Контроль динамики лесных пожаров с помощью информационных технологий

Среди действующих в настоящее время космических систем наиболее подходят для оперативного мониторинга лесных пожаров, системы низкоорбитальных метеорологических спутников, таких, как спутники серии NOAA. Основная проблема интегрирования спутниковых данных в ГИС состоит в оперативной доставке данных и результатов их обработки в центр сбора и анализа информации, коей является Центральная база авиационной охраны лесов от пожаров ("Авиа лесоохрана") и другим потребителям - Федеральной службы лесного хозяйства России, региональным авиабазам. Эта задача не может быть решена с использованием одной станции приема спутниковых данных (в ее зону видимости попадает не более половины территории России). Поэтому необходимо использовать данные, получаемые в ряде центров приема информации со спутников NOAA. Сейчас в России их более десяти. В настоящее время идет работа с двумя такими центрами в Москве (ИКИ РАН) и Иркутске (ИСЗФ СО РАН). Принимаемые данные и результаты их обработки передаются для анализа в "Авиа лесоохрану". 
Диспетчерская служба Центральной авиабазы ежедневно получает информацию трех основных типов: данные о лесных пожарах (в пожарный период через каждые 6-ть часов); данные о фактической и прогнозной метеобстановке; данные спутниковых наблюдений. Сведения о пожарах поступают от региональных авиабаз и территориальных органов управления лесным хозяйством в Субъектах Федерации по модему, телефону или другим каналам связи. Метеорологические данные по метеостанциям на территории России поступают по модему из Гидрометцентра, в виде двух информационных потоков:

- фактические данные за истекшие сутки по 812 метеостанциям;

- прогноз основных метеопоказателей на ближайшие 5-ть суток по 247 метеостанциям.

Сбор всей информации о лесных пожарах и метеобстановке завершается к 9-ти часам утра текущего дня по московскому времени. По каналам Internet в ГИС ежедневно поступают следующие оперативные спутниковые данные:

- обзорная карта-склейка облачных структур над территорией России (разрешение 8 км на пиксель), автоматически формируемая в 8.00 час по московскому времени по данным, полученным в Москве и Иркутске за прошедшую ночь и утро текущего дня;

- фрагменты спутниковых изображений оригинального разрешения (1.1 км на пиксел) на территории наиболее горимых регионов России по запросам "Авиа лесоохраны".

Поступающая информация предварительно обрабатывается и подгружается в специализированный ГИС-сервер, где происходит автоматическое обновление баз данных и картографических покрытий, дополнение архивов, а также формирование информационных продуктов в виде растровых изображений цифровых карт и таблиц, и передача их на WWW-сервер. По завершении этих процедур пользователи в Центральной авиабазе получают доступ по локальной вычислительной сети к оперативным данным в виде ГИС, а пользователи Internet - к информационным продуктам на WWW-сервер.

Получая с ИСЗ NOAA информацию о температуре и влагосодержании ЛГМ, а также используя априорную информацию о каждом прошедшем пожаре за 5 последних лет, о погодных условиях, о причинах возникновения пожаров за тот же период, а также получая информацию с метеостанций за 5 последующих суток и со станции направленного поиска молний, можно с большой вероятностью определить возможность возникновения лесного пожара в том или ином месте охраняемой территории.

Эта вероятность определяется из теоремы Байеса, которая получила название оптимальной стратегии. Пусть имеем две гипотезы: Н1- возможен пожар; Н2 - пожар невозможен, тогда априорные вероятности этих гипотез равны Р(Н1)=х и Р(Н2)=у. В результате исследований мы получим информацию о всех факторах, которые оказывают влияние на пожарную опасность в лесу, Минимизация средних потерь должна быть решающим фактором (или правилом) для направления команды пожарных для тушения пожара.
Чтобы решить задачу прогнозирования пожарной опасности в лесу в состав информационно-управляющей системы входит Система регистрации молниевых разрядов (СРМР). В 1998г. была апробирована экспериментальная СРМР, базирующаяся на трех опорных пунктах, расположенных в городах: Иркутск, Красноярск и Новосибирск. Использовалась система единого времени на основе спутниковой системы GPS (NAVSTAR). Базовым элементом аппаратуры Пункта Регистрации (ПР), является аппаратурный модуль пункта регистрации (АМПР) "Верия".

Основные технические характеристики АМПР "Верея":

1. Средняя квадратическая ошибка (СКО) определения координат разрядов "облако-земля" - 5 км;

2. Вероятность правильного обнаружения разрядов "облако-земля" - не менее 0,8;

3. СКО определения времени молниевого разряда (МР) - 5 мкс;

4. Инструментальная СКО измерения пеленга менее 1 град;

5. Инструментальная СКО измерения времени приема сигнала - менее 0,2 мкс;

6. Полоса принимаемых частот - 2...45 кГц;

7. Порог регистрации по запуску - 30...15000 мВ/м.

8. Разрешающая способность по входу - 2,7мс;

9. Пропускная способность - более 10 сигналов/с;

10.Максимальная ошибка синхронизации внутри шкалы времени относительно системы GPS - менее 1 мкс.

ПР - пункт регистрации;

КС - канал связи;

ОЦ - обрабатывающий центр.

Обработав пожароопасный сезон 1998г., СРМР "Верея" зарекомендовала себя только с лучшей стороны. Информация о грозах имеет высокую достоверность и оказывает существенную информационную помощь в работе диспетчерской службы при планировании авиалесоохранных работ. Учет грозовой обстановки в комплексе с метеоданными, данными о природной пожарной опасности, оперативными данными, позволяет рационально распорядиться ограниченными ресурсами при планировании патрульных полетов и организации борьбы с пожарами. Аппаратура СРМР функционирует в круглосуточном автоматическом режиме и не требует вмешательства обслуживающего персонала. 

Объектом управления информационно-управляющей системы является лесной фонд, подлежащий охране. Лесной фонд может находиться в двух состояниях: лесной пожар есть - лесного пожара нет. Каждое состояние объекта характеризуется числовыми параметрами: скоростью прироста периметра пожара (Vпер) и временем его существования (ta). Управляющее воздействие системы (скорость локализации лесного пожара - Vлок) будет входной переменной, а параметры, определяющие состояние объекта (Vпер, tgn) - выходными параметрами.

Определяя оценку пожарной опасности на данный момент, нам необходимо также сделать прогноз ПО на определенный период. Для этого необходиом использовать прогнозы метеослужбы на этот приод, а также априорную вероятность на этот момент, кроме того, необходимо учитывать динамику источников огня за этот период. Только комплексный учет всех факторов, оказывающих влияние на пожарную опасность в данном регионе (Бурятия), позволит более точна определять пожарную опасность и тем самым сократить потери, связанные с авиационным патрулированием, поскольку полученная информация поможет создать карту-схему оптимльных маршрутов авиапатрулирования.

2.4. Обработка спутниковых данных и система оперативного доступа к ним удаленных пользователей.

Как уже отмечалось ранее, в соответствии с международными соглашениями, пользователи, имеющие необходимые средства приема, могут бесплатно получать информацию непосредственно со спутников NOAA (режим HRPT) и пользоваться ею. Таким образом, локальные потребители получили возможность прямого доступа и достаточно качественным спутниковым данным. Для этого им необходимо иметь собственную приемную станцию, создание или покупка которой обходятся примерно в 15-20 тыс. долларов США.

Проанализируем возможности реализации программы первичной обработки спутниковой информации, на примере персональной станции приема и обработки информации SCANOR.

В первичную обработку данных обычно входят следующие этапы:

- ввод данных в компьютер;

- распаковка;

- визуализация (просмотр данных в момент приема);

- колибровка;

- географическая привязка;

- организация хранения.

В работе не рассматривается этап географической привязки, который сам по себе достаточно сложен. 

Ввод спутниковых данных в компьютер.

Реализация данной процедуры - основная задача станции приема спутниковой информации. Скорость поступления спутниковых данных в канале 1.7 Ггц сравнительно невелика (примерно 80 Кбайт/с), поэтому с задачей приема может справиться обычный персональный компьютер (ПК). Поступающий со спутников цифровой поток имеет кадровую структуру. Кадры разделены синфроно-последовательностями. Традиционно на станциях приема реализуется аппаратная распаковка сигнала, т.е. для поиска синхронопоследовательностей и разделения данных на кадры создается специальная аппаратура с жесткой фиксацией структуры сигнала. С одной стороны это приводит к необходимости создания дополнительного специализированного устройства и повышению стоимости приемной станции, а с другой к дополнительным трудностям модификации приема данных с новых аппаратов. Этих недостатков можно избежать. если организовать ввод в компьютер всего битового потока. Такая схема реализована на станциях SCANOR. В них ввод данных выполняется с помощью специальной платы, которая осуществляет преобразование битового потока в последовательность 16-разрядных слов данных, вводимых в память компьютера.
Распаковка данных. На станциях SCANOR распаковка данных начинается в реальном времени - непосредственно во время сеанса. При этом происходит поиск кадровых разделителей, извлечение данных для расчета колебательных коэффициентов и запись на жесткий диск файлов в промежуточном формате.

Кроме того, также в темпе приема производится выборка части данных для визуализации В реальном времени. 

Визуализация данных. При работе с информацией, поступающей со спутников серии NOAA, для визуального контроля удобно использовать один из каналов радиометр AVHRR. Для того, чтобы уже в момент сеанса иметь возможность осуществить примерную географическую привязку получаемых данных, в системе SCANOR используется два способа, которые могут быть применены одновременно.

1. Одновременно с программой приема данных запускается программа расчета траектории спутников, позволяющая в реальном времени определять и визуализировать на карте положение спутника, с которого принимаются данные. Это позволяет оператору сразу оценить географические координаты района, о котором передаются данные.

2. Если прием планируется принять в строго фиксируемое время, то пред началом приема можно построить географическую сетку региона над которым будет пролетать спутник во время сеанса. В момент сеанса принимаемые данные могут сразу существенно облегчает поиск наблюдаемых участков.
Калибровка данных. Она заключается в преобразовании телеметрических отсчетов, передаваемых со спутника, в радиояркостную температуру или мощность излучения для ИК каналов и в альбедо для каналов видимого диапазона. Чтобы осуществить калибровку, необходимо знать функцию, переводящую отсчеты бортовых сенсоров в физические величины - калибровочную кривую. Расчет калибровочных коэффициентов может быть начат параллельно с проведением сеанса и автоматически продолжен после его завершения. На станции SCANOR полностью процесс калибровки данных заканчивается примерно через 5-7 мин. после окончания сеанса.

Организация хранения данных.

Один из существенных моментов организации хранения данных - способ сохранения данных прибора AVHRR. Дело в том, что в поступающих со спутников данных передается 1024 градации яркости в отдельных каналах, т.е. используются 10-битовые слова. Работа с такими словами очень неудобна и поэтому нужно или сжать информацию до одного байта, что приводит к некоторой её потере, либо растянуть до двух байт, что сильно увеличивает объем хранимой и обрабатываемой информации. Но есть возможность уменьшения разрядности данных для хранения и обработки с 10 до 8 бит (1 байт) на элемент изображения. Реально, это может привести к потере лишь одного значащего заряда. Естественно, что уменьшение разрядности должно осуществляться не просто отбрасыванием нескольких младших разрядов, а выбором оптимального диапазона, в котором сосредоточена большая часть для конкретного изображения. Эта возможность реализована в программе FRAME. Опыт эксплуатации комплекса SCANOR подтвердил правомерность такой организации хранения информации. Ошибки, связанные со сжатием динамического диапазона, не превышают обычно других ошибок, возникающих при обработке.

В момент приема, уже откалиброванные данные записываются в форме Level 1B (точное описание структуры этого формата можно найти в информационной системе по адресу http://smis.iki.rssi.ru/data/I1f/txt). Сразу же после завершения принятых данных, составляется их аннотация и все они записываются в оперативный архив, расположенный на дисках рабочей станции SUN Spare Station LX (smis.iki.rssi.ru).

Обмен данными между станцией приема и архивом осуществляется по сетевому протоку Net BIOS, использующемуся совместно с протоколами TCP/IP. В оперативном архиве данные хранятся в течение двух-трех недель, после чего переносятся в постоянный архив. Для долговременной архивации используется рабочая станция SUN Sparc Classic, оборудованная магнитофоном Exabyte и системой автоматической смены лент (Jukebox).

Таким образом, данные с метеорологических спутников попадают в общую базу данных и могут быть использованы всеми заинтерисованными лицами.

Удаленный доступ к информации организован через российскую космическую научную сеть "Интернет" (Russian Space Science Internet - RSSI), связанную с сетью NASA Science Internet (NSI) спутниковым каналом с пропускной способностью 256 К бит/с. RSSI имеет соединение с сетями Bitnet, CNES, с московской спорной сетью, а также с коммерческими компьютерными сетями России. Такое соединение позволяет широко распространять информацию как в России, так и за рубежом. 

Система удаленного доступа базируется на использовании информационного сервиса сети "Интернет" - World Wide Wed (адрес WWW - сервер-Ошибка! Источник ссылки не найден., основанного на технологии компьютерного гипертекста, содержащего перекрестные ссылки между страницами WWW - сервера.

Информация на сервере обновляется и становится доступной для удаленных пользователей в течение нескольких часов после данных со спутника. 

Сейчас создается система автоматической обработки запросов пользователей для выделения фрагментов из "сырой" телеметрической информации, находящейся в архиве.

В заключение отметим, что данная система позволяет пользователям, занятым разработкой методов и алгоритмов обработки данных метеорологических спутников NOAA, оперативно получать свободный доступ к реальной информации. Это один из существенных моментов поддержки развития работ по использованию спутниковых данных.
 

2.5. Структурная организация программного комплекса "ГИС-Лесные пожары".

При разработке программного комплекса "ГИС_Лесные пожары" была избрана идеология организации автоматизированных рабочих мест (АРМов) в нескольких вариантах: АРМ-диспетчера-ядро программно аппаратного комплекса, АРМ пользователя ЛВС и АРМ пользователя Internet. Общим и обязательным для всех ядром служат два программных полета - это ArcView 3.0 и ГИС-СУБД.