Контроль динамики лесных пожаров с помощью информационных технологий

30

Министерство образования и науки РФ

ГОУ ВПО “Сибирский  государственный 

технологический университет”

Лесосибирский   филиал

КАФЕДРА  ЛИД

РЕФЕРАТ

по дисциплине “Информационные технологии в лесном хозяйстве”

Тема: “Контроль динамики лесных пожаров с помощью информационных технологий”

Пояснительная записка

(КР ЛИД 000000.041 ПЗ)

Руководитель:

______А.П. Мохирев

(подпись)

__________________

              (оценка, дата)

Разработал:

Студент группы 74-3

_______ М.А. Янцен

(подпись)

__________________

              (дата)

Лесосибирск 2012

Содержание

Введение

Лесные пожары наносят огромный ущерб народному хозяйству страны. Ущерб, наносимый лесными пожарами - это не только сгоревшая древесина и затраты связанные с тушением и обслуживанием пожаров, это и нарушение экологических функций леса (кислородопроизводящей, санитарно-гигиенической, водоохраной и др.), это и нарушение жизнедеятельности лесных насаждений и снижение их продуктивности, это и полное уничтожение огнем лесных массивов, это и нарушение функционирования многих отраслей народного хозяйства, это и уничтожение лесной фауны, нередки случаи и гибели людей.

По данным Забайкальской базы авиационной охраны лесов, ежегодно возникает в среднем 850 пожаров, на площади 24,8 млн.га, а проеденная этими пожарами площадь составляет в среднем 29,4 тыс.га.
Обнаружение и разведка лесных пожаров, контроль за их состоянием, до недавнего времени в основном осуществлялась визуально, по дымовой полосе днем и по пламени в темное время суток. Слежение за лесопожарной обстановкой проводится воздушными и наземными патрулями, а также наземными наблюдательными пунктами. Но эффективность авиа наблюдений за лесами, кратность авиапатрулирования в последние годы в России снижаются из-за резкого удорожания авиационных услуг. В связи с этим возрастает роль космических средств лесопожарного контроля которые, не заменяя, а дополняя авиа лесоохрану, существенно расширяют ее возможности в плане своевременного обнаружения и предотвращения лесных пожаров. Лесные пожары возникают и развиваются случайным образом, а степень горимости лесов резко варьирует по территории республики и сезонами года. Следовательно, необходимо создать гибкую систему охраны леса, которая оценивает и прогнозирует условия своего функционирования.

         1.ПРОЕКТ КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

1.1. Требования к космической системе охраны лесов от пожара.
Космическая система контроля и охраны лесов должна обеспечивать получение информации о пожарной опасности в лесах охраняемой территории, об обнаруженных лесных пожарах и динамике их развития, о состоянии и качестве лесов. Для определения степени пожарной опасности, в соответствии с показателем Нестерова, необходимы данные о температурном режиме земной поверхности и атмосферы, наличии лесных горючих материалов (ЛГМ) и их состоянии - все эти параметры могут быть определены по результатам космической съемки земной поверхности.

Для решения задач оценки состояния лесов в зоне обслуживания Забайкальской авиабазой (Бурятия) и прогнозирования пожарной опасности в данном районе, космическая система контроля и охраны лесов от пожаров должна удовлетворять следующим требованиям:

1. В области создания и эксплуатации космических аппаратов - носителей регистрирующих систем: повышение надежности функционирования космических систем и увеличение их ресурсов, включая жесткие требования к габаритам, массе, потребляемой мощности, учитывая сложные условия эксплуатации, такие как вибрации, значительные ускорения, перепады температуры, воздействие радиации и т.д. Для обнаружения и слежения за крупными пожарами целесообразно использовать космические аппараты, располагаемые на геостационарных орбитах. Комплекс космических аппаратов должен обеспечивать получение изображения всего земного шара одновременно.

2. В области регистрирующих систем: создание комплекса регистрирующих систем, имеющих возможность работать при низких уровнях освещенности и в широком диапазоне изменения освещенности, обеспечивающих пользователей всей необходимой информацией, в соответствии с их заявками и требованиями; регистрирующая система должна

иметь сравнительно узкую рабочую полосу частот, занимаемую сигналом и соответственно, высокую помехозащищенность; необходимо достижение высокого уровня автоматизации управления работой регистрирующих систем. 

Влияющие на информативность изображений показатели регистрирующих систем могут быть разделены на 2 группы: 

I - оптические показатели: спектральная чувствительность, количество воспроизводимых градаций яркости и однородность их воспроизведения по полю изображения, четкость изображения и др.

П - геометрические показатели: размер изображения, формат апертуры, мгновенное и общее поле зрения, захват на местности, нелинейные и геометрические искажения, разрешающая способность на местности и др.
Съемка Земли требует обеспечения для изображения заданной (как правило высокой) разрешающей способности. Под разрешением на местности понимается минимальный размер элемента местности, который разрешает аппаратура.

Основные трудности наблюдения за лесными пожарами из космоса - зависимость аппаратуры от облачности и дымовых образований.
Аппаратура должна обеспечить заданный уровень вероятности обнаружения лесных пожаров. К числу задач, которые должна решать регистрирующая аппаратура следует в частности отнести: изучение снежного покрова и его состояния в зависимости от различных природных и антропологенных факторов; оперативная оценка состояния растительного покрова; изучение облачного покрова в научных и прикладных целях, в том числе определение состояния облачности для организации искусственным путем осадков в районе массовых пожаров; обнаружение и контроль развития лесных пожаров и оценка ущерба.

3. В области систем и средств передач данных: создание надежных и емких носителей данных; создание надежных средств приема-передачи данных с использованием различных каналов связи; повышение пропускной способности каналов передачи данных (большого количества информации, содержащейся в одном кадре изображения); разработка для этой цели методов сжатия данных.

4. Система космических летательных аппаратов должна обеспечить определенную заданную оперативность и периодичность получения информации. Оперативность определяется временем от момента обнаружения до момента принятия решения о выделении необходимых сил и средств для тушения пожара (до 30 мин). Периодичность получения информации должна составлять: при наблюдении за состоянием леса в районах с повышенной возгораемостью пожароопасный сезон - не менее 4-х раз в сутки; при наблюдении за динамикой развития пожаров и принятия решений для борьбы с ними - каждые 1-2 суток.

1.2. Многоспектральный построчно-прямолинейный сканер.
Многоспектральный построчно-прямолинейный сканер дает изображение последовательно. Работу много спектрального сканера описывает блок-схема, представленная ниже.

Объект сканируется растровым образом (строка за единицу времени). Система получения информации методом сканирования сложна и состоит их 4-х основных звеньев: оптической системы и устройств приема, обработки и выдачи информации.

Излучение проходит через собирательную систему, создающую мгновенное поле зрения (МПЗ). Оптическая система представляет собой сканирующее устройство, генерирующее на фотоумножителе сигнал, пропорциональный яркости сканирующего элемента. Общее поле зрения местности создается вращающимся клинообразным зеркалом, при этом сканирование в одном направлении осуществляется за счет движения самолета или спутника вперед, а в другом направлении за счет вращения или колебания призмы или зеркала (или вращения ИСЗ вокруг своей оси). Колебательное перемещение зеркала в сочетании с движением самолета или спутника обеспечивает непрерывный охват определенной полосы местности, размер которой зависит от применяемой аппаратуры и высоты полета.

Движение элемента, точно "нацеливает" сканер на различные точки поверхности объекта. Затем приходящее излучение проходит через собирающую оптическую систему сканера, которая фокусирует поток излучения на дисперсирующую оптическую систему и детекторы. С помощью дисперсирующих призм, дифракционных решеток и фильтров, излучение разлагается на спектральные составляющие. Набор детекторов улавливает дисперсированное излучение. Приемники излучения в пространстве расположены так, чтобы составляющие их детекторы могли улавливать тот диапазон длин волн, к которому они чувствительны. 
Сигналы, идущие с каждого детектора, усиливаются и обрабатываются (проходя через фильтры и оцифровываются), далее записываются на борту ИСЗ или посредством радиоканала или телеметрии передаются сразу на пункт приема и обработки аэрокосмической информации. Также записывается или передается информация, касающаяся источников калибровки, они также сканируются между собой видами калибровочных источников, точностью ориентации и слежения, а также методами регистрации получаемой информации. Результат регистрации излучения при ИК съемке методом оптико-механического сканирования, представляет собой матрицу многомерных векторов. Каждый вектор такой матрицы отображает определенную точку на Земле, о каждая его компонента соответствует одному из спектральных каналов.

Большинство сканирующих систем включают в себя в основном отражающие оптические системы.

Собирающая оптика может быть либо отражающей, либо преломляющей, либо их сочетание (катадиоптрической). Отражательные системы обладают рядом преимуществ, на них не влияет хроматическая аберрация, они обладают высоким пропусканием, относительно недорогие и в них легче корректируются другие аберрации. Однако для данной эффективной аппаратуры преломляющая система может меньший размер, чем эквивалентная отражательная система.

Она может быть сделана более эффективной с точки зрения первичного маскирования, и в некоторых случаях она может обеспечить свое собственное окно прозрачности и пространственную спектральную фильтрацию.
Аналоговый сигнал, записанный на магнитную ленту или МД, преобразуется в цифровую форму, корректируется для комплексации угла поворота, симметрируется и нормируется относительно калибровочных сигналов. Зоны спектра могут быть объединены в любом сечении для получения любого: черно-белого или цветного изображения.

Материалы ИК съемки, записанные на МЛ или МД, вводятся в ЭВМ и анализируются для каждой точки земной поверхности в каждой зоне съемки. Затем, сопоставлением полученных значений с заданным эталоном, оценивается их соответствие материалов, на печатающее устройство, выдается карта, с нанесенными на ней различными объектами, в нашем случае лесными пожарами, с указанием площади и некоторых характеристик каждого очага.

1.3. Обоснование выбора космического летательного аппарата и регистрирующей аппаратуры, устанавливаемой на его борту.

Научно-исследовательские работы в области оперативного обнаружения возгораний в лесных массивах ведутся как в нашей стране, так и за рубежом. В настоящее время созданы и активно развиваются спутниковые системы и целые сети спутников различного назначения. Так, в нашей стране разработана и введена в эксплуатацию космическая природресурсная система "Ресурс-01" ( №3 и№4). Уже давно функционирует сеть метеорологических спутников, в которую входят геостационарные ("Meteosat," GOES, GMS) и низкоорбитальные спутники, выведенные на полярные орбиты (NOAA, "Meteor"). Существуют и коммерческие спутниковые программы SPOT и "Londsat". Так же, используются космические аппараты типа "Мояния", достоинством которых является возможность контроля больших участков поверхности суши и оперативность получения информации о возникновении и развитии пожаров. Но есть и недостатки, основным из которых является необходимость оснащения КА высокочувствительной аппаратурой, способной обнаружить пожар на расстоянии ~ 40000 км.

Поэтому среди действующих в настоящее время космических систем, наиболее адекватными представляются системы низкоорбитальных метеорологических спутников NOAA. В настоящее время в оперативной работе используются 3 спутника - NOAA-12, NOAA-14 и NOAA-K(15). Эти спутники обращаются на почти круговых, солнечно-синхронных орбитах с высотой 850 км и наклонением около 90о. Одновременно на орбите находятся не менее двух спутников, что позволяет получать информацию о состоянии окружающей среды заданного региона с периодичностью не менее 4 раз в сутки и, как правило, в утренние и вечерние часы местного времени. На широтах России соседние ветки спутника "заметают" всю поверхность Земли без пропусков. Для полного покрытия всей России необходимо 5-6 пролетов спутника.
Основной поток информации, поступающей с ИЗС NOAA, составляют данные прибора AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer). Информация поступает в цифровом виде, что значительно повышает помехозащищенность. 
Прибор AVHRR измеряет собственное и отраженное Землей излучение в пяти спектральных каналах: 0,58-0,68; 0,725-1,1; 3,55-3,93; 10,3-11,3; 11,5-12,5 мкм. В режиме HRPT на Землю передаются данные со всех пяти каналов в цифровом виде, с пространственным разрешением ~1 км на частоте 1,7 Ггц. Изображение захватывает полосу на земной поверхности шириной около 2500 км по трассе пролета спутника.