Выявление лесных и степных пожаров, методика решения тематической задачи

 

 

Общие сведения

Методика решения тематической задачи "Выявление лесных и степных пожаров" разработана с целью определения основных информативных признаков пожаров на спутниковых снимках в пределах территориально - естественных комплексов Украины, и с целью оценки состояния пожарной опасности в лесных массивах и степях.

Назначение: Экосистемы и лесохозяйство.

Разработчик: Отдел энергомассообмена в геосистемах.

Заказчик: Государственное предприятие "Дніпрокосмос".

В разработке методики и ее аттестации принимали участие:

д.г. -г. н. В.И. Лялько, к.ф. -г. н. Ю.В. Костюченко, вед. инж. М.В. Ющенко, инж. И.Г. Артеменко, инж. А.О. Козлова

 

Назначение и сфера применения методики

Методика предназначена для решения задач по определению основных информативных признаков пожаров на спутниковых снимках в пределах территориально - естественных комплексов Украины, а также для оценки состояния пожарной опасности в лесных массивах и степях. Вчастности, это такие задачи, как:

  • Детектування пожаров, определение мест загорания;
  • Задачи мониторингу и контролю развития пожаров;
  • Оценка пожарной опасности в пределах сезона;
  • Прогнозирование рисков возникновения пожаров в долгосрочной перспективе.

Применение методики предоставляет возможность оперативно обнаруживать пожары в лесных и степных условиях, четко определять локализацию пожара, и вести оперативный мониторинг развития пожаров. Главными преимуществами применения методики заключаются в том, что используются сравнительно недорогие данные спутниковой съемки которые вместе с тем покрывают значительные площади земной поверхности, в том числе труднодоступные. Применение аэронаблюдения или аэросъемки требует значительного средства и имеет меньшие площади покрытия.

Методика ориентирована на анализ спектральных характеристик подстилающей поверхности за космическими снимками, что в значительной мере разрешает исключить субъективный фактор при определении пожаров, вести оперативный мониторинг более дешевыми средствами, а также использовать возможности компьютерных технологий и современного математического аппарата.

Методика разрешает оперативно, с минимальными затратами времени, средств и человеческих ресурсов получить достоверную информацию о возникновении, развитии и масштабах лесных и степных пожаров, создать обоснованные прогнозы развития и определить ожидаемые последствия.

Методика может быть применена структурами МЧС Украины и организациями, которые выполняют природоохранные, лесоохранные и лесоупорядочительные  работы, для мониторинга состояния лесов и степей, особенно в пределах труднодоступных районов и территорий с повышенным уровнем пожарной опасности.

 

 Обоснование методики детектирования пожаров в территориальных естественных комплексах за данными MODІS

Методика определяет порядок тематической обработки материалов многоспектральной космической съемки с целью решения задач пожарной безопасности. Методы детектирования базируются на анализе температур яркости в отдельных спектральных каналах.

Ключевым признаком поискового явления есть локальное повышение температуры в месте загоряння.

В методике используются методы:

  • Анализа распределения сигнала в пределах определенных спектральных каналов аппаратуры наблюдения;
  • Порогове правило отнесения участка изображения (или пиксела) к соответствующему классу;
  • Статистический анализ распределения спектральных характеристик отдельных участков изображения (или пикселов)
  • Анализ  достоверности отнесения зарегистрированного сигнала к соответствующему классу.

При определении информативных сигналов использованы результаты моделирования процессов переноса влаги и тепла в естественных системах и сведение об имеющейся аппаратуре наблюдения. Для интерпретации многоспектральных космических изображений за установленными признаками поисковых явлений используются процедуры порогового распознания и статистической классификации по установленным правилам. При принятии решений используется метод анализа достоверности отнесения зарегистрированного сигнала к соответствующему классу.

 

Последовательность процедур обработки космических изображений

Методика состоит из следующих последовательных процедур:

1. Определение информативных каналов

2. Обособление туч, водных объектов и утраченных данных на снимках в определенных каналах

3. Определение мест потенциальных пожаров (предыдущее детектирование)

4. Определение локальных спектральных особенностей поверхности и регистрация пожаров за косвенными признаками

5. Уточнение детектирования с учетом локальных особенностей, применение комплексных правил определения пожаров

6. Анализ возможности ошибочного распознавания

7. Заверка результатов детектирования и принятие решения.

Рассмотрим последовательно перечисленные процедуры.

 

Конечный информационный продукт (КИП)

Конечный информационный продукт (КИП)  -  методика выявления активных пожаров в лесных массивах и степях, представленная как совокупность процедур обработки изображения.

 

Техническое и программное обеспечения

  • Требования к программному обеспечению

Общее программное обеспечение - программы редактирования текстовых файлов с разметкой Mіcrosoft Word, TeX, .RTF, HTML, просмотра графических растровых и векторных файлов и документов формата .PDF и .PS, электронные таблицы, вычислительная среда класса ІNRІ ScіLab или лучше.

Специализированное программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования - среда обработки цифровых изображений RSІ ENVІ версии 3.4 или выше.

  • Требования к космическим аппаратам, их эфемеридам и ориентации

Погрешность пространственной привязки снимков по орбитальным данным  должны быть: за направлением полета - не хуже 45 км; в боковом направлении - не хуже 25 км.

Отклонение главной оптической оси системы формирования изображений от вертикали во время снятия не должно превышать 15º. 

  • Требования к станциям приема информации, систем и способов передачи информации

Коэффициент погрешностей приема информации наземной станции при углах места больше 7° должны быть не хуже чем 10-6. 

  • Требования к входным данным

Входными данными методики есть многоспектральные изображение оптико-электронных устройств AVHRR, MODІ.

Многоспектральные данные оптико-электронной аппаратуры должны быть предоставлены в зеленом, красном, ближнем и среднем инфракрасных и тепловом диапазонах электромагнитного спектра.

Пространственное разрешение на местности должно быть не хуже чем: 1 км

Радиометрическое разрешение данных должно отвечать 14- битному типу данных. Ошибка географической привязки к местности не должна превышать 500 м.

Вспомогательными данными являются картографические материалы в цифровом виде, которые используются для привязки изображений к местности и данные наземных обследований. Картографические данные векторного формата составляют цифровую карту Украины масштаба 1:100 000.

  • Требования к исходным данным

Исходными данными КИП есть данные спутниковых наблюдений уровня обработки 1, картографические материалы масштаба 1:100000.

КИП должен обеспечивать: возможность распознавания мест активных пожаров за определенным набором информативных признаков с достоверностью не менее чем 85%.

 

Примера успешной апробации или использование

Согласно контракту с ДП "Дніпрокосмос" методика введена заказчиком в 2006 году. Согласно  дополнительному соглашению  между Национальным космическим агентством Украины и Научным центром аэрокосмических исследований Земли ИГН НАН Украины проводилось авторское сопровождение МОД "Выявление лесных и степных пожаров" Научным центром аэрокосмических исследований Земли ИГН НАНУ, что была сдана на исследовательскую эксплуатацию Черкасской Академии пожарной безопасности им. Героев Чернобыля МЧС Украины, как потребителю.