CC BY
99
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДИАГНОСТИКИ ЛЕСНЫХ И ТОРФЯНЫХ ПОЖАРОВ
В.Д. БУРКОВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук,
В.Ф. КРАПИВИН, проф. МГУЛ, д-р физ.-мат. наук,
В.С. ШАЛАЕВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук,
Л.Ф. БОРОДИН, проф. Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, д-р. техн. наук,
А. С. МИРОНОВ, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, канд. техн. наук
Лесной пожар и загорание торфяника, являясь чрезвычайным событием на данной территории, вносит существенные изменения в динамику лесной экосистемы и вызывает тем самым воздействие на региональный климат. Наряду с этим он является стихийным бедствием для населения региона, приносящим большие экономические, а часто и человеческие потери. Поэтому раннее обнаружение очагов загорания леса или торфяного болота и предупреждение об этом событии является актуальной задачей систем мониторинга окружающей среды. Решением возникающих здесь задач занимаются многие исследователи [1-10]. В частности, как следует из ранее опубликованных работ, текущая пожарная опасность леса или лесоболотного комплекса легко может быть оценена на основе данных СВЧ-радиометрии [2, 4, 5, 7]. Поэтому применение в лесопатрульной службе радиометрических комплексов позволяет решить многие задачи обеспечения безопасности населения и сохранения элементов природного и антропогенного ландшафтов. Применение же сенсоров оптического диапазона позволяет лишь картировать очаги пожаров и осуществлять визуальную оценку их масштабности. По рекомендации Бородина и др. [2] последовательность работ, обеспечивающих решение указанных задач, включает следующие этапы:
- создание лабораторий наземного и самолетного базирования, оснащенных микроволновыми радиометрами пассивного зондирования земной поверхности;
- оснащение лесопатрульной авиации сенсорами, позволяющими определять под пологом леса влажность подстилки;
- разработка информационных технологий, ориентированных на выявление очагов возможного загорания и прогнозирование вероятных путей распространения пожара;
- воссоздание объективной картины пожарной, экологической и санитарной обстановки и обоснование путей ее оздоровления.
Таким образом, лесные и торфяные пожары являются особо опасными гидрометеорологическими явлениями, что делает актуальным оперативный поиск и картирование очагов пожаров в сложных метеоусловиях при наличии маскирующего действия дыма. Проблемами первостепенной важности являются задачи своевременной и достоверной оценок пожарной опасности лесных территорий, торфяных болот и штабелей торфа.
Основные экспериментальные данные об СВЧ-характеристиках лесоболотных комплексов в различных гидрологических режимах, торфяных и лесных пожаров были получены в ИРЭ РАН с борта летающих лабораторий и наземных установок в районах Подмосковья, бассейнов рек Енисей, Кеть и Ангара, Назимовского стационара Института леса и древесины (ИЛД) СО РАН [2]. Были получены многочисленные данные, которые доказали, что микроволновые измерения в отличие от оптических наблюдений позволяют рассчитать показатели пожарной опасности залесенных территорий и лесоболотных комплексов, а также заранее обнаружить скрытые очаги загорания штабелей торфа.
В данной работе на основе анализа ранее полученных данных решаются следующие задачи:
1. Разработка эффективной схемы проведения экспериментов по поиску наибо-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2009
87
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
лее информативных индикаторов обнаружения очагов загорания под пологом леса или в штабеле торфа.
2. Определение информативных каналов микроволнового диапазона, обеспечивающих высокую надежность диагностики очагов загорания.
3. Распознавание стадий лесного пожара по дистанционным измерениям на основе данных мониторинга лесных пожаров.
СВЧ-радиометрия в диагностике температурных аномалий на земной поверхности
СВЧ-диапазон является информативной составляющей в многоканальных системах радиофизического мониторинга температурных аномалий, таких как упоминавшиеся выше лесные пожары, а также зоны загорания торфяных болот и штабелей торфа, областей геотермальной активности и др. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что на длинах волн 0,8 и 3,4 см радиояркостные контрасты в районах лесных пожаров и пожаров на торфяных болотах и торфоразработках могут достигать величин ДТЯе[200,300]°К. Самое важное обстоятельство то, что СВЧ-диапазон оказывается чувствительным к изменению температуры поверхности, следовательно, обнаружение очагов возможного загорания может быть предупреждающим. В частности, при наблюдениях радиотеплового излучения торфа зафиксировано увеличение интенсивности излучения за счет нагрева от внутренних (глубинных) экзотермических реакций при отсутствии видимых признаков горения.
В общем случае при регистрации собственного излучения поверхности на волнах ^ и Х2 имеем ДТЯ « к-Д-dTJdz, где Д = z2 - zx - разность глубин подповерхностных излучающих слоев (z2>Zj), dTJdz = -Q/kT, Q - интенсивность теплового потока, kT - коэффициент теплопроводности слоя Д. Чувствительность СВЧ радиометров составляет dTn/d « 0,1-1 градус/м. Это означает, что в сантиметровом диапазоне возможно дистанционное обнаружение зон утечек тепла на линиях теплотрасс и в зданиях.
Важной областью применения СВЧ-радиометрии является также дистанционный
контроль геотермальных источников как при анализе их активности, так и при классификации геофизических структур в зоне их функционирования. В этом случае из-за того, что влажность пород, как правило, незначительна, глубина проникновения электромагнитной волны в грунт увеличивается и равняется обратной величине коэффициента поглощения на единицу глубины z.
В связи с проблемой изменения климата особую роль в глобальной экоинформатике приобретает мониторинг лесных пожаров. Состояние леса и его влияние на концентрацию парниковых газов важно для достоверной оценки тенденций в изменении окружающей среды. Поэтому глобальная геоинформационная мониторинговая система должна обладать функцией такой оценки. Реальное воплощение такой функции зависит от развития удовлетворительной модели, связывающей состояние лесного массива и его собственное радиотепловое излучение. Создание модели требует изучения характеристик зависимости радиотеплового излучения леса на различных длинах волн от увлажненности лесных горючих материалов, располагающихся слоями. Исследования многих авторов показали, что имеется реальная возможность оценивать пожарную опасность заболоченных и болотных лесов с учетом реального влагосодержания растительного покрова и верхнего слоя почвы, применяя микроволновое зондирование в диапазоне 0,8-20 см. [9]. Многоканальное зондирование позволяет с помощью алгоритмов кластерного анализа решать задачу классификации лесного массива по категориям пожарной зрелости.
Эффективность СВЧ-методов применительно к диагностике лесных пожаров также зависит от детальности описания в модели структуры лесного массива, отражающей состояние кроны и плотность деревьев. Наиболее опасными и трудно обнаруживаемыми являются низовые пожары. В этом случае эффективной является трехслойная модель системы пламя/дым/крона деревьев: ap=(1-exp{-Kj})exp(-K2)exp(-K3), где ap - излучательная способность очага низового лесного пожара, к . -коэффициент ослабления излучения пламенем (. = 1), дымом (. = 2) и всей толщиной кроны деревьев (. = 3).
88
ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Коэффициенты ослабления излучения в кроне леса являются функциями типа деревьев. Установлено, что поглощение в кроне сильно растет с уменьшением длины волны. При этом для древостоя большой сомкнутости прием излучения и обнаружение очагов низового лесного пожара представляется затруднительным. Тем не менее, на длинах волн 0,8—1,5 см мониторинг лесного пожара оказывается реализуемым в большинстве случаев. Это связано с тем, что основной вклад в СВЧ-излучение очага пожара вносят частицы пламени размером до 100-300 мкм. В очаге пожара на длине волны 0,8 см приращение радиояркостной температуры составляет около 200 °К, что значительно превышает порог чувствительности радиометров. Поэтому микроволновый мониторинг лесного пожара в отличие от оптических методов не зависит от погодных условий.
СВЧ-радиометрические модели пожаров
Общий случай низового и подземного лесных пожаров моделируется вертикально слоистыми структурами типа «шлейф дыма
- полог леса - пламя очага - прогретый приповерхностный слой покрова (подстилка)». Модель верхового пожара - «шлейф дыма
- пламя». При этом пламя, шлейф дыма, полог растительности и подстилка интерпретируются как многофазные случайно неодно-
родные среды, излучающие, поглощающие и рассеивающие СВЧ-радиацию.
Аналитические исследования проводились в предположении, что пламя, дым и кроны деревьев являются четко разделимыми однородными слоями частиц с малыми (по сравнению с длиной волны) размерами и известными температурами и диэлектрическими проницаемостями. Численные расчеты, выполненные с учетом указанных выше ограничений, показывают, что модели очага низового и верхового пожаров приводят к идентичным результатам в смысле наличия максимума коэффициента излучения в диапазоне 0,8-2,25 см. Значение коэффициента излучения (при длине волны, соответствующей экстремуму) в первом случае колеблется в пределах 0,6-0,2, а во втором - в пределах 0,95-0,4. Всего 10-30 % составляет поправка к коэффициенту ослабления в кронах деревьев, если учитывать рассеяния излучения слоем, заполненным тонкими длинными цилиндрами (иглы хвойных деревьев) [8].
Исследование радиотеплового излучения естественных слоев лесных горючих материалов из лишайника, мхов, травяной ветоши, отмершей хвои и кустарников позволили построить методику идентификации параметров лесного пожара при измерении радиотеплового излучения в СВЧ диапазоне электромагнитных волн.
Рис. 1. Усредненный спектр радиояркостных контрастов для отдельных элементов лесного пожара: 1 - зона задымления; 2 - фронт; 3 - прогоревшая зона; 4 - тыл; 5 - граница между фронтом и прогоревшей зоной
ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009
89
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Сопоставление радиояркостных температур на различных длинах волн показало, что излучательная способность лесных пожаров возрастает с уменьшением длины волны и зависит от характера пожара. Приведенные на рис. 1 результаты усреднения зависимостей спектра радиояркостных температур для различных элементов лесного пожара от длины волны позволяют достаточно надежно классифицировать эти элементы.
Контроль пожарной опасности лесов на больших территориях требует создания прикладных моделей, описывающих процессы пожарного созревания лесов. Основой для таких моделей, безусловно, является знание зависимости интенсивности радиотеплового излучения элемента лесного ландшафта от его влагосодержания. Наблюдения показывают, что с ростом пожарной зрелости слоев лесных горючих материалов изменяются статистические характеристики полей СВЧ-излучения лесных массивов. В частности, такая зависимость может быть представлена в виде [1]
ТЯ = к(адГП (1 - exp{- a(^,w) h} +
+ ТЯП exp{- a(A,,w) h},
где к - и a - коэффициенты излучения и поглощения соответственно; w - влагосодержание среды; h - толщина излучающего слоя;
ТП - температура почвы;
ТЯП - яркостная температура почвы.
В работе [1] предложено следующее решающее правило, основанное на расчете математического ожидания M* и стандартного отклонения о* для записи ТЯ участка лесной территории в диапазоне 2,25 см . Величина M* сравнивается с пороговым значением d = 7,2514о*+249,876: еслиM* > d, то участок леса обладает средней или более высокой пожарной опасностью; если же M < d, то пожарная опасность на данном участке низкая. Дополнением подобной модели должна быть модель лесного пожара. Примером может служить модель, описывающая лесной пожар как бегущую волну, т.е. как самоподдерживающийся процесс локального высвобождения энергии в активной среде.
Масштаб лесного пожара зависит от множества факторов, таких как содержание
воды в растениях, топография и направление ветра. Запас влаги в растительности является наиболее существенным фактором скорости развития лесного пожара. Maki et al. [10] изучили соотношение различных индексов и в лабораторных условиях установили, что перспективными для применения в решении задач предупреждения о возможности лесного пожара являются индекс сухости полога леса VDI (vegetation dryness index), индекс дефицита воды WDI (water deficit index) и нормированный разностный индекс воды NDWI (normalized difference water index).
Для оценки содержания воды в растительности применяются такие показатели, как FMC (fuel moisture content) и EWT (equivalent water thickness)
FMC/100 % = (FW-DW)/FW, EWT (г/см2) = = (FW-DW)/o,
где о - площадь листьев в пологе (см2);
FW - сырой вес растений (г) и DW - сухой вес растений (г).
NDWI, WDI и VDI рассчитываются по формулам
NDWI = Тш* -
WDI = 1 - А1/А2, VDI = 1 - А3/А4, где Tb N1R - яркостная температура в ближней инфракрасной области;
Tb N1R - яркостная температура в коротковолновой части инфракрасного спектра;
А1 - расстояние на фазовой плоскости (NDWI,NDVI) между состояниями недостатка (B) и избытка (C) воды в условиях разреженной растительности;
А2 - расстояние между состояниями густой (A) и разреженной (B) растительности при недостатке влаги;
А3 и А4 - расстояния между измеренными уровнями NDVI и NDWI и между сторонами параллелограмма с вершинами в точках A, B, C и D (плотная растительность и избыток влаги) плоскости (NDWI,NDVI) при NDVI=const соответственно.
NDWI рассчитывается на основе измерений со спутника SPOT в четырех каналах: 430-470 нм, 610-680 нм, 780-890 нм и 1580-1750 нм.
90
ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Таблица
Оценки коэффициентов в зависимостях (1) [10]
Тип растений aEWT bEWT aFMC bFMC
Nerium oleander var.indicum - 0,10697 0,62268 155,89 -34,09
Betula platyphylla var.japonica - 0,03136 0,33389 135,59 212,72
Liriodendron tulipifera - 0,00951 0,17521 68,31 539,65
Другие типы - 0,02442 0,27963 119,42 204,69
Для оценки NDVI обычно используют показания сенсоров в красном и ближнем инфракрасном диапазонах, используемых на спутниках типа Landsat [1].
Maki et al. [10] предложили линейную аппроксимацию
EWT = «EWT + bEWT NDWI, FMC =
= aFMC + bFMC N°W1, (1)
коэффициенты которой определены в таблице для некоторых типов растений.
Пожарная опасность лесов
Оценки гидрологических параметров элементов лесоболотных ландшафтов с помощью аэрокосмических СВЧ-радиометри-ческих приборов основываются на прямой зависимости интенсивности радиотеплового излучения соответствующих участков подстилающей поверхности от уровня грунтовых вод, влажности почвогрунта и напочвенного покрова. Решение обратных задач осложняется экранирующими свойствами древеснокустарниковой растительности.
В СВЧ-диапазоне радиояркость сухого густого леса близка к термодинамической температуре воздуха на уровне крон деревьев, а излучательная способность мало отличается от коэффициента излучения абсолютно черного тела.
Зависимости параметров радиотеплового поля открытых лесных участков (поляны, гари) от объемной влажности их приповерхностного слоя совпадают с аналогичными зависимостями соответствующих почвогрунтов. Напомним, изменение влажности почвогрунтов на один процент приводит к изменению радиояркости на 2-3 °К практически безотносительно к типу и плотности грунта, при этом показания СВЧ-радиометра определяются средним (в пределах пятна антенны) значением влажности. Вклад в СВЧ излучение земных покровов грунтовых вод, сосре-
доточенных на глубине 0,4-1м, пропорционален длине волны и оценивается величиной 10-20°К [7].
Интенсивность излучения открытых участков заболоченного леса зависит от типа покрова и совпадает либо с радиояркостью переувлажненных почвогрунтов, либо торфяных болот, либо, наконец, водоемов (редкий подтопленный лес). Экспериментальные исследования показали, что при наблюдении в надир экранирующие возможности древесно-кустарниковой растительности высотой 30-50 см незначительны (интенсивность восходящего излучения покрова изменяется не более чем на 10-20 %). Густая растительность высотой 1,5-2 м практически полностью экранирует излучение почвы в сантиметровом диапазоне и изменяет на 20-40 % радиояркость в дециметровом диапазоне [7]. При СВЧ-измерениях с углами визирования, отличными от вертикального, экранирующие возможности растительного покрова существенно возрастают.
Таким образом, три контрастообразующих элемента определяют основные особенности радиотеплового «рельефа» лесных угодий:
1) ствол и густая часть кроны, коэффициент излучения этих частей деревесно-кустар-никовой растительности близок к 0,94-0,98;
2) открытые участки леса и просветы между деревьями, коэффициент излучения здесь варьирует от 0,35-0,37 (вода) до 0,920,94 (сухой грунт);
3) «полупрозрачная» кромка кроны древесно-кустарниковой растительности, коэффициент излучения этой части древостоя занимает промежуточные значения между характеристикой излучения подстилающего покрова и величиной 0,98.
Из сказанного выше следует, что в общем случае «разрез» радиотеплового поля лесного массива можно интерпретировать как
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2009
91
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
случайный процесс с импульсными изменениями текущего среднего значения «почти однородного» основного фона (наиболее густая часть крон деревьев). При этом форма импульсов близка к трапециям, основания которых и их средние линии определяются размерами сечений открытых участков леса и просветов между деревьями. Высота каждой «трапеции» несет информацию о влажности подстилающего покрова, а наклоны «непараллельных сторон» определяют экранирующую способность (плотность) полупрозрачной кромки крон деревьев. Заметим, что квазистационарные отрезки (КС-отрезки) радиояркости между концом и началом соседних импульсов являются следствием «однородности» соответствующего участка лесного массива, выражающейся в «почти» одинаковой плотности крон деревьев и малых размерах (по отношению к размерам «пятна» антенны) просветов между ними.
Степень увлажнения проводников горения рассчитывается на базе оценок коэффициента излучения покровов открытых участков леса и под пологом древостоя, а оценки коэффициента излучения, в свою очередь, определяются путем совместного и раздельного анализа параметров КС-отрезков и импульсной составляющей выходного сигнала бортового радиометра, статистические особенности которых обусловлены последовательным усреднением (в пределах «пятна» антенны) пространственно-протяженных участков радиотеплового поля лесного массива. При этом достаточно эффективным является алгоритм рандомизированной линейно-ломаной аппроксимации [6].
В теоретическом плане задачи такого рода наиболее просто решаются для радиометров диапазона 0,8-2 см и случая, когда постоянная интегрирования приборов и время перемещения самолета на расстояние, равное размеру «пятна» антенны, существенно меньше времени пролета среднего значения открытых участков леса и просветов между деревьями. Для такой ситуации «разрез» радиотеплового поля лесного массива можно рассматривать как последовательность разновеликих КС-отрезков, перемежающихся с прямоугольными импульсами, длительность и амплитуда которых являются независимыми случайными величинами.
Средние значения коэффициентов излучения «почти однородного» фона леса (среднее КС-отрезков) и покровов открытых участков лесного массива (среднее амплитуды импульсов), равно как и средний размер просветов между деревьями (среднее значение длительности импульсов) определяются путем совместного решения трех уравнений, связывающих указанные средние величины с текущими параметрами исследуемого участка радиотеплового поля: средним значением коэффициента излучения, средним модуля вариаций его мгновенных значений и, наконец, величиной разности средних значений «положительных» и «отрицательных» выбросов коэффициента излучения.
Другой подход основан на экспериментальных результатах сезонных исследований изменений статистических свойств пространственных вариаций интенсивности собственного СВЧ-излучения лесной территории на различных стадиях пожарной опасности [1,7]. При этом наряду со средними значениями радиояркости учитываются и среднеквадратичные вариации, характеризующие «пестроту» разреза радиотеплового поля лесного массива. Использование этих и других статистических параметров излучения леса в виде отношений, определенным образом нормированных, (типа «шум» / «сигнал») или линейных комбинаций (типа «сигнал» + «вариации») дает возможность более надежно выявить структуру радиотеплового рельефа подстилающего покрова и связать его текущие особенности с классами горимости по Нестерову [6] для каждого участка местности в данный момент времени.
Радиотепловая карта лесоболотных ландшафтов, построенная на основе указанных методик, является (по своей сути) картой оценок влажности приповерхностного слоя покровов на открытых участках леса и под пологом древостоя, что позволяет определять соответствующие им прогнозные оценки класса горимости по Нестереву [6], выбирать оптимальные маршруты и сроки авиапатрулирования (очередной радиотепловой съемки) с целью контроля пожароопасных участков леса и наиболее вероятных направлений распространения гипотетических и возник-
92
ЛЕСНОМ ВЕСТНИК 6/2009
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ших лесных пожаров, а также оценивать состояние естественных преград на путях их перемещения.
Достоверность и точность прогноза пожарной опасности существенно связаны с уровнем собственных шумов радиометрического приемника и случайными изменениями размеров и местоположения «пятна» антенны, обусловленных не учитываемыми эволюциями самолета.
Экспериментальные результаты
оценки пожарной опасности
На рис. 2 показаны профили радиояркостной температуры, зафиксированные на борту Ил-14 с помощью радиометра диапазона 0,8 см при исследовании прикрытых густым дымом горящих штабелей торфа, торфяного болота и лесного пожара на торфянике (район г. Шатуры, август-сентябрь 1972 г.). Приращение радиояркости в первом случае составило 100-200°К, во втором 100-300°К и в третьем 30-70°К , что заметно превышает вариации фонового излучения лесоболотных комплексов (5-20°К) и собственных шумов аппаратуры.
По сравнению со спектрами радиояркости иных почвогрунтов в спектре радиотеплового поля торфяников имеет место аномальное снижение коэффициента излучения в диапазоне длин волн 10-20 см и существенное увеличение коэффициента поглощения в том же диапазоне. Эти факты, подтвержденные многочисленными самолетными, наземными и лабораторными измерениями [5,7], являются следствием капиллярно-пористой комковатой структуры торфа с резкими различиями объемных и диэлектрических характеристик частиц, в пространстве между которыми содержится большое количество связанной воды и воздуха.
Радиофизические свойства торфяников в достаточно хорошем приближении отображаются моделью случайно-неоднородной среды, построенной в рамках теории лучистого переноса и однократного учета рассеяния [5, 7]. Выявлена близость значений радиуса корреляции неоднородностей диэлектрической проницаемости модели и наиболее вероятного размера частиц торфа [7].
Тя(0,8), °К
Тя(0,8), °К
Тя(0,8), °К
Рис. 2. Профили радиояркостной температуры на волне 0,8 см, полученные при полетах: а - над караваном горящих штабелей торфа; б - над дымящим торфяным болотом; в - над лесным пожаром на торфянике. Уровни 150 K - радиояркость водной поверхности
Температурно-влажностные параметры торфа
В ходе натурных работ и обработки их результатов установлено [8], что по СВЧ-спектральным характеристикам различимы три группы участков штабелей торфа с разными температурами внутреннего разогрева. Прежде всего это ординарные участки с температурой 20-55 °С, не имеющие глубинных температурных аномалий. Значение влажности по глубине под поверхностью здесь колеблются от 40 % до 60 %. Показатель преломления при этом меняется от 1,5 до 3.
В процессе развития саморазогревания при повышении температуры торфа до 60-75 °С происходит интенсивный перенос влаги из разогретой области очага к более холодной поверхности. Влага конденсируется в мелких порах и капиллярах торфа, увеличивая как среднюю величину (до 4,5), так
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009
93
ЭЛЕМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
и дисперсию пространственных флуктуаций показателя преломления. Ухудшение притока кислорода внутрь штабеля препятствует на некоторое время дальнейшему подъему температуры, и она колеблется около 65-75 °С. В тех случаях, когда влага имеет возможность испаряться через поверхность штабеля, удаление ее сверх определенного уровня вновь облегчает поступление кислорода к очагу и способствует дальнейшему росту температуры. Этот процесс, в свою очередь, ускоряет уход влаги из зоны очага и т. д.
Спектральные характеристики участков, содержащих очаги с подповерхностной температурой 60-75 °С, отличаются усилением аномального эффекта и смещением области его проявления в сторону более длинных волн, а с температурой свыше 75°С - более высоким средним значением радиояркости в дециметровых диапазоне. На рис. 3 представлены спектры радиояркости холодного и прогретого участков штабеля торфа [5].
Отмеченные свойства отображений данных радиотепловой съемки могут служить основой бесконтактных методов индикации температурных и влажностных характеристик торфа, наличия очагов саморазогрева в штабелях [7].
Т, °к
Рис. 3. Спектральные зависимости радиояркостной температуры холодного (1) и прогретого (2) участков штабеля торфа: сплошные кривые - результаты расчета, вертикальная черта - экспериментальные данные
Для оценки влагосодержания проводников горения и условий возникновения подземных и торфяных пожаров используются как косвенные методы, связанные с анализом данных наземных измерений и метеостанций за определенный период времени, так и ме-
тоды непосредственной оценки влажности подстилки и влагозапаса болот (уровня грунтовых вод), основанные на анализе характеристик интенсивности восходящего излучения лесоболотных участков.
При критическом влагосодержании (менее 25 %) отмершей растительности, мхов, лишайников и других проводников горения лесной подстилки создаются благоприятные условия для возникновения и распространения низового пожара. Одновременно, при влажности крон деревьев менее 80 %, возникает серьезная угроза перехода низового пожара в верховой, который является наиболее опасным как с точки зрения скорости распространения пожара, так и с точки зрения уничтожения лесной флоры и фауны.
Для устойчивых низовых пожаров характерные вариации термодинамической температуры пламени по контуру пожара составляют 800-900 °К, а приращение температуры напочвенного покрова и приповерхностного слоя почвы на выгоревшем участке пожара равно 30-80 °К и 10-25 °К соответственно. Максимальная высота пламени фронта пожара 1-2 м и достигает 0,3-0,6 м на флангах и в тылу. Ширина интенсивно горящей кромки по контуру пожара колеблется в пределах 1-3 м. Скорость распространения фронта пожара 1-2 м/мин, флангов 0,6-1 м/мин, наконец, скорость перемещения тыла пожара лежит в пределах 0,2-0,6 м/мин.
Заключение
Сравнение оптического и микроволнового диапазонов показывает, что в оптическом диапазоне возможно ограниченное наблюдение уже идущего лесного пожара, а в случае с торфяниками - регистрация факта открытого горения или задымления. При этом сенсоры оптического диапазона не позволяют четко разграничить зону лесного пожара из-за задымления большой территории. В отличие от сенсоров оптического диапазона сенсоры микроволнового диапазона могут не только четко оконтуривать территорию пожара, но давать информацию о его состоянии с выделением его зон. Микроволновые радиометры также позволяют получать информацию о влажности подстилки и содержании влаги в пологе леса, что позволяет определять уровень
94
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2009
