CC BY
56
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
1С. А. Барталев1, М. А. Бурцев1, В. А. Егоров1, В. Ю. Ефремов1, Р. В. Котельников2, Е. А. Лупян1, А. А. Мазуров1, А. М. Матвеев1, В. Е. Щетинский2
1 Институт космических исследований РАН;
2 ФГУ "Авиалесоохрана"
УДК 614.841:632.187
ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ СО СПУТНИКОВЫМИ ДАННЫМИ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ФЕДЕРАЛЬНОГО АГЕНТСТВА ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА РФ (ИСДМ РОСЛЕСХОЗ)
Обсуждаются вопросы построения блока, обеспечивающего работус различными спутниковыми данными высокого пространственного разрешения в Информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства Российской Федерации (ИСДМ Рослесхоз). Описываются структура блока, его основные возможности и особенности, связанные, в первую очередь, с необходимостью организации оперативного доступа пользователей к автоматически пополняемым распределенным архивам данных. Рассматриваются также основные технические подходы и решения, использованные для построения системы доступа к данным, и описываются ее основные функции и возможности.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, дистанционный мониторинг лесных пожаров, данные высокого пространственного разрешения, спутник "SPOT", ИСДМ Рослесхоз.
иш
Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (ИСДМ Рослесхоз) предназначена для оперативной оценки пожарной опасности в лесах России, мониторинга лесных пожаров и оценки их последствий. Достаточно подробно задачи и возможности системы описаны в работах [1-3].
Так как в основном ИСДМ Рослесхоз ориентирована на работу с оперативной информацией, в ней использовались, главным образом, данные низкого и среднего разрешения (спутники NOAA, TERRA и AQUA), обеспечивающие получение информации по любой территории РФ до нескольких раз в день.
В то же время в последние годы одной из важных задач ИСДМ Рослесхоз стала оценка последствий лесных пожаров. Эта задача также в основном решается сегодня в системе с использованием данных среднего разрешения (прибора "MODIS") [4]. Однако для выборочного уточнения данных в системе в последнее время стали активно применяться спутниковые данные высокого разрешения и информация, получаемая при проведении авиационных наблюдений. Спутниковые данные высокого разрешения используются также при осуществлении верификации различных алгоритмов обработки. Следует отметить, что данные высокого разрешения се-
годня применяются не только в блоке мониторинга лесных пожаров, но и предоставляются в блок лесо-патологического мониторинга [5].
Для решения указанных задач в системе требуется достаточно большой объем данных и необходимы организация их автоматизированной обработки и архивации, а также обеспечение оперативного и достаточно удобного доступа пользователей к данным для проведения их анализа. Данная работа посвящена описанию текущих возможностей блока работы со спутниковыми данными в ИСДМ Рослесхоз.
Блок ИСДМ Рослесхоз для работы со спутниковыми данными высокого разрешения выполняет следующие основные задачи:
• сбор данных и их первичная обработка;
• формирование архивов данных;
• представление пользователям продуктов, полученных в результате обработки информации;
• предоставление интерфейсов для анализа данных. Блок был создан и введен в опытную эксплуатацию в 2007 г. В настоящее время он активно дорабатывается и развивается. Сегодня блок главным образом ориентирован на работу с данными приборов "Landsat ETM+" (спутники "Landsat") [6], HRV и HRVIR (спутники "SPOT") и с данными, поступающими со спутника "Ресурс ДК" [7,8]. Наряду с этим
ведутся работы по интеграции в систему и других данных.
Основные возможности блока рассмотрены в настоящей статье на примере работы с данными приборов HRV и HRVIR (спутники "SPOT").
Поступление данных HRV и HRVIR организовано из Западно-Сибирского регионального центра приема и обработки данных (ЗапСибРЦПОД) (г. Новосибирск), Дальневосточного регионального центра приема и обработки данных (ДВРЦПОД) (г. Хабаровск) и Центра приема и обработки спутниковых данных ОАО "Самара-Информспутник" (г. Самара).
Поскольку данные HRV и HRVIR имеют достаточно большой объем (ежемесячно в каждом центре получается и обрабатывается около 500 Гб информации), они не могут быть оперативно переданы в головные узлы ИСДМ Рослесхоз, поэтому в центрах организованы системы автоматической обработки, архивации и представления данных.
Данные, принятые на станции, проходят автоматические процедуры радиометрической коррекции, первичной географической привязки, оценки процента покрытия облачностью и аннотирования, после чего строятся цветосинтезированные композиты. Для сцен, на которых процент облачности меньше 50, композиты строятся в полном пространственном разрешении, для остальных сцен они прореживаются в 5 раз. Данные, для которых процент покрытия облачности меньше 10, проходят дополнительную автоматическую географическую привязку на основе их совмещения с географически привязанным безоблачным покрытием территории, полученным на основе данных прибора "Landsat ETM+". Вся информация поступает в систему архивации, метаданные автоматически передаются в центральный каталог. Следует отметить, что все процедуры обработки данных на станциях приема полностью автоматизированы.
Система архивации и представления данных организована на основе специальной технологии, позволяющей обеспечивать динамическое формирование информационных продуктов на любую выбранную пользователем территорию по его запросу. Описание этой технологии можно найти в публикациях [9-11]. Она обеспечивает распределенное хранение данных в архивах центров приема, ведение центрального и дублирующего архивов ИСДМ Рослесхоз, а также единого каталога данных.
Вся информация, прошедшая обработку в центрах приема, заносится в локальные архивы данных, а метаданные о поступившей в архивы информации автоматически передаются и заносятся в центральный каталог, расположенный в узле ИСДМ Рослес-хоз, находящемся в Институте космических исследований РАН (ИКИ РАН). Этот каталог в дальней-
шем автоматически реплицируется на остальные узлы системы. Сказанное позволяет на всех узлах системы иметь оперативную информацию обо всех принятых данных и о том, на каком сервере они находятся. Поэтому пользователи могут на любом информационном узле ИСДМ получить полные сведения о состоянии архивов данных. Система архивации цветосинтезированных композитов организована таким образом, чтобы на ее основе можно было по запросам пользователей динамически формировать изображения по произвольному региону наблюдения за выбранный период времени. Отметим, что обслуживание комплексов обработки данных в центрах приема осуществляют специалисты соответствующих центров, поэтому в архивы ИСДМ Рослесхоз попадают уже обработанная, а не исходная информация.
Данные, поступившие в локальный архив, также автоматически архивируются на жестких дисках для передачи их в центральный архив ИСДМ Рос-лесхоз. По мере заполнения дисков они пересылаются в центральный архив и в нем усваиваются. Часть данных из локальных архивов может быть также выложена на серверах для проведения оперативных обработок.
Общая схема организации распределенного архива данных приведена на рис. 1.
Всего на данный момент в архиве находится примерно 170 тысяч сцен, из них малооблачных (с менее чем 10 %-ной степенью покрытия облачностью) примерно 60 тысяч. Объем всех хранящихся в системе данных на сегодня превышает 3,5 Тб. Отметим, что сцены, поступающие в архивы из центров приема, не являются исходными сценами "SPOT" (так называемыми "исходными продуктами"). Это сцены, уже прошедшие радиометрическую коррекцию и уточнение привязки ("производные продукты"). Хотя на их основе уже нельзя восстановить "исходных продуктов", данные продукты во многом удобнее для использования в автоматизированных системах обработки ИСДМ Рослесхоз.
Следует особо отметить, что благодаря фактически полной автоматизации процессов поступления в систему и обработки данных HRV и HRVIR, они становятся доступны для пользователей спустя всего несколько часов после получения со спутников.
Для работы с распределенным архивом данных на информационных серверах ИСДМ Рослесхоз построена специальная система динамических web-интерфейсов, созданных на основе технологии, разработанной в ИКИ РАН [12]. Эти интерфейсы позволяют проводить поиск данных в архивах, их выборку по произвольному региону за заданный период времени, а также анализ информации высокого
Рис. 1. Схема организации распределенного архива данных высокого разрешения в ИСДМ Рослесхоз
Рис. 2. Пример интерфейса работы с данными высокого разрешения на информационных серверах ИСДМ Рослесхоз
разрешения совместно с другими данными ИСДМ Рослесхоз.
Наряду с этим интерфейс дает возможность отображать разнородную картографическую информацию из различных источников и обеспечивает удобный вызов данных о разных объектах (гарях, пожарах), использующихся в ИСДМ Рослесхоз. Интерфейс может быть также вызван из сообщения о пожаре и позволяет автоматически найти все данные, имеющиеся в системе по области действия пожара. Используя данный интерфейс, можно достаточно точно оценить некоторые характеристики пожаров и гарей, например их размеры и площадь. Пример интерфейса приведен на рис. 2.
Система интерфейсов ИСДМ создана на базе специально разработанного в ИКИ РАН подхода для реализации систем, обеспечивающих динамическое формирование продуктов, полученных на основе спутниковых данных [9-11]. Интерфейс позволяет работать с информацией, расположенной на различных серверах распределенного архива.
Одним из достоинств данного интерфейса является возможность одновременного отображения данных различных типов:
• спутниковых данных высокого разрешения — это вышеописанные сцены спутников "SPOT", "Landsat" и "Ресурс ДК";
• данных среднего разрешения — к ним относятся, например, карты растительного покрова и покрытых лесом площадей, полученные по данным "MODIS";
• векторных данных, полученных в результате обработки информации со спутников, — это могут быть векторные контуры пожаров, детектированные по данным "MODIS", повреждения лесов, контуры гарей по данным "MODIS" и "SPOTVegetation" и другие тематические продукты обработки;
• статической картографической информации — это разнообразная картографическая информация, не сильно изменяемая со временем, например очертания берегов, контуры рек, границы регионов, областей, заповедников и др. Представленный интерфейс также используется в системах управления обработкой спутниковых данных, решая следующие наиболее типичные задачи:
Рис. 3. Пример совмещения данных контуров гари, полученных на основе активного детектирования зоны (белый контур), и результатов автоматического выделения гари по данным "SPOT" (светло-серый контур)
• выборка данных на обработку (функциональность интерфейса позволяет легко формировать набор данных для обработки);
• визуальный анализ данных (интерфейс предоставляет возможность визуального анализа данных для дальнейшей их оценки);
• задание типа обработки (функциональность интерфейса позволяет задавать тип обработки и отправлять задание на обработку на сервер).
В частности, данный интерфейс применяется в системе уточнения границ гарей в рамках ИСДМ Рослесхоз [8]. Результат работы такой системы показан на рис. 3: по центру — гарь, наблюдаемая на снимке "SPOT", белым обозначен контур пожара по данным среднего разрешения, светло-серым — контур гари, автоматически детектируемый по данным высокого разрешения.
Эксплуатация рассматриваемого в статье блока в составе ИСДМ Рослесхоз показала его работоспособность и устойчивость. Следует отметить, что одним из основных достоинств блока, на взгляд авторов, является то, что он достаточно легко расширяется и настраивается для работы с информацией различных спутниковых систем. Это, в частности, позволило уже сегодня начать построение на его основе системы работы со спутниковыми данными высокого пространственного разрешения, поступающими в систему дистанционного контроля лесопользования Рос-лесхоза. Блок также обеспечивает достаточно удобные возможности интеграции имеющейся в нем информации в другие системы мониторинга, в частности на его базе реализовано представление данных из архивов ИСДМ Рослесхоз в систему дистанционного лесопатологического мониторинга Рослесхоза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ершов, Д. В. Российская система спутникового мониторинга лесных пожаров / Д. В. Ершов, Г. Н. Коровин, Е. А. Лупян [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных объектов иявлений : сб. науч. ст. — М.: Полиграф сервис, 2004. — С. 47-57.
2. Беляев, А. И. Использование спутниковых данных в системе дистанционного мониторинга лесных пожаров МПР РФ / А. И. Беляев, Г. Н. Коровин, Е. А. Лупян // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных объектов и явлений : сб. науч. ст. — М. : ОВАЫР-РоИдгарЬ, 2005. —Т.1. — С. 20-29.
3. Барталев, С. А. Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (состояние и перспективы развития) / С. А. Барталев, Д. В. Ершов, Г. Н. Коровин [и др.] //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасныхявлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 5. — М. : Азбука-2000, 2008. —Т.2. — С. 419-429.
4. Егоров, В. А. Использование данных спутниковых наблюдений М001Б для мониторинга повреждений лесов пожарами / В. А. Егоров, С. А. Барталев, Е. А. Лупян // Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведение и лесном хозяйстве : докл. IV Меж-дунар. конф. (Москва 17-19апреля 2007 г.) — М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. — С. 107-108.
5. Толпин, В. А. Организация доступа пользователей системы дистанционного лесопатологического мониторинга к спутниковым данным и результатам их обработки / В. А. Толпин, Д. В. Ершов, В. Ю. Ефремов [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасныхявлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 5. — М.: Азбука-2000, 2008. — Т.2. — С. 577-585.
6. Галеев, А. А. Система оперативного доступа удаленных пользователей к информационным ресурсам Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров / А. А. Галеев, Д. В. Ершов, В. Ю. Ефремов [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасныхявлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 3. — М.: Азбука-2000, 2006. —Т.1.—С. 351-358.
7. Барталев, С. А. Автоматизированное уточнение площадей, пройденных лесными пожарами, по данным приборов Н^, / С. А. Барталев, А. А. Галеев, А. А. Златопольский [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 6. — М.: Азбука-2000, 2009. —Т.2. — С. 335-343.
8. Ефремов, В. Ю. Возможности интеграции каталогов спутниковых данных ДЗЗ со специализированными системами мониторинга / В. Ю. Ефремов, Е. А. Лупян, А. А. Мазуров [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 6. — М.: Азбука-2000, 2009. —Т.1. — С. 146-151.
9. Ефремов, В. Ю. Оптимизированная система хранения и представления географически привязанных спутниковых данных/ В. Ю. Ефремов, Ю. С. Крашенинникова, Е. А. Лупян [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 4. — М.: Азбука-2000, 2007. —Т.1. — С. 125-132.
10. Балашов, И. В. Построение архивов результатов обработки спутниковых данных для систем динамического формирования производных информационных продуктов / И. В. Балашов, М. Ю. Бурцев, В. Ю. Ефремов [и др.] // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасныхявлений и объектов : сб. науч. ст. — Вып. 5. — М.: Азбука-2000, 2008. — Т. 1.—С. 26-31.
11. Балашов, И. В. Построение систем, обеспечивающих динамическое формирование комплексных информационных продуктов на основе данных дистанционного зондирования / И. В. Балашов, В. Ю. Ефремов, Е. А. Лупян [и др.] // Международная конференция "Фундаментальные космические исследования: новейшие разработки в области геоэкологического мониторинга Причерноморского региона и перспективы их реализации", 21-28 сентября 2008 г., Солнечный берег, Болгария.
12. Ефремов, В. Ю. Организация работы сданными высокого пространственного разрешения в Информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров / В. Ю. Ефремов, Е. А. Лупян, А. А. Мазуров [и др.] // Международная конференция "Фундаментальные космические исследования: новейшие разработки в области геоэкологического мониторинга Причерноморского региона и перспективы их реализации", 21-28 сентября 2008 г., Солнечный берег, Болгария. — С. 65-67.
Материал поступил в редакцию 14.09.09.
© Барталев С. А., Бурцев М. А., Егоров В. А., Ефремов В. Ю., Котельников Р. В., Лупян Е. А., Мазуров А. А., Матвеев А. М., Щетинский В. Е., 2009 г. (e-mail: info@smis.iki.rssi.ru, aviales@space.ru).
