Использование данных дистанционного зондирования земли для мониторинга лесных пожаров на территории Украины

Одной из наиболее актуальных проблем охраны и воспроизводства лесных ресурсов является борьба с пожарами. Ежегодно результатом возникновения лесных пожаров является гибель сотни тысяч гектаров лесных насаждений, выброс в атмосферу десятков тысяч тонн продуктов сгорания.

C одного гектара в атмосферу происходит выброс от 80 до 100 тонн дымовых частиц и 10-20 тонн смеси газов: оксида углерода (CO), оксида азота (NO), диоксида азота (NO2) и аммиак (NH3) [1]. Около 40% годовой эмиссии парниковых газов составляют продукты горения лесов. Таким образом, резко увеличивается загрязнение атмосферного воздуха прилежащих территорий, снижается круговорот кислорода, защита от ветровых фронтов, эрозийных процессов, разрушается биогеоценоз.

Для решения комплексной задачи регистрации, отображения и прогнозирования возможных направлений и объемов возгорания лесных территорий необходимо сформировать стратегию комплексного объединения информационных и космических технологий.

Площадь лесного фонда Украины составляет около 10,8 млн. гектар, что составляет 15,7% территории. Расположение лесов неравномерно. Наиболее подверженными лесным пожарам являются хвойные насаждения Юга, Востока и Полесья Украины. Общая площадь таких насаждений согласно данным Государственного комитета лесного хозяйства составляет более 2 млн. га, наибольшая часть расположена в Житомирской, Черниговской, Харьковской, Днепропетровской, Луганской областях и Автономной Республике Крым. В 2010 году в Украине зафиксировано 2368 случаев лесных пожаров, было уничтожено 1239 га леса, причиненный экологический и экономический ущерб составил около 40 миллионов  гривен [2].

На заседании коллегии Государственного комитета лесного хозяйства Украины от 27 января 2011 года задача защиты лесных насаждений от пожара определена как приоритетная. Для ее решения важным является получение оперативной информации о возгораниях, о площади и направлении фронта их движения, что позволяет экстренно приступить к тушению, а также координировать действия с учетом динамики процесса горения.

Обзор существующих методов обнаружения и прогнозирования лесных пожаров
В практике охраны лесов от пожаров используются три основных способа обнаружения лесных пожаров:

  • патрулирование (наземное, авиапатрулирование);
  • стационарные методы обнаружения (наблюдательные пункты, стационарные датчики);
  • анализ данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

При наземном патрулировании отрицательным фактором является малый обзор территории, что снижает возможности оперативного обнаружения очагов возгорания, особенно при развитых нижних ярусах растительности, а так же ограничивает ведение патрулирования на участках со слабо развитой транспортной сетью дорог. Авиапатрулирование так же ограничено территориально и является достаточно высокозатратным.

Основным недостатком стационарных методов обнаружения является необходимость установки датчиков или наблюдательных пунктов на определенном расстоянии друг от друга для охвата всей территории лесных массивов, что требует существенных материальных затрат, как на первичную установку, так и на обслуживание.

Спутниковые данные в настоящее время могут быть получены на значительных территориях. Наличие бесплатного открытого доступ позволяет проводить оперативный контроль лесных массивов всей территории Украины с более низкой по сравнению с патрулированием и стационарными методами обнаружения стоимостью. Поэтому для проведения эффективного мониторинга лесных пожаров предлагается использовать данные дистанционного зондирования Земли.

Обзор существующих систем мониторинга лесных пожаров
В настоящий момент в ряде стран созданы и эксплуатируются собственные системы мониторинга лесных пожаров (табл. 1).
Таблица 1 – Системы обнаружения лесных пожаров


Название системы

Разработчик

Используемые данные

Минимальная площадь, описание

FIRMS

США, Университет штата Мэриленд, NASA

MODIS

От 1 гектара. Выполняет мониторинг за 24 или 48 часов.

ИСДМ-Рослесхоз

Россия, специалисты научных организаций

MODIS

От 1 гектара. Ведомственная система мониторинга лесов, лесных пожаров и лесопользования.

SFMS

Россия, компания СканЭкс

MODIS

От 1 гектара. Охватывает Россию и некоторые сопредельные территории,

EFFIS

Европейский Союз, Объединенный исследовательский центр Европейской комиссии (Италия)

MODIS

От 1 гектара. Не содержит информации о конкретных пожарах, используется для прогнозирования уровня пожарной опасности в лесах на ближайшие пять дней.

В Украине не существует единого информационного центра, в котором можно было бы получить оперативные и достоверные сведения о лесных пожарах. Для получения полного представления о возгораниях лесных массивов необходимо собрать информацию от различных ведомств. Поэтому актуальной задачей является создание единого центра мониторинга лесных пожаров с использованием методов ДЗЗ.

Обнаружение очагов возгорания при помощи методов ДЗЗ

Возгорание лесных участков с помощь космических снимков определяется на основе данных инфракрасного излучения, представляющего собой электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между границей красного видимого света и микроволновым излучением, т.е. в диапазоне от 0.74 мкм до 2000 мкм. При прохождении через земную атмосферу тепловое излучение поглощается и рассеивается молекулами газа, аэрозолями и парами воды. Инфракрасное излучение поглощается в полосах спектра с центрами, соответствующими указанным длинам волн: воды (2,7; 3,2; 6,3 мкм), углекислого газа (2,7; 4,3; 15 мкм); озона (4,8; 9,6; 14,2 мкм), закиси азота (4,7; 7,8 мкм), окиси углерода (4,8 мкм) и метана (3,2; 7,8 мкм). Выбор более узкого спектрального интервала 3,5-4 мкм или 4,5-5 мкм, позволяет избежать влияния полос поглощения Н2О и СО2 с центрами соответственно 3,2 и 4,3 мкм. Для исключения ситуаций связанных с ложным обнаружением очагов возгорания вызванных солнечными бликами и облаками необходимо использовать так же корректирующие спектральные диапазоны, содержащие данные о поверхности земли и воды (0.4 – 2 мкм), а так же места расположения облачных масс (11.0 – 12.0 мкм) [3].

Основываясь на значительной разнице температур земной поверхности (обычно не выше 60°C), тления (от 150 оС до  390 оС) и горения (от 526 оС до 900 оС) возможно детектировать зоны возгорания с использованием мультиспектральных тепловых каналов.

В процессе анализа датчиков космического базирования с учетом необходимых требований к возможностям ежедневного получения исходных данных в виде бесплатных снимков в мультиспектральном диапазоне, было установлено, что для задач обнаружения лесных пожаров достаточным является использование спутников Aqua, Terra (датчик MODIS) и NOAA (датчик AVHRR). Их характеристики представлены в табл. 2.

Данные передаваемые спутниками Terra, Aqua, NOAA доступны в течение часа после съемки, поэтому их совместное использование позволяет получать до 8 снимков требуемой территории в сутки.

Таблица 2 – Характеристики космических аппаратов


Спутник

Датчик

Высота орбиты, км

Спектр. зоны (диапазон), мкм

Пространств. разрешение, м

Полоса обзора, км

Повторяемость съемки

NOAA

AVHRR

830–870

0,58 - 12.4
(5 диапазонов)

1100

~3000

3-4 раза в сутки

Terra Aqua

MODIS

705

0.620 -  14.385
(32 диапазона)

250-1000

~2300

2-4 раза в сутки

Обнаружение лесных пожаров по данным MODIS

В качестве одного из возможных подходов, может быть предложено детектирование лесных пожаров по данным MODIS с использованием следующих каналов (табл. 3).

Таблица 3 – Каналы MODIS


Номер канала

Спектральный диапазон, мкм

Описание

1

0.620 – 0.670

Детектирование ложного срабатывания от солнечных бликов, отражений от воды, облачных масс

2

0,841 - 0,876

Детектирование ложного срабатывания от ярких участков, солнечных бликов, отражений от воды, облачных масс

7

2,105 – 2,155

Детектирование ложного срабатывания от солнечных бликов, отражений от воды

21

3,929 – 3,989

Детектирование пожара

22

3,929 – 3,989

Детектирование пожара

31

10,780 – 11,280

Детектирование пожара, облачных масс

32

11,770 – 12,270

Детектирование облачных масс

В дальнейшем значения 21,22,31,32 каналов используются для получения температуры (Т, К):
,                                                                   (1)

где C1 – первая калибровочная константа (), C2 – вторая калибровочная константа (), B - проходящее излучение ( ), - постоянная Планка, c - скорость света, k – постоянная Больцмана,  - средний спектральный диапазон канала (мкм).


Рис. 1 Карта очагов возгорания центральной части Украины 01.08.2010

Полученные значения используются для построения температурной карты, которая в  дальнейшем обрабатывается для исключения влияния облачных масс. Далее определяются участки, температура поверхности которых по 21 и 22 каналам превышает 334 К. Полученные на предыдущем шаге участки, уточняются с использованием соотношений 2, 3, в результате чего определяются зоны возгорания.

,          (2)
,              (3)

где  - разница между 21 или 22 и 31 каналами (), - среднеквадратическое отклонение 21 и 22 каналов [4, 5].

Этот метод был протестирован на данных MODIS полученных 01.08.2010 г. В результате была получена карта очагов возгорания (отмечены белыми точками на рис. 1).

Выводы

Результаты проведенных исследований показали, что предлагаемый метод обнаружения лесных пожаров с помощью данных ДЗЗ позволяет существенно снизить затраты на проведение мониторинга на территории Украины по сравнению с используемыми в настоящее время известными методами. Перспективным также является создание геоинформационной системы с целью автоматизации процессов обнаружения, анализа и прогнозирования зон возгорания, определения их координат и передачи в спасательные службы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.    Инженерная экология: Учебник / Под ред. проф. В.Т.Медведева. – М.: Гардарики, 2002. – 687 с.
2.    Доклад заседания расширенной коллегии Государственного комитета лесного хозяйства от 27.01.2011
3.    Валендик Э.Н., Кисляков Е.К. Оценка пожарной опасности лесов по радиотепловому излучению // Сб. Исследование Земли из космоса. –1980. – №2. – С.14-19
4.    MODIS FIRE PRODUCTS Version 2.3 / Christopher Justice, Louis Giglio, Luigi Boschetti, David Roy, Ivan Csiszar, Jeffrey, Morisette, and Yoram Kaufman, 2006. – 34 с.
5.    An enhanced contextual fire detection algorithm for MODIS / Louis Giglioa, Jacques Descloitresa, Christopher O. Justicec, Yoram J. Kaufmanb, 2003. – 10 с.

УДК 502:330.15
Коротенко Г.М. Использование данных дистанционного зондирования земли для мониторинга лесных пожаров на территории Украины [Електронний ресурс]  / [Коротенко Г.М., Евсюков М.В.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.141–144. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet