Лесная охрана: 8-800-100-94-00

/ 01.10.2016 / Просмотров: 157

Космический мониторинг на страже лесов

Кроме данных визуального наземного и авиационного мониторинга, бороться с лесными пожарами помогают и спутниковые данные.

Технологии спутникового наблюдения, применяемые для контроля над ситуацией на нашей планете становятся все более и более сложными и совершенными. С помощью анализа спутниковых данных уже возможно, если не решать проблемы, то, как минимум, обнаруживать и прогнозировать развитие таких стихийных явлений, как лесные пожары, чрезвычайные погодные явления, вспышки размножения вредителей и оценивать их последствия.

Разумеется, основная борьба с пожарами разворачивается на земле, но такие инструменты, как дистанционный мониторинг и другие технологии, позволяющие получать оперативные данные, могут и уже существенно упрощают работу пожарных. Полевая спутниковая картография и дистанционный мониторинг – это современный стандарт лесопожарных служб.

Основные вопросы, на которые важно получить ответ на начальном этапе борьбы с лесным пожаром – горит или не горит, где именно горит, горит много или горит мало, сколько сгорело уже и сколько может сгореть еще, в какую сторону будет распространяться пожар и с какой скоростью, каким объектам он может угрожать. На начальном этапе очень важны именно оперативные данные, на основании которых определяется, например, сколько сил необходимо выделить на тушение пожара.

В густонаселенных районах ответы на эти вопросы предоставляют системы видеомониторинга, авиационное и наземное патрулирование. В малонаселенных районах Сибири и Дальнего Востока зачастую возможно выполнение только космического мониторинга – для авиапатрулирования слишком большие пространства и слишком мало наземной инфраструктуры. Авиапатрулирование огромных территорий имеет смысл только в случае наличия информации о возникновении лесного пожара в этом районе, а в случае масштабных лесных пожаров авиапатрулирование может быть малоэффективно или вообще невозможно из-за сильного задымления. В таком случае приходится полагаться на спутниковые данные, уточняя и подтверждая их данными воздушной и наземной разведки.

На данный момент существует несколько технологий обнаружения лесных пожаров из космоса.

На всех спутниках есть инфракрасные сенсоры и в инфракрасном диапазоне хорошо видно открытый огонь, который светится в этом диапазоне яркой точкой. Таким образом, с помощью спутникового мониторинга можно определить некую аномалию, которая, с большой вероятностью может оказаться очагом пожара. К сожалению, если пожар маленький, то по спутниковым снимкам определить его размеры невозможно. В настоящее время используются системы, позволяющие проводить дешифровку данных о земной поверхности с различным разрешением. Чем выше разрешение, тем больше подробностей можно увидеть, и тем больше времени на дешифровку необходимо затратить. Среднее разрешение требует на дешифровку от часа до суток, высокое – от нескольких часов до месяца, а наиболее высокое – нескольких месяцев. Поэтому обычно используют наиболее оперативные данные, оставляя в резерве возможность при необходимости уточнить.

Еще одна проблема, это то, что не всегда можно с уверенностью определить, что обнаруженная термоточка – это именно огонь. Например, труба завода или сильно нагретая крыша в инфракрасном спектре светиться не меньше. Поэтому вопрос интерпретации этих данных весьма сложный и, несмотря на то, что уже существуют такие продукты как Fire Information for Resource Management System (FIRMS) от NASA, на данный момент окончательно не разрешен. Впрочем, если речь идёт о малонаселенных районах, то эта проблема снимается сама собой.

Вторая проблема состоит в том, что со спутника не видно скрытого огня. Например, в том случае, когда горит торфяник. Если огонь укрыт плотным пологом древесных крон, или горит под почвой – то в инфракрасном диапазоне его практически не видно.

Однако, когда пожар большой и речь идет о сотнях гектаров, в этом случае уже корректно говорить о точной оценке площадей. А в случае, если это тысячи гектаров – то дистанционный мониторинг зачастую дает более достоверную картину, чем наземное обследование, или, например, облет.

Так же со спутника можно определить задымление в местах пожара. Дым состоит из аэрозолей и потому задымления можно отличить от облаков.

Таким образом, становится очевидно, что с помощью только спутниковых технологий однозначно решить проблему своевременного обнаружения пожаров и получения точных данных об уже распространяющихся невозможно, зато прекрасно получится в сочетании с другими данными в рамках автоматизированной информационной системы.

Совместный анализ различных спутниковых и погодных данных позволяет делать более сложные и точные продукты. Возможно осуществлять прогнозирование поведения очагов пожаров – погаснет ли пожар в скором времени, дойдя до реки, или будет гореть длительное время, в каком направлении будет развиваться пожар и с какой скоростью.

С помощью прогнозов для конкретного района можно определить, что будет гроза с молниями, которые могут спровоцировать лесной пожар. Так же прогнозы покажут, будут ли в ближайшие 2 недели сильные дожди, которые могут сами потушить пожар.

Таким образом, для анализа имеется несколько факторов: наличие или отсутствие леса на указанной территории, объем свежей или сухой листвы, влажность, наличие в прогнозе дождей и гроз. Из этих, и прочих данных формируется прогноз класса пожарной опасности по погодным условиям.

В дальнейшем, по направлению ветра так же можно определить, куда пожар будет развиваться, точно знать, куда пойдет дым от пожара, определить, если ли на пути развития пожара населенные пункты и инфраструктурные объекты, степень и сроки угрожающей им опасности.

Сведение потоков данных в рамках одной автоматизированной информационной системы позволяет с большей оперативностью и эффективностью бороться с лесными пожарами, а взаимодействие нескольких региональных систем увеличивает их возможности.

Кроме мониторинга лесопожарной обстановки, спутниковые системы применимы и для контроля за незаконными рубками, и для наблюдения за развитием крупных очагов листогрызущих вредителей. И для обнаружения усыхания лесов в случае поражения вредителями или болезнями.

С 2015 года в Приморском и Хабаровском краях тестируется система космического мониторинга лесоизменений «КЕДР». Задачи, решаемые системой космического мониторинга лесоизменений «КЕДР» направлены на оперативное обнаружение и выявление нарушений лесного законодательства, в том числе незаконных рубок лесных насаждений.

Тестовая работа системы на территории нескольких лесничеств Хабаровского и Приморского краев показала неплохую точность в выявлении изменений лесного покрова — минимальный размер прогалины в лесном пологе в результате рубки, обнаруженной системой, составил 8 на 8 метров (0,0064 га). Процент обнаружения для рубок отдельных деревьев и рубок низкой интенсивности и размерного класса – 70-85%, для рубок высокой интенсивности и значительной площади – 100%.

В основу работы алгоритма системы «КЕДР» заложено автоматизированное попиксельное сравнение разновременных снимков среднего разрешения, находящихся в открытом доступе. Алгоритм системы «КЕДР» не просто сравнивает два последовательных снимка, а сперва образует комбинированный слой (стэк) из всех снимков доступных для данной территории, и создает набор данных, устанавливающий различные статистические значения цветности и его отклонения от медианного значения для каждого участка/пиксела. На втором этапе производит сравнение наборов данных с статистически обработанным оперативным снимком. Это позволяет убирать «шумы» при автоматическом сравнении снимков и значительно повышает точность фиксации изменений. Стоит отметить, что в системе «КЕДР» используется для анализа данных одна система, но применяет при этом различные алгоритмы, учитывающие разные критерии для вегетационного и снежного (безлиственного) периода.

В условиях юга Дальнего Востока и кедрово-широколиственных лесов, где значительную часть состава древостоя, а тем более проекционного покрытия крон, занимают лиственные листопадные породы, автоматическое сравнение разновременных снимков ограничено двумя периодами: вегетационным и снежным. На протяжении каждого из этих периодов отдельно взятое насаждение характеризуется относительно низкой внутренней изменчивостью, при условии отсутствия нарушений целостности полога древостоя.

В вегетационный период система более чувствительна к изменениям, т.к. большая часть пиксела снимка занята проекциями крон и при изменении целостности полога древостоя (например, вырубке дерева) цветность пиксела значительно изменяется, что позволяет выявлять даже рубку отдельных деревьев.

В снежный (безлиственный) период листопадные деревья значительно уменьшают свою площадь проективного покрытия, вследствие чего порог фиксации изменения значительно меньше.

Разумеется, недостаточно только обнаруживать изменения лесного полога – необходимо отработать схему оперативной проверки на месте для подтверждения факта нарушения лесного законодательства. Кроме того, необходимо выработать схему учета легальных изменений: в результате работ по лесовосстановлению, в результате законных рубок и на землях вне лесного фонда.

В ходе тестирования работы системы «Кедр» полученные результаты оперативно проверялись методом полевых исследований обнаруженных системой изменений в структуре леса.

Во время полевых обследований установлено, что 52% проверенных изменений приходились на изменения в пологе леса, связанные с рубками древостоя, из них 36% приходилось на незаконные рубки.

В 14% случаев было зафиксировано удаление верхнего слоя почвы или вырубка кустарниковой растительности – деятельность, связанная с поддержанием лесной инфраструктуры, такие как расчистка кюветов, обочин, прочистка просек ЛЭП.

5% случаев приходилось на работы по лесовосстановлению – закладку лесных культур, естественное возобновление после рубок.

Эти результаты позволяют говорить о возможности использования космического мониторинга для контроля за выполнением работ по лесовосстановлению, о контроле за лесозаготовкой и за лесными пожарами.

В настоящее время на территории двух лесничеств Иркутской области реализуется пилотный проект Федерального агентства лесного хозяйства по повышению оперативности выявления фактов незаконной лесозаготовки с помощью космического мониторинга. Проект нацелен на выявление фактов незаконной заготовки древесины в режиме реального времени и оперативное направление материалов в правоохранительные органы для принятия соответствующих мер.

В рамках проекта специалисты Рослесхоза ежедневно дешифруют визуальную спутниковую информацию, получаемые данные о местах новых рубок сверяются с реестром официально зарегистрированных лесосек. При расхождении сведений они передаются в министерство лесного комплекса Иркутской области и специалисты лесного хозяйства региона выезжают на место совместно с представителями правоохранительных органов для обнаружения нелегальных заготовителей древесины и принятия соответствующих мер пресечения преступной деятельности.

В настоящее время непрерывный дистанционный мониторинг организован на территории двух лесничеств – по итогам года будет определена эффективность применяемой схемы и принято решение о дальнейшем внедрении метода в постоянную практику лесного хозяйства.