АДАПТАЦИЯ СПУТНИКОВЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ К УСЛОВИЯМ ВОСТОЧНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА

 

Хохлова А.В., Михальцов А.В. (ВНИИГМИ-МЦД, г.Обнинск, РФ),

Дурнов Е.С. (ЯУГМС, г.Якутск, Республика Саха, РФ)

 

The problem of adaptation of forest fire detection methods on NOAA AVHRR data for Eastern Siberia region is discussed.

 

Лесные пожары наносят значительный ущерб лесному хозяйству. Площадь сгоревшего леса  может составлять до 10% площади растительности в зависимости от типа леса и для различных регионов Земного шара. Для мониторинга  лесных возгораний в настоящее время широко применяются данные измерений прибора AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) со спутников  серии NOAA. Следует отметить, что данные AVHRR в силу их пространственного разрешения мало пригодны для ранней диагностики лесных пожаров, поскольку вероятность обнаружения пожара площадью 1 га составляет менее 20%. Однако эти данные представляют собой ценный материал для мониторинга развития пожаров и оценки их параметров (продолжительность, стадия, площадь сгоревшей биомассы, состояние растительности на ранее выгоревших участках и др.).  Крупные пожары как правило хорошо видны на изображениях, получаемых программами просмотра, однако различить на них мелкие пожары зачастую невозможно, поэтому задача состоит в том, чтобы из всего массива цифровых данных на основе определенных критериев показаний прибора отобрать пикселы, подозрительные на горение, и, вместе   с тем, максимально избежать  ложных пожаров. Имеющиеся методики определения пожаров основаны на некоторых пороговых критериях показаний различных каналов AVHRR. Обычно это значение температуры, определенное по 3 каналу, разность температур 3 и 4 каналов, значение альбедо 1 канала и ряд других. В методике IGBP (International Geosphere Biosphere Programme) используется также «контекстный» поиск, т.е., проверка окружающих пикселов.

В 1994 г. по Соглашению между Американским космическим агентством (NASA)  и Росгидрометом в г.Якутске была установлена станция приема цифровых спутниковых данных высокого разрешения. Данные архивируются во ВНИИГМИ-МЦД. Проблема лесных пожаров весьма актуальна для Якутии, где ежегодно сгорает до нескольких десятков тысяч га леса. В связи с этим целью настоящей работы является  разработка методов определения  характеристик лесных пожаров по данным AVHRR для региона Восточной Сибири. Следует отметить, что в силу естественных различий  климатических условий, типов растительности и т.д., единой методики, то есть, единых пороговых значений для всех регионов Земного шара не существует, поэтому для  обнаружения и определения характеристик лесных пожаров по спутниковым данным в отдельном регионе прежде всего  должна быть решена задача адаптации  известных методов к условиям этого региона. В настоящее время хорошо разработана методика обнаружения пожаров для субтропических и тропических районов. Регион Восточной Сибири ранее не был охвачен измерениями высокого разрешения (1 км), поэтому известные методы обнаружения пожаров могут быть только основой  для  развития методики, пригодной для условий Восточной Сибири. На основе разработанных алгоритмов предполагается создать базу данных по лесным пожарам Восточной Сибири, в которую будут включены полученные по спутниковым измерениям сведения о сроках, площади и др., и которая может быть использована в качестве информационного ресурса при управлении лесным хозяйством.

За основу для разработки методики поиска пожаров были взяты метод IGBP и алгоритм, разработанный Y.J.Kaufman и усовершенствованный O.Arino, ниже обозначаемый КА. В процессе работ выяснилось, адаптация методов к региону северо-востока России осложняется еще и тем, что в период пожаров данный район сильно заоблачен, и солнечные блики на облаках принимаются за пожары. Существующие алгоритмы определения облаков и солнечных бликов также нуждаются в модификации, применительно к северо-востоку России, поэтому задача адаптации является сложной и многофакторной. Одним из приемов работы с методом IGBP является расчет нормализованного вегетационного индекса NDVI, на основе которого можно определить очертания лесных массивов, местоположение и размеры гарей. Для верификации использовались данные о пожарах, видимых на  спутниковых изображениях, а также независимые данные лесоохраны, полученные из Якутского УГМС.

Ниже приведен пример результаты поиска пожаров, определенных по данным спутника NOAA 14 за 23 июня 2000 г. по адаптированным методикам KA и IGBP. Пикселы идентифицировались как пожары в том случае, если одновременно выполнялись следующие условия:

 

T₃ > 311 K, T₃ - T₄ >12 K, T₄ > 290 K, A₁ < 10%, A₂ - A₁ > 2%, для КА,

T₃ > 315 K, T₃ - T₄ >8 K, NDVI >0.05, тест на облачность и блики, для IGBP.

 

Здесь T_i и A_i - значение температуры или альбедо i-канала.

В качестве примера на рис.1 и 2 ниже приведены крупные пожары, видимые на изображении ( в цветном разрешении они хорошо видны), и результаты поиска пожаров двумя методами на этом участке. Как видно, оба алгоритма дают приблизительно одинаковый результат и достаточно хорошо детектируют крупные пожары. Вопрос идентификации мелких  пожаров требует значительно большей проработки.

В заключение отметим, что несмотря на то, что методы спутникового мониторинга пожаров достаточно  развиты, непосредственное применение их к отдельному региону представляет собой непростую задачу. Вместе с тем решение этой задачи дает возможность как проводить мониторинг состояния лесных массивов в данном регионе, так и оценивать интегральные параметры горимости лесов (общая площадь, оценка ущерба и т.д.).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, Региональный проект «Артика-98», № 00-05-96206.

 

Рисунок 1- Пример крупных пожаров на спутниковом изображении, 23 июня 2000 г. Районы пожаров обведены кружками.

Рисунок 2- Пожары, определенные за 23 июня 2000 г. по модифицированным методикам IGBP (кружки) и KA (точки). По осям номера пиксела и строки