку.
Сформированная и использованная в вычислениях выборка пожаров представляет территорию (55°—70° с.ш., 85°—150° в.д.), охватывающую четыре лесных района таежной зоны и притунд-ровых лесов (Приказ МПР РФ, № 68, 2007). Рассматриваемые районы имеют существенные различия в климатических условиях, в породном составе лесов, лесопирологических характеристиках, а также в пожарных режимах.
В Среднесибирском плоскогорно-таежном (рис. 1, № I), Восточно-Сибирском таежном мерзлотном (рис. 1, № IV) районах доминируют лиственичные и елово-лиственичные кустарнич-ково-моховые леса (Валендик, Иванова, 2001). В Восточно-Сибирском притундровом районе (рис. 1, № III) эколого-фитоценотические комплексы представлены горно-тундровыми и долинными лиственничными редколесьями. Пожароопасный сезон в этих районах длится около 70 дней. Наибольшее количество пожаров возникает в середине лета (июнь, июль), в условиях устойчивых антициклонов (Валендик, Иванова, 2001; Харук, Пономарев, 2013).
В Приангарском лесном районе (рис. 1, № II) преобладают светлохвойные леса — сосновые, лиственнично-сосновые кустарничково-травя-но-зеленомошные. Продолжительность пожароопасного сезона здесь составляет до 140 дней — с мая по сентябрь, а основное количество пожаров фиксируется в мае, июне и в середине лета (июль) (Валендик, Иванова, 2001; Валендик и др., 2011).
В соответствии с данными долговременного спутникового мониторинга пожаров территория характеризуется показателями горимости выше среднего, определяемого для лесов азиатской части России, что согласуется также с данными предыдущих наблюдений (Валендик, Иванова, 2001). В последние десять лет здесь наблюдается увеличение числа пожаров, которые достигают экстремально больших площадей (20 тыс. га и более), в то время как по современной классификации (Андреев, Брюханов, 2011) в зоне, относимой к спутниковому мониторингу, категорию крупных пожаров составляют площади более 2000 га.
Предложенный в работе подход был применен для пожаров 2007—2013 гг. в базе данных Института леса СО . Таким образом, приводимый в статье результат отражает уровень горимости и ежегодные итоговые площади пожаров для всей азиатской части России.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Спутниковый мониторинг пожаров обеспечивает многократность съемки, охват территории, а также требуемый набор спектральных каналов съемки. Однако основным ограничением является пространственная разрешающая способность. В используемых для обнаружения спектральных каналах она составляет не выше 500—1000 м. Это техническое ограничение определяет точность привязки термически активных зон в процессе их детектирования и точность оценки площадей пожаров.
Детектирование пожара
Контекстуальное обнаружение очагов пожаров (термически активных зон) осуществляется на основе анализа в пикселах изображения значений отражательной способности и яркостной температуры при радиометрической съемке в ближней (X = 0.8—0.9 мкм), средней (X = 3.5—4 мкм) и дальней (X = 11—12 мкм) инфракрасных (ИК) областях спектра. Существуют стандартные процедуры обнаружения "пожарных пикселов" на радиометрических изображениях в ИК-диапазоне (Giglio et al., 2003; Justice et al., 2006, Аэрозоли..., 2006). В результате таких процедур выделяется массив пикселов изображения, соответствую-
щих термически активным зонам или тепловым аномалиям.
Термически активные пикселы, обнаруживаемые на серии последовательных спутниковых съемок, объединяются в пожарные полигоны на основании анализа критериев расстояния (до 1000 м между двумя пикселами, соответствующими последовательным регистрациям тепловой аномалии) и временного интервала (до 24 ч между двумя последовательными регистрациями термически активных зон) (Аэрозоли..., 2006; Швецов, 2012). Средствами геоинформационных систем пикселы, соответствующие данному пожару за весь период наблюдений, объединяются, формируется векторный полигональный слой пожаров, предназначенный для тематической геопространственной обработки. Выявленная таким образом серия регистраций термически активных зон рассматривается как различные стадии горения пожара. Для каждой записи полигонального слоя заполняется таблица атрибутивных данных, получаемых на основе обработки радиометрической информации в ГИС: координаты центра, дата первой и последней регистрации пожара, административно-территориальная принадлежность, площадь полигона, пройденного огнем, энергетические характеристики активной зоны пожара.
В силу описанных выше технических ограничений необходимо проводить дополнительную процедуру коррекции полученных данных о пожарах, в частности, калибровать площадь гари.
Калибровки площадей
Исходными данными для калибровки площадей участков, пройденных огнем, были послепо-жарные съемки, выполненные с аппаратов Land-sat-7 и -8. Эти материалы относятся к данным среднего пространственного разрешения (до 30 м), что позволяет с достаточной степенью точности выделить границы гарей, а также определить площади.
Использова
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.