Контроль динамики лесных пожаров с помощью информационных технологий

В соответствии с международным соглашением о свободном использовании информации с метеорологических ИСЗ - "Open skies", каждый пользователь, имеющий приемную станцию, может получать информацию непосредственно с этих спутников. Одной из таких станций является станция "Scanor", которая была приобретена Институтом солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН в декабре 1993г., при финансовой поддержке администрации Иркутской области для решения задач охраны окружающей Среды.
Установленный в ИСЗФ СО РАН аппаратурно-программный комплекс приема и обработки данных дистанционного зондирования, позволяет получать данные об отражательных свойствах объектов в видимом диапазоне и об их температуре, используя данные инфракрасных каналов. Отметим, что данные инфракрасных каналов позволяют определять температуру поверхности с точностью лучше 1 градуса. Известно, что основным дешифровочным признаком очага пожара является его инфракрасное излучение, максимум которого приходится на спектральный диапазон 3,1-3,7 мкм, т.е. на третий канал прибора AVHRR и, следовательно, этот канал используется для обнаружения пожаров, размеры которых значительно меньше пределов пространственного разрешения. Информация, поступающая с других спектральных каналов, помогает отделить облака, что очень важно, т.к. в третьем спектральном канале отклик от освещенных солнцем облаков сравним, а иногда и превышает отклик от пожара. Четвертый и пятый каналы AVHRR позволяют получать информацию о температуре и влажности на земной поверхности и могут быть использованы для обнаружения и прогноза пожароопасных районов.

С января 1994 года ведутся регулярные наблюдения за состоянием окружающей Среды и помощью приема цифровой информации со спутников серии NOAA. В результате первых же изменений, были обнаружены на снимках два открытых источника огня ("факелы" предприятия "Ангарскнефтеоргсинтез"), размеры которых не превышают ~20м2
Эти источники имеют определенные географические координаты и четко фиксировались на протяжении зимне-весеннего периода. Иркутским ИСЗФ СО РАН был проведен цикл исследований в период весна-осень 1994г. по обнаружению лесных пожаров с целью проверки возможностей прибора AVHRR. Технология экспериментальных работ заключалось в следующем. Космические снимки на определенные даты с указанием координат возможных лесных пожаров передавалось Нижнейлимскому авиа отделению лесоохраны и кем-либо проводилось сопоставление с данными авиа охраны, либо выполнялся облет указанных точек с фиксацией площадей очагов возгорания.

На приведенном снимке от 16.05.94г. (рис. 3.5.2.) было идентифицировано 12 очагов пожаров, что на 100% подтвердилось данными авиа лесоохраны. Зарегистрированные площади лесных пожаров составили от 0,01 до 200 га. Затем был проведен анализ данных дистанционного зондирования и авиа лесоохраны, по снимкам за 16 дней пожароопасного периода. В средней обнаружение действующих пожаров по указанной статистике на гари предыдущего года, песчаные карьеры, на потушенные, но еще "теплые" пожары. Вообще, основным отрицательным показателем любой регистрирующей ИК-аппаратуры является, реагирование её на так называемые "ложные очаги": отражения солнечного света от поверхности воды, металлических кровель, железнодорожного полотна и т.п. Основным способом борьбы с этим негативным явлением является создание алгоритмов распознавания и разделения бликов, по разности альбедо. 
Из отечественных спутниковых систем, использующихся в настоящее время для обнаружения лесных пожаров, наиболее соответствует система типа "Ресурс-01". Сейчас на орбите находятся два спутника: "Ресурс-01 №3" и "Ресурс-01 №4". Спутники вращаются по солнечно-синхронной орбите на высоте 650-830 км, с наклонением ~98 градусов. Оснащены трехканальной оптической аппаратурой высокого размещения: 160м (видимая) и 600м (ИК); много спектральной аппаратурой с разрешающей способностью 5-15м; радиометр высокого разрешения с синтезированной апертурой и экспериментальный СВЧ радиометр. Причем ИК аппаратура, работающая в диапазоне 3,1-3,7 мкм имеется только на №4. Соответственно обнаруживать очаги лесных пожаров можно только с помощью спутника "Ресурс-01 №4".
Информация со спутников поступает в Региональные Центры Спутниковой Информации (РЦСИ), расположенные в городах Обнинске (Московской области), Новосибирске и Хабаровске. На малые станции приема спутниковой информации, коих по России уже более двадцати, поступает информация только со спутника "Ресурс-01 №3". На данных пунктах приема спутниковой информации используется аппаратура двух типов: ScanER и ScanEX.
Разрозненность центров приема информации и ненадежная связь между ними, ведет к увеличению времени между приемом сигнала, его обработкой и передачей на центральный пункт приема и обработки (Центральная авиабаза, г. Пушкино, Московской обл.), для принятия конкретных оперативных решений.
Кроме того, еще более важным недостатком спутниковой системы "Ресурс-01" является то, что спутники двигаясь по солнечно-синхронной орбите, способны пролетать над одной и той же точкой местности с частотой примерно 1 раз в двое суток.

Все это заметно снижает возможности данной спутниковой системы, в области использования её для оперативного обнаружения лесных пожаров в пожароопасный период, на данной территории.
Исходя из всего вышеизложенного в 3-ей главе, приходим к выводу, что использование низкоорбитальной метеорологической спутниковой системы NOAA с аппаратурой AVHRR, с целью оперативной оценки метеообстановки, контроля динамики лесных пожаров, быстрого обнаружения пожаров на территории Республики Бурятия, представляется наиболее рациональным и доступным.
 

2.СИСТЕМА НАЗЕМНОЙ ОБРАБОТКИ 
ИНФОРМАЦИИ НА БАЗЕ ГИС.

2.1.Требования к наземному комплексу обработки космической информации.

Перспектива развития методов дистанционного зондирования Земли требует внедрения автоматизированных систем технического обеспечения обработки данных, поступающих с искусственных спутников Земли (ИСЗ) и метеостанцией, на основе широкого использования средств вычислительной техники.

Наземная автоматизированная система должна включать в свой состав главный, региональный и зональный центры. Учитывая высокую стоимость наземных широкополосных линий связи, целесообразно наземный спец комплекс охраны леса от пожаров строить с использованием существующих центров Госкомгидромета и оборонных наземных средств, в рамках конверсии. При этом при региональных центрах Госкомгидромета и Федеральном центре, должны быть организованы группы обработки целевой информации в интересах прогнозирования пожарной опасности и обнаружения пожаров. Такая система позволит централизовать обработку материалов глобальной съемки, организовать накопление, длительное хранение и постоянный доступ к материалом многолетней информации о пожарах и на этой основе изучать динамику состояния лесов в пожарном отношении на больших территориях.

Специфическими требованиями являются:

- непрерывная готовность наземного комплекса к работе в течение пожароопасного периода;

- максимальное приближение устройств ввода и отображения информации к местам принятия решений по разведке и ликвидации пожаров;

- возможность диалогового режима работы оператора с системой в реальном времени;

- возможность производства вычислений и разнообразие программ обработки данных;

- возможность получения и автоматического ввода оперативной информации о состоянии ЛФ с помощью дистанционных методов;

- доступность пунктов, откуда можно посылать запросы в систему и простота подачи запроса;

- минимизация времени между возникновением информации и её вводом в банки данных, а также времени обработки запроса и предоставления ответа банка данных;

- надежность и доступность информации, разнообразие форм её выдачи и представлению результатов.

Основу информационного обеспечения наземной системы обработки информации должна представлять система сбора, контроля, преобразования, хранения, обновления, распределения и передачи информации от источников к потребителям. Должна осуществляться оптимальность объемов и распределения потоков информации во времени и в пространстве. Информационная система должна обеспечивать формирование, изменение и преобразование входных массивов, в требуемые выходные в виде, удобном для хранения, поиска и выдачи необходимой информации.

В настоящее время решен ряд задач, например автоматизированы процессы трансформации изображения и приведения его к плановому, привязки изображений к местности и к определенному моменту времени, устранения искажений и помех, вносимых аппаратурой, усиления контрастности и т.п. Возможность тематического дешифрирования аэрокосмической информации определяется качеством изображения, которое зависит от правильности распределения яркости и контрастов т от числа элементов, формирующих изображение на приемном устройстве.

Автоматизация дешифрирования должна позволить рационально сочетать возможности оператора-дешифровщика и специализированной вычислительной техники и на этой основе повысить качество и производительность дешифрировочных работ, перевести ряд этапов дешифрирования на объективную основу и тем самым увеличить достоверность дешифрирования. Автоматизация облегчает процесс дешифрирования трудных для наблюдения: мелкомасштабных, тепловых, радиолокационных, многозональных и разновременных изображений.

В зависимости от потоков информации, предъявляемой к обработке, изменяются основные параметры, характеризующие вычислительную мощность информационной системы - емкость памяти и быстродействие. Вид определяемых материалов определяет выбор конструкции считывающего устройства. Характер решаемых задач определяет требования к математическому обеспечению системы.

Из-за большого разнообразия и сложности дешифрирования материалов съемки, необходимости использования различных вариантов алгоритмов и гибкости перехода от одних к другим, повышенных требований к точности и повторяемости результатов в основе автоматизированного дешифрирования, опознавания объектов (пожаров) и выявления их различных особенностей должна лежать цифровая обработка изображений. Входящая в информационную систему центральная ЭВМ, должна обладать высоким характеристиками быстродействия и оперативной памяти, должна быть оснащена развитым периферийным оборудованием, включая специализированные считывающие и записывающие устройство ввода-вывода изображений, интерактивные дисплеи, и иметь мощность программное обеспечение.

Программное обеспечение комплекса средств обработки должна иметь мощную и гибкую операционную систему, позволяющую реализовать один из возможных режимов совместной независимой работы всех рабочих мест. Ее составной частью должна быть система прикладных программ дешифрирования, куда входит комплекс взаимосвязанных программ обработки материалов многозональной съемки лесов, который позволяет оператору-дешифровщику, по его запросу, выполнять необходимые операции над изображениями, реализует достигнутый на данный момент уровень алгоритмизации задач и позволяет наращивать арсенал программ при появлении новых задач и алгоритмов.

Для этого операционная система должна иметь компиляторы с языков высокого уровня, а также компилятор с языка изображений.

Исходя из того, что лесные пожары возникают случайным образом, а степень горимости лесов резка варьирует по территории страны и сезоном года, на лицо факт необходимости создания гибкой системы охраны леса, удовлетворяющей вышеописанным требованиям, предъявленным к информационной системе обработки космической информации. Обязательной частью такой системы должна быть Географическая Информационная Система (ГИС). И об этом в следующей главе.

2.2. Назначение разработки ГИС мониторинга лесных пожаров и её основные функциональные задачи.
Географическая Информационная Система (ГИС) мониторинга лесных пожаров - это система сбора, хранения, отображения и распространения пространственно-координированных данных о горимости лесов, условия возникновения и развития лесных пожаров, их воздействии на окружающую природную среду, а также интеграции и анализа этих данных. Основное назначение ГИС - информационная поддержка принятия решений в системе охраны леса и управления лесными пожарами.

Функциональная структура ГИС мониторинга лесных пожаров определяется перечнем задач учета, планирования, оперативного регулирования, контроля и анализа, решаемых в рамках общей системы управления охраной лесов. ГИС включает в себя пять подсистем:

1. Оценки и прогноза пожарной опасности в лесах;

2. Мониторинга процессов возникновения и развития лесных пожаров;

3. Мониторинга процессов предупреждения, обнаружения и ликвидации лесных пожаров;

4. Интеллектуальной поддержки управленческих решений;

5. Оценки последствий лесных пожаров и результатов функционирования системы охраны леса.

2.3. Структура информационного обеспечения ГИС.

С точки зрения периодичности обновления, информация в ГИС мониторинга лесных пожаров подразделяется на условно постоянную, сезонную и оперативную. Условно постоянные данные обновляются реже одного раза в год. (например, характеристика лесного фонда, границы административного деления территории, топографическое описание местности, природное районирование). Сезонные данные изменяются один или несколько раз в течение года. К ним могут быть отнесены данные для долгосрочных и среднесрочных прогнозов пожарной опасности по условиям погоды, данные о границах структурных подразделений охраны лесов, данные о ресурсах системы охраны. Оперативные данные изменяются с частотой один или несколько раз в сутки (например, текущая и прогнозная метеоинформация, данные о возникающих и действующих лесных пожарах, о дислокации сил и средств по ликвидации лесных пожаров).

Вся информация накапливается в банке данных, структура которого существенно зависит от рассматриваемого уровня ГИС и образует совокупность атрибутивных данных, цифровых карт и спутниковых изображений. Фактологическая (атрибутивная) составляющая банка данных ГИС включает данные о лесных пожарах, метеорологические данные, данные о ресурсах службы охраны, данные о лесах и нормативно-справочную информацию.

Сейчас в банке данных ГИС есть сведения о каждом пожаре, зарегистрированном на охраняемой территории ЛФ России в период с 1969г. по 1998г., что представляет собой основу для ведения ежегодно обновляемого архива для ретроспективного анализа горимости лесов. Информация по каждому пожару включает свыше 40 показателей, которые характеризуют его местоположение, условия и причину загорания, время и способ обнаружения пожара, длительность его распространения до локализации, время и способ тушения, размеры и структуру пройденной огнем площади.
Оперативные данные о лесных пожарах содержат информацию о каждои крупном (площадью от 25 га в Европейской части и от 200 га в Азиатской части России) пожаре и интегральные характеристики горимости лесов за каждый день пожароопасного сезона на уровне субъектов Федерации.
База метеорологических данных формируется на основе оперативной (фактической и прогнозной) информации Гидрометеоцентра России. Эта информация используется для оценки и прогноза степени пожарной опасности в лесах по условиям погоды и построения соответствующих оперативных карт.
База данных о ресурсах службы охраны лесов содержит информацию о людских и материальных ресурсах и предназначена для решения задач их учета, оптимального размещения по охраняемой территории, эффективного решения транспортных задач.

Картографическая часть банка данных ГИС включает цифровые карты следующих основных типов: топографическая основа, административное деление, производственная организация территории.

В составе банка данных федеральной ГИС предусмотрено использование топографических основ (базовых карт) двух масштабных уровней. Базовая цифровая карта обзорного уровня соответствует по содержанию и генерализации маштабу 1:8000000 и показывает речную сеть и крупные водоемы, основные железные и автомобильные дороги, крупные населенные пункты. 

Базовая карта обзорно-топографического уровня создана на основе цифровой карты мира масштаба 1:1000000 (DCW) и включает информацию о гидрографии, рельефе, дорожной сети, населенных пунктах, гражданских и военных аэропортах, коммуникациях.

Цифровые карты административного деления показывает границы субъектов РФ и административных районов, названия соответствующих территориальных образований. Цифровые карты производственной организации территории включаю границы охраняемой зоны, региональные авиабазы, оперативные авиа отделения и лесохозяйственные предприятия, а также местоположения наблюдательных вышек, пожарно-химических станций, резервных складов и метеорологических станций.