Методика вирішення тематичної задачі "Виявлення лісових та степових пожеж" розроблена з метою визначення основних інформативних ознак пожеж на супутникових знімках в межах територіально – природних комплексів України, та з метою оцінки стану пожежної небезпеки в лісових масивах та степах.

Методика вирішення тематичної задачі "Виявлення лісових та степових пожеж" розроблена з метою визначення основних інформативних ознак пожеж на супутникових знімках в межах територіально – природних комплексів України, та з метою оцінки стану пожежної небезпеки в лісових масивах та степах.

Призначення: Екосистеми та лісогосподарство.

Розробник: Відділ енергомасообміну в геосистемах.

Замовник: Державне підприємство “Дніпрокосмос”.

У розробці методики та її атестації брали участь:

д. г.-м. н. В.І. Лялько, к. ф.-м. н. Ю.В. Костюченко, пров. інж. М.В. Ющенко, інж. І.Г. Артеменко, інж. А.О. Козлова

Призначення та сфера застосування методики

Методика призначена для вирішення задач по визначенню основних інформативних ознак пожеж на супутникових знімках в межах територіально – природних комплексів України, а також для оцінки стану пожежної небезпеки в лісових масивах та степах. Зокрема, це такі задачі, як:

  • Детектування пожеж, визначення місць загоряння;
  • Задачі моніторингу та контролю розвитку пожеж;
  • Оцінка пожежної небезпеки в межах сезону;
  • Прогнозування ризиків виникнення пожеж в довгостроковій перспективі.

Застосування методики надає можливість оперативно виявляти пожежі в лісових та степових умовах, чітко визначати локалізацію пожежі, та провадити оперативний моніторинг розвитку пожеж. Головними перевагами застосування методики полягають в тому, що використовуються порівняно недорогі дані супутникової зйомки які водночас покривають значні площі земної поверхні, в тому числі важкодоступні. Застосування аероспостереження або аерозйомки вимагає значних коштів та має менші площі покриття.

Методика орієнтована на аналіз спектральних характеристик підстилаючої поверхні за космічними знімками, що в значній мірі дозволяє виключити суб'єктивний фактор при визначенні пожеж, провадити оперативний моніторинг більш дешевими засобами, а також використовувати можливості комп'ютерних технологій і сучасного математичного апарату.

Методика дозволяє оперативно, з мінімальними витратами часу, коштів та людських ресурсів отримати достовірну інформацію про виникнення, розвиток і масштаби лісових та степових пожеж, створити обґрунтовані прогнози розвитку та визначити очікувані наслідки.

Методика може бути застосована структурами МНС України та організаціями, які виконують природоохоронні, лісоохоронні та лісовпорядкувальні роботи, для моніторингу стану лісів та степів, особливо в межах важкодоступних районів і територій з підвищеним рівнем пожежної небезпеки.

Обґрунтування методики детектування пожеж в територіальних природних комплексах за даними MODIS

Методика визначає порядок тематичного оброблення матеріалів багатоспектральної космічної зйомки з метою вирішення задач пожежної безпеки. Методи детектування базуються на аналізі температур яскравості в окремих спектральних каналах.

Ключовою ознакою пошукового явища є локальне підвищення температури в місці загоряння.

В методиці використовуються методи:

  • Аналізу розподілу сигналу в межах визначених спектральних каналів апаратури спостереження;
  • Порогове правило віднесення ділянки зображення (або пікселу) до відповідного класу;
  • Статистичний аналіз розподілу спектральних характеристик окремих ділянок зображення (або пікселів)
  • Аналіз  достовірності віднесення зареєстрованого сигналу до відповідного класу.

При визначенні інформативних сигналів використані результати моделювання процесів переносу вологи та тепла в природних системах та відомості про наявну апаратуру спостереження. Для інтерпретації багатозональних космічних зображень за встановленими ознаками пошукових явищ використовуються процедури порогового розпізнання та статистичної класифікації за встановленими правилами. При прийнятті рішень використовується метод аналізу достовірності віднесення зареєстрованого сигналу до відповідного класу.

Послідовність процедур обробки космічних зображень

Методика складається з наступних послідовних процедур:

  1. Визначення інформативних каналів
  2. Відокремлення хмар, водних об’єктів та втрачених даних на знімках в визначених каналах
  3. Визначення місць потенційних пожеж (попереднє детектування)
  4. Визначення локальних спектральних особливостей поверхні та реєстрація пожеж за непрямими ознаками
  5. Уточнення детектування з урахуванням локальних особливостей, застосування комплексних правил визначення пожеж
  6. Аналіз можливості помилкового розпізнавання
  7. Завірка результатів детектування та прийняття рішення.

Розглянемо послідовно перелічені процедури.

Кінцевий інформаційний продукт (КІП)

Кінцевий інформаційний продукт (КІП)–  методика виявлення активних пожеж в лісових масивах та степах, представлена як сукупність процедур обробки зображення.

Технічне та програмне забезпечення

·         Вимоги до програмного забезпечення

Загальне програмне забезпечення – програми редагування текстових файлів із розміткою Microsoft Word, TeX, .RTF, HTML, перегляду графічних растрових і векторних файлів та документів формату .PDF і .PS, електронні таблиці, обчислювальне середовище класу INRIA SciLab або краще.

Спеціалізоване програмне забезпечення для обробки даних дистанційного зондування – середовище оброблення цифрових зображень RSI ENVI версії 3.4 або вище.

·         Вимоги до космічних апаратів, їх ефемерид та орієнтації

Похибка просторової прив’язки знімків за орбітальними даними  має бути: за напрямком польоту - не гірше 45 км; в боковому напрямку – не гірше 25 км.

Відхилення головної оптичної осі системи формування зображень від вертикалі під час знімання не повинно перевищувати 15º.

·         Вимоги до станцій приймання інформації, систем і способів передачі інформації

Коефіцієнт похибок приймання інформації наземної станції при кутах місця більше 7° має бути не гірше ніж 10-6.

·         Вимоги до вхідних даних

Вхідними даними методики є багатоспектральні зображення оптико-електронних пристроїв AVHRR, MODIS.

Багатоспектральні дані оптико-електронної апаратури повинні бути надані в зеленому, червоному, ближньому та середньому інфрачервоних та тепловому діапазонах електромагнітного спектру.

Просторова розрізненість на місцевості повинна бути не гірше ніж: 1 км

Радіометрична розрізненість даних повинна відповідати 14-бітному типу даних. Помилка географічної прив'язки до місцевості не повинна перевищувати 500 м.

Допоміжними даними є картографічні матеріали у цифровому вигляді, що використовуються для прив'язки зображень до місцевості та дані наземних обстежень. Картографічні дані векторного формату складають цифрову карту України масштабу 1:100 000.

·         Вимоги до вихідних даних

Вихідними даними КІП є дані супутникових спостережень рівня обробки 1, картографічні матеріали масштабу 1:100000.

КІП повинен забезпечувати: можливість розпізнавання місць активних пожеж за визначеним набором інформативних ознак з достовірністю не менш як 85%.

Приклади успішної апробації або використання

Згідно контракту з ДП «Дніпрокосмос» методика впроваджена замовником у 2006 році. Згідно з додатковою угодою  між Національним космічним агентством України та Науковим центром аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАН України проводився авторський супровід МОД “Виявлення лісових та степових пожеж” Науковим центром аерокосмічних досліджень Землі ІГН НАНУ, що була здана на дослідну експлуатацію Черкаській Академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, як споживачу.