CC BY
138
Научно-технические разработки
Федеральный центр науки и высоких технологий «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций»
УДК 614.8
Е.А. Павличенко, В.В. Иванов, С.И. Миськив
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ АНАЛИЗЕ И ПРОГНОЗЕ ПРИРОДНЫХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ПРИМЕРЕ МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
Приведена схема работы геоинформационной системы анализа и картографирования лесных пожаров
С.И. Миськив
Необходимость создания геоинформационной системы (ГИС) космического противопожарного мониторинга лесов в условиях обширных территорий нашей страны и постоянной нехватки средств на охрану малонаселенных удаленных лесных районов очевидна. Использование космического мониторинга позволяет уменьшить затраты на обнаружение лесных пожаров (ЛП) и автоматизировать процесс обнаружения ЛП. Последующая обработка данных в ГИС и использование электронных картографических материалов позволяет провести пространственный анализ обнаруженных пожаров и создать электронную базу данных ЛП, использование которой позволяет автоматизировать создание отчетов о ЛП в приемлемой форме для конечных пользователей. Использование электронной сети Интернет также определяет доступность данных обнаружения и отчетов о ЛП для конечных пользователей. В связи с этим было разработано автоматизированное рабочее место — ГИС мониторинга, анализа и картирования лесных пожаров по спутниковым данным. Система реализована на базе ГИС ArcView 3.2 (рис. 1); в ней и используются такие слои информации, как выявленные пожары, карта лесов, речная сеть, населенные пункты, административные деления и др. ГИС ArcView имеет встроенный язык программирования avenue, который позволяет использовать все богатые возможности пространственного анализа этого пакета для нужд конечного пользователя.
При обнаружении формируется файл наблюдений пожаров в векторной форме (формат shape для ГИС ArcView 3.x). После идентификации данные о пожарах передаются в ГИС картирования и анализа.
Схема обработки данных и состоит из трех основных этапов (рис. 2). На первом этапе (входные данные) полигональный шейп файл загружается в ГИС и добавляется в файл шейп наблюдений пожаров. Шейп наблюдений лесных пожаров содержит все наблюдения лесных пожаров с начала текущего сезона и является основой для построения базы данных и анализа лесопожарной обстановки. В таблице наблюдений лесных пожаров хранятся дата и время наблюдения ЛП, спутник, площадь активной кромки, административная принадлежность, ближайший населенный пункт и его координаты, удаление и азимут направления на него от геометрического центра наблюдения ЛП, признак принадлежности к лесной зоне и площадь контура. Все данные, кроме спутника, даты, времени обнаружения и площади активной кромки ЛП, вычисляются средствами ГИС ArcView с использованием дополнительных слоев векторных карт. Административная принадлежность определяется расположением геометрического центра контура ЛП; т.е. лесной пожар считается принадлежащим субъекту, если геометрический центр ЛП принадлежит этому субъекту. Для поиска ближайшего населенного пункта используется некоторая окружность с заданным радиусом, в пределах которой вычисляются расстояния до всех населенных пунктов; выбирается населенный пункт с наименьшим расстоянием, после чего вычисляется азимут направления на геометрический центр ЛП от данного населенного пункта. Признак принадлежности пожара к лесной зоне имеет два значения пожар: покрывает лесную зону или нет. Устанавливается флаг и пожар считается лесным, если
Рис. 1. Представление ГИСлесопожарного мониторинга на базе ГИСArcView
лесной пожар покрывает область отмеченную как «лесная». Карта лесных областей составлена на основе карты лесов России 1995 г. масштаба 1:1 000 000, в которой все полигоны с любым типом лесов отмечены как «лесные», а все остальные — как «нелесные». Площадь контура лесного пожара вычисляется в проективных метрах. Для каждого пожара задается проекция «поперечный Меркатор» с центральным меридианом в центре ЛП для уменьшения ошибки вычисления площади. Все остальные вычисления в проективных единицах, касающиеся отдельного пожара, проводятся аналогичным образом.
На втором этапе проводится анализ вновь обнаруженных пожаров. Основная цель анализа заключается в поиске пожаров, продолжающихся со времени последнего наблюдения, и индексации всех обнаруженных пожаров. Для этого, во-первых, предполагается, что каждый ЛП со времени последнего наблюдения может переместиться не далее заданной дистанции от последнего наблюдения. Во-вторых, время, прошедшее со времени последнего наблюдения ЛП, не может превышать заданный интервал. Расстояние, на которое переместился ЛП, вычисляется как наименьшее расстояние между полигонами текущего наблюдения и всех предыдущих наблюде-
ний данного ЛП, отстоящих по времени не далее заданного интервала. Время вычисляется как разность времени и приема информации со спутника для этих наблюдений. При этом не учитывается влияние времени между двумя наблюдениями ЛП на расстояние между ними. Значение дистанции было подобрано экспериментально и равно 0 км, т.е. если два полигона последовательных наблюдений соприкасаются или пересекаются, то считается, что это два наблюдения одного и того же пожара. Временной интервал определяет разделение сезонных пожаров. Зачастую на одной и той же территории могут наблюдаться и весенние, и летние, и даже осенние пожары. При этом степень поражения леса в различное время года может различаться. На основании такого сезонного разделения пожаров, временной интервал берется не меньше временного интервала между сезонами.
Индексация пожаров заключается в пространственном объединении всех наблюдений одного пожара как отдельного полигона. Пространственное объединение всех наблюдений одного пожара имеет смысл гари, оставленной пожаром, и далее будет именоваться как след пожара. Из объединенных пожаров создается файл индексированных пожаров, в котором каждому следу пожара присваивается
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Рис. 2. Схема обработки данных о лесных пожарах в ГИС ArcView
уникальный номер. Этот номер является первичным ключом в терминах баз данных. Значение уникального номера также записывается в шейп наблюдений пожаров для идентификации всех наблюдений каждого пожара. Таким образом, для любого следа пожара можно быстро найти всю историю его наблюдений. След пожара в дальнейшем используется для идентификации пожара, в отчетах — для вычисления общей площади, идентификации территории, пораженной пожаром, и т.д.
Третий этап состоит из ряда вспомогательных вычислений:
• определение территориальной принадлежности следов пожаров к районам, субъектам, государствам;
• поиск ближайших населенных пунктов и вычисление расстояния и азимута направления от населенного пункта на ЛП;
• вычисление площадей следов пожаров в проективных единицах;
• установка признака лесного пожара.
Все расчеты аналогичны вычислениям, описанным в первом этапе.
Дальнейшая обработка данных состоит из формирования различных отчетов и картосхем. Для оперативной оценки обстановки и своевременного реагирования на создавшуюся обстановку (после завершения анализа обнаруженных пожаров) создаются ежедневны отчеты в формате HTML и слайды картосхем обнаруженных ЛП для рассылки конечным пользователям (оперативным дежурным ГУ ГОЧС в субъектах РФ, службам авиационной лесо-охраны и др.). В табл. 1 представлен пример таблицы обнаруженных лесных пожаров. В табл. 2 — пример сводной таблицы, в которой указана общая площадь и суммарное количество пожаров, обнаруженных на
Таблица 1
Сводная таблица обнаруженных пожаров (термически активных точек) в Сибирском и Дальневосточном регионах Российской Федерации по состоянию на 05.11. 2003 г.
Агентство по мониторингу и прогнозированию ЧС.
Сектор аэрокосмических методов исследования леса ИЛ СО РАН.
Отдел према и обработки космической информации ФЦ ВНИИ ГОЧС (г. Красноярск)
Координаты, населенный пункт привязки, дата первого обнаружения, расчетная площадь высокотемпературной горящей кромки в га (площадь линии огня в момент проведения съемки с космического аппарата) приведены в таблице
Субъект РФ Время проведения съемки:
Иркутская обл. 11:10 МСК
Казахстан 11:10 МСК 12:53 МСК
№ Субъект РФ Район Площадь кромки, га Площадь пожара, га СШ ВД Населенный пункт привязки Дистанция, км Азимут, град. Дата 1-го наблюдения
1 Иркутская обл. Чунский 2,90 122,0 55°45’ 99°41’ Кулиш 10,3 210,2 05.11.03
2 Казахстан 33,10 961,3 50°22’ 70°70’ Kurgaldzhinskiy 24,7 151,3 05.11.03
3 Казахстан 42,20 723,8 50°12’ 71°57’ Кіуеука 28,6 98,2 05.11.03
Субъект РФ Количество Площадь кромки, га Площадь пожара, га Площадь нарастающим итогом, га
Иркутская обл. 1 2,90 122,0 2 872 941,2
Казахстан 2 75,30 1685,1 3 691 307,5
Всего 3 78,20 1807,1 6 564 248,7
В других районах пожары не выявлены из-за наличия облачности
дату отчета в каждом из субъектов РФ с начала пожароопасного сезона.
Для наглядного представления обнаруженных ЛП создаются слайды картосхем. На этих слайдах красным цветом выделено последнее наблюдение ЛП, черным цветом показан след пожара и указаны некоторые характеристики ЛП. Пример слайда картосхемы показан на рис. 3.
Для представления общей картины горимости на обозреваемой территории создается обзорный слайд (рис. 4), на котором красным цветом выделен мониторинг пожаров за последние десять дней.
Все описанные вычисления проводятся непосредственно после приема спутниковой информации и детектирования ЛП. Время, затрачиваемое на полную обработку данных и создание текстовых отчетов и слайдов картосхем, составляет от нескольких минут до двух-трех часов в зависимости от мощности при-
меняемого персонального компьютера и количества обнаруженных ЛП. Данная ГИС лесопожарного мониторинга позволяет оперативно производить пространственный анализ лесных пожаров:
1) следить за динамикой;
2) оценивать угрозу населенным пунктам от ЛП;
3) проводить оценку ущерба, нанесенного ЛП, различным типам леса;
4) автоматизировать создание оперативных текстовых и графических отчетов.
Описанная ГИС мониторинга лесных пожаров постоянно совершенствуется и дополняется. В настоящее время она успешно функционирует и используется на протяжении нескольких пожароопасных сезонов. Ежедневно получаемый информационный продукт рассылается различным службам охраны лесов, Сибирскому и Дальневосточному РЦ МЧС России.
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Таблица 2
Сводная таблица пожаров нарастающим итогом в Сибирском и Дальневосточном регионах Российской Федерации по состоянию на 06.10.2003 г. 08 : 00 МСК
Агентство по мониторингу и прогнозированию ЧС.
Сектор аэрокосмических методов исследования леса ИЛ СО РАН.
Отдел према и обработки космической информации ФЦ ВНИИ ГОЧС (г. Красноярск)
№ Субъект РФ Площадь, га Кол-во пожаров
21 Республика Бурятия 2 535 309,81 1 890
22 Республика Саха (Якутия) 1 256 135,63 628
23 Республика Тыва 138 539,58 229
24 Республика Хакасия 94 456,59 179
25 Сахалинская обл. 60 931,27 32
26 Свердловская обл. 124,51 1
27 Таджикистан 452,63 1
28 Томская обл. 249 496,74 365
29 Туркменистан 4 266,60 6
30 Тюменская обл. 33 694,63 113
31 Узбекистан 12 962,37 43
32 Усть-Ордынский Бурятский АО 174 950,57 323
33 Хабаровский край 832 498,45 530
34 Ханты-Мансийский АО 118 090,13 180
35 Челябинская обл. 15 272,82 39
36 Читинская обл. 5 914 113,80 2 884
37 Чукотский АО 93 437,49 50
38 Эвенкийский АО 7 968,10 25
39 Ямало-Ненецкий АО 42 895,77 91
Всего: 2 2941 658,8 20 312
№ Субъект РФ Площадь, га Кол-во пожаров
1 За границей РФ 731 967,34 527
2 Агинский Бурятский АО 281 394,33 160
3 Алтайский край 531 191,02 1 451
4 Амурская обл. 2 702 731,96 1 687
5 Еврейская авт. обл. 127 274,04 181
6 Иркутская обл. 2 869 015,01 2 167
7 Казахстан 2 020 906,62 2 847
8 Камчатская обл. 3499,36 3
9 Кемеровская обл. 144 041,30 414
10 Киргизия 4 254,01 13
11 Корякский АО 7 871,32 2
12 Красноярский край 851 265,32 1 603
13 Курганская обл. 12 883,32 53
14 Магаданская обл. 583 382,21 314
15 Новосибирская обл. 224 217,55 707
16 Омская обл. 77 002,91 260
17 Оренбургская обл. 13 346,59 42
18 Приморский край 144 831,18 232
19 Республика Алтай 22 959,20 34
20 Республика Башкортостан 2 025,67 6
Рис. 3. Пример слайда картосхемы обнаруженных пожаров
Рис. 4. Пример слайда горимости обозреваемой территории
Научно-технические разработки
