Мониторинг лесных пожаров космоса

Космический мониторинг лесных пожаров

Получение оперативной информации о пожарной опасности позволяет вовремя среагировать на развивающееся природное бедствие. Актуальные и достоверные данные помогают заблаговременно эвакуировать людей, лесозаготовительную технику, а также принять необходимые меры с целью прекращения распространения огня.
Применение космического мониторинга позволяет реализовать следующие задачи:

• детектирование и мониторинг лесных пожаров из космоса в динамике;
• оптимизация затрат на мероприятия по охране лесов (в том числе маршрутов авиапатрулирования);
• оценка пройденной огнем площади;
• предварительная оценка повреждений насаждениям от пожаров (в том числе выявление погибших насаждений);
• сопоставление данных наземных, авиационных и космических наблюдений, включающая обратную связь с наземными и авиапожарными службами в регионах;
• интеграция в одном ГИС-интерфейсе комплексной информации (топоосновы, ДЗЗ и атрибутивных данных) с целью поддержки управленческих решений в области мониторинга лесопожарной ситуации и обстановки.

На скорость и направление распространения пожаров влияет ветер, тип лесной растительности.

Сухой, больной лес — хороший проводник для огня и даже в безветренную погоду — может служить угрозой для инженерных сооружений. Как сами очаги пожаров, так и массивы лесов, готовые к возгоранию могут успешно определяться по данным космических съемок. Для выявления очагов пожаров используют данные низкого пространственного разрешения (до 1 км), но с хорошим временным периодом (1-3 часа). При указанном качестве снимков выявляются очаги пожаров с минимальными размерами 30х30 м.

На рисунке представлен пример выявления лесных пожаров по данным космических съёмок и форма представления данных. Выходные данные могут быть представлены в виде космического изображения с нанесенными цветом очагами пожаров, в виде векторных покрытий и списка географических координат.

Детектирование лесных пожаров

Компания «Иннотер» обладает многолетним опытом работы в области спутникового мониторинга пожаров, а также иных природных, техногенных или антропогенных воздействий. Специалисты компании индивидуально подходят к каждому проекту и создают их в соответствии с конкретными требованиями заказчика.

Источник

ГИС-мониторинг лесных пожаров – просто космос!

Если на Кипре с апреля по сентябрь длится туристический сезон, то в России – сезон лесных пожаров. Каждый год в нашей стране регистрируется от 9 тысяч до 35 тысяч лесных пожаров площадью до 10 млн гектаров (что сравнимо с площадью Исландии). Чем раньше удается зафиксировать пожар и отреагировать на него, тем меньше ущерба он принесет – природе, людям, экономике.

Какие технологии для этого используются сегодня и при чем тут космос, рассказывает Евгений Пономарев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории мониторинга леса Института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения РАН, Федерального исследовательского центра КНЦ СО РАН (Красноярск), доцент Сибирского федерального университета.

– Что такое мониторинг лесных пожаров?

Мониторинг лесных пожаров – это система контроля за возникновением, развитием, локализацией и тушением пожаров. Существует несколько таких федеральных систем. Одна принадлежит Рослесхозу , вторая – МЧС (там пожары рассматриваются как чрезвычайные ситуации, угрожающие населению или объектам инфраструктуры). Ну и у нас, Института леса Сибирского отделения Российской академии наук, есть своя система мониторинга – база данных пожаров для научных целей. Мы собираем достаточно большой объем сопроводительных данных: точка пожара, дата его регистрации, наблюдение за тем, как он развивался, когда был локализован. Для этого мы используем несколько спутников метеорологического назначения. У них есть большое преимущество: они позволяют осматривать территории с высокой периодичностью – каждые 4-6 часов. Термически активные точки – там, где горит лес, – на изображениях засвечиваются. Спутники высокого разрешения дают информацию раз в неделю или раз в две недели – для мониторинга пожаров этого недостаточно. Но везде есть и плюсы, и минусы. У метеорологических спутников низкое пространственное разрешение, и всегда есть вероятность, что самые маленькие пожары не будут зафиксированы. Но эти технические вопросы мы научились корректировать.

– Когда была создана эта система?

Научная база данных пожаров нашего института существует с 1996 года. Это была первая подобная система в России. Потом, в начале 2000-х, МЧС начали использовать спутниковую информацию. ИСДМ-Рослесхоз (Информационная система дистанционного мониторинга) тоже появилась в начале двухтысячных. До этого в стране существовали системы наземного и авиационного наблюдения пожаров, и они работали достаточно эффективно.

Сегодня у нас в стране существует три зоны мониторинга пожаров. Это зона наземного обследования – там, где широко развита дорожная сеть, где легко можно добраться и посмотреть. Это наиболее населенные участки: европейская часть, лесные территории вдоль Транссиба. Затем, официально выделена зона авиационного наблюдения. И третья зона – это зона спутникового мониторинга: Сибирь, Дальний Восток, причем северная часть. Наземного патрулирования там не может быть потому, что это труднодоступные территории: там и население очень редкое, и дорог никаких нет. Авиационное патрулирование тоже не всегда возможно: летать туда далеко и сложно. В советское время существовали авиаотделения даже в этих северных районах Сибири, но сегодня они закрыты. И тут на помощь приходит спутник.

– За чем еще, кроме пожаров, можно наблюдать с помощью космоснимков?

Спутниковый мониторинг – это современное перспективное направление. Весь мир идет к тому, что спутниковые данные должны заменить натурные наблюдения, когда ученые едут в какую-то точку, что-то измеряют и потом экстраполируют это на прилежащую территорию. Таких точек может быть одна-две-три, а со спутника мы видим их миллион на одном изображении.

Космоснимки позволяют оценить состояние лесов по различным вегетационным индексам – показателям, которые вычисляются на основе съемки в разных спектральных диапазонах и дают информацию о характеристиках растительности. Можно оценить послепожарное состояние нарушенных участков леса, процессы восстановления леса, выявить зоны, пострадавшие от насекомых-вредителей. После любого воздействия меняются спектральные характеристики лесов: скажем, опала хвоя – на спутниковом изображении они будет уже совсем другими. Вырубки тоже хорошо отслеживаются со спутников.

– Как, по вашим наблюдениям, изменяется лес в последние годы? Что происходит и что будет происходить?

Лес – это живой организм, он всегда меняется. Сейчас мы наблюдаем достаточно сильное антропогенное воздействие. Это связано с тем, что осваиваются территории, на которых раньше не было человека: разрабатываются месторождения, строятся нефтепроводы, проводятся все более масштабные вырубки. Ну и пожары связаны с воздействием человека.

Да, лес меняется. Ненарушенных лесов практически нет. Пирологи (специалисты, изучающие пожары) утверждают, что у нас все леса – вторичны, то есть все они когда-то выгорали, отмирали. А потом это все восстанавливалось. Природа может восстановить то, что было нарушено. Другой вопрос, что сейчас воздействие человека слишком сильно , и нарушения накапливаются. Если посмотреть любой снимок Приангарья, где вырубается достаточно много леса, – вы увидите «шахматную доску»: вырубленный участок, не вырубленный участок. Естественно, все это не проходит бесследно.

– Есть ли, по-вашему, связь между вырубками и числом пожаров или еще какие-то закономерности?

Там, где вырубается лес, повышается уровень природной пожарной опасности, то есть предрасположенности леса к горению. Изначально этот уровень везде разный: с сосновых лесах – один, в темнохвойных – другой. Там, где происходят вырубки, как правило, остается большое количество горючего материала (веточки, порубочные остатки и т. д.). И если его правильно не утилизировать, он становится фактором повышенной пожарной опасности.

Леса, поврежденные насекомыми-вредителями, стоят сухие. Накапливается опад хвои, веточек, отпадает сухой древостой, и все это тоже способствует повышению уровня пожароопасности и может привести к возникновению крупных пожаров.

– Где обычный человек, не ученый, может найти информацию о том, что происходит с лесами?

Много спутниковых данных есть в свободном доступе на ресурсах НАСА. Найти их несложно: достаточно в поисковике набрать «Satellite data», и они появятся в первых ссылках. Любой желающий, зарегистрировавшись на этих сайтах, может находить космоснимки и разглядывать их. Скажем, вас интересует конкретный участок леса возле такого-то поселка – можно попытаться его найти, и даже в определенные даты.

Существует и отечественная спутниковая информация, но тут сложнее, любому пользователю получить ее не удастся. Роскосмос предоставляет данные высокого пространственного разрешения только организациям, которые работают на уровне федеральных органов власти. Например, если у нас есть заказ от правительства Красноярского края, то мы можем запросить у Роскосмоса информацию согласно этому заказу. Просто так они ее не предоставят.

Что касается тематической информации, есть сервер Рослесхоза с информацией о пожарах, есть сервер МЧС . Существует ресурс kosmosnimki.ru . Ну а та информация, которую получает наш Институт леса, нигде не публикуется. Мы ее обрабатываем, наши статьи доступны, но сами спутниковые снимки мы не распространяем – это не входит в круг наших задач.

– Допустим, человек нашел снимки на серверах НАСА. Сможет ли он их прочитать, или этому нужно специально учиться?

Если человек имеет хотя бы начальные географические познания, то он сможет опознать известные объекты: например, озеро Байкал, сеть рек и водохранилищ. Но, конечно, для неподготовленного глаза спутниковая информация – это красивая, но непонятная мозаичная картинка. Естественно, нужно иметь некоторый навык, чтобы читать ее .

Спутники снимают в разных спектральных диапазонах, в том числе в не видимых человеческому глазу. Поэтому изображение космоснимка на компьютере имеет условные цвета. Специальное программное обеспечение позволяет преобразовывать, классифицировать характеристики отдельных пикселей и выдавать результат: например, выделять пиксели, где существует пожар, где нарушены участки леса и т. д.

Существуют специализированные курсы в образовательных учреждениях, на которых учат читать космоснимки. Есть форумы, посвященные геоинформационным технологиям: можно набрать в поисковике «GIS» и найти много и русскоязычных, и англоязычных ресурсов. Есть и каналы на YouTube о работе со спутниковой информацией.

– Можно ли стать вашим волонтером? Как это сделать?

У нас пока нет волонтерских программ, но над этим можно подумать. Например, спутник может дать нам карту растительности всей России. Но всегда необходимо проводить калибровку и валидацию, то есть проверку результатов обработки спутниковых данных. Тут не обойтись без хотя бы точечных обследований отдельных участков на земле. И помощь волонтеров была бы полезны. В мире это называется «Citizen science» (гражданская наука) – когда не научные сотрудники, а просто люди сообщают определенные сведения, и все это потом стекается в большую базу данных. Можно придумать такую программу.

Беседовала Наталья Захарова

Присоединяйтесь к онлайн-марафону «Добавь зеленого»!
Давайте вместе сохранять и восстанавливать леса, делать окружающую среду красивой, комфортной и живой!

Источник

Где сейчас горят леса? Онлайн карта пожаров России

Напряженная ситуация, связанная с пожарами лесов в Сибири (Иркутская область, Красноярский край, Якутия, Бурятия), привлекла к себе самое пристальное внимание общественности. Площадь пожаров заняла огромные территории, дым от горения древесины стремительно распространяется и отчетливо заметен из космоса в виде дымовых шлейфов.

Лидер в сфере спутникового мониторинга компания «Сканэкс» проводит мониторинг пожаров в России, начиная с 2004 г. В своей работе специалисты компании используют данные спутниковой съемки, что позволяет им получать данные об очагах возгорания в режиме реального времени. Эти данные оперативно обрабатываются и накладываются на онлайн Карту пожаров, которую вы можете рассмотреть внимательно прямо сейчас:

Данная карта интерактивна: вы можете перемещаться по ней при помощи мыши, а также изменять масштаб вращением колёсика.

Кликнув на любой кластер, вы получите подробные данные:

1. Число термоточек, входящих в его состав.
2. Дату наблюдения.
3. Координаты.

В среднем периодичность обновления данных Карты пожаров составляет от двух до шести раз в сутки и зависит от времени пролета космических спутников наблюдения. То есть фактически с её помощью вы можете оперативно узнать где именно сейчас, сегодня, в данный момент времени горит лес в России, и в какой точке страны ситуация наиболее критичная.

Источник

Оценка пожаров по космическим снимкам

В 2019 году Россию охватил ужасный катаклизм – лесные пожары. Они возникали по разным причинам: засуха, высокая температура и сильные ветра, и даже поджоги. Бытует мнение, что пожарами в Иркутской области (пропорционально общей площади самый пострадавший регион) пытались скрыть незаконные вырубки леса. Общая площадь пожаров в России составила больше 2 миллионов гектар, а экономический ущерб составил более 7 млрд. рублей. И это только прямой урон. Пожары также влияют на состояние качества воздуха, на здоровье людей и животных и уничтожают их естественные места обитания и тд.

Данная проблема наблюдается не только в России. Площадь пожаров в США за последние 10 лет составила больше 10 млн гектар и с каждым годом пожары все масштабнее.

Одним из самых страшных годов в США стал 2015. Тогда лесные пожары почти полностью опустошили Национальный парк Глейшер (площадь более 4 тысяч кв.км.) в штате Монтана (США). Ущерб был колоссальный, и восстановление происходит и по сей день. После пожаров управление парка решило измерить площади поврежденных участков, чтобы на основании данных о площади гарей планировать работы по восстановлению растительности. Пожары присутствуют в экологии этой местности как естественный природный фактор, но отслеживание их масштабов весьма важно для служб управления лесами. Наиболее практичным способом по мониторингу последствий пожаров и планированию восстановительных мер является использование данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Используя ПО ArcGIS и спутниковые изображения Landsat 8 до и после пожаров, восстановили процесс оценки, вычислили нормализованный индекс гарей (NBR — Normalized Burn Ratio) и составили тематическую карту.

Рис.1. Изображение Национального парка Глейшер

Для проведения проекта мы подобрали два снимка до и после пожаров.

Рис.2 Космический снимок Landsat-8, август 2014 г.

Гористая местность отличается наличием долин и озер. Некоторые горные хребты покрыты снегом, а иные закрыты облаками. Космический снимок сделан в августе и в горах могут быть ледники. Также мы видим довольно густой растительный покров. Тип растительности и уклон влияют на лесные пожары, особенно на скорость их распространения. Так территория выглядела в 2014 году, до пожаров Reynolds Creek и Thompson. Теперь посмотрим на космоснимок 2015 года.

Рис.3 Космический снимок Landsat-8 2015 г.

У снимка 2015 два чётких отличия от снимка 2014 года. Во-первых, большое серое облако покрывает середину южной части снимка. На самом деле, это дым пожара Thompson, который в то время ещё горел. Во-вторых, левее и выше озера посередине северной части снимка видим длинную красноватую полосу — гарь пожара Reynolds Creek, который к этому моменту уже потух. И хотя мы видим оба пожара, их границы требуют уточнения. Далее изменим комбинацию каналов снимков, чтобы выделить пожары.

Landsat-8 (Ландсат-8) комбинация каналов

На снимках Landsat захватываются различные сектора электромагнитного спектра, в том числе и невидимые для человеческого глаза. Диапазоны длин волн называются спектральными каналами. Каналы описаны в следующей таблице:

Таблица №1. Спектральные каналы Landsat-8 (Ландсат-8)

Каналы 2, 3 и 4 (синий, зеленый и красный) представляют видимую часть спектра. Сочетание каналов «Естественные цвета», обычно используемое в снимках, комбинирует эти каналы таким образом, чтобы изображение выглядело так, как его видит человеческий глаз. Далее мы изменим комбинацию каналов снимков, чтобы выделить пожары и сделать их очертания более различимыми. Рассмотрим некоторые из них:

Инфракрасный цвет Данная комбинация строится из ближнего инфракрасного, красного и зеленого каналов (3, 4 и 5)

Рис.4. Космический снимок в Инфракрасном цвете

На этом снимке растительность показана красным. Обе области гарей показаны темно-коричневым. По сравнению с исходным изображением, гари видны более чётко, особенно Reynolds Creek к северу от озера. Но гарь Thompson всё ещё заслонена дымом. Теперь поэкспериментируем с комбинацией, использующей Коротковолновые инфракрасные каналы (6 и 7), которые проникают сквозь облака.

Поверхность суши/воды
Рис.5. Космический снимок в комбинации «Поверхность суши/воды»

Хотя основное предназначение данной комбинации разграничивать сушу и воду, она также проникает сквозь дымку (в данном случае дым). Теперь в окрестностях гари Thompson дыма почти не видно, и её границы видны гораздо чётче. Но выгоревшие территории показаны оранжевым, а окружающие горные склоны – жёлтым. Из-за этого гарь Reynolds Creek, которая распространена в горах, стало хуже видно.

Данная комбинация использует Красный, Ближний инфракрасный и Коротковолновый инфракрасный 1 каналы (4, 5, 6). Таким образом, здесь сочетается выделение растительности в Инфракрасном цвете и улучшенная проницаемость дымки из комбинации каналов Поверхность суши/Воды. Хотя вокруг гари Thompson видна небольшая дымка, а гарь Reynolds Creek местами сливается с горными склонами, эти проблемы не столь критичны, как в предыдущих комбинациях.

Рис.6 Космический снимок в комбинации «Анализ растительности»

Если бы можно было немного уменьшить дымку, то такое изображение лучше всего подошло для оцифровки гарей. Но ни одна из оставшихся предлагаемых по умолчанию комбинаций не сделает это лучше, чем уже просмотренные. Для того, чтобы изображение соответствовало нашим требованиям, создадим пользовательскую комбинацию каналов.

Создание пользовательской комбинации каналов Landsat-8

Комбинация «Анализ растительности» использует канал «Коротковолновый инфракрасный 1» для сокращения дымки и каналы «Ближний инфракрасный» и «Красный» для выделения растительности. Переключение «Коротковолнового инфракрасного 1» на «Коротковолновый инфракрасный 2» улучшит проникновение сквозь дымку (или облака). Также заменим «Красный» канал на «Синий» в данной комбинации. Изображение на карте слегка изменится. Дымка всё ещё видна, но существенно уменьшилась.

Рис.7 Космический снимок в пользовательской комбинации

И так, мы получили пользовательскую комбинацию каналов, на которой четко видны участки гари.

Теперь, чтобы оценить площади гари, воспользуемся уравнением для количественного определения выгоревших территорий. Это нормализованный индекс гарей (Normalized Burn Ratio – NBR). В нем для определения серьёзности гари математически сравниваются «ближний инфракрасный» и «коротковолновый инфракрасный 2» каналы (соответственно, каналы 5 и 7). Затем мы сравним NBR на снимках 2014 и 2015 гг., чтобы вычислить изменения NBR, показывающие только территории, которые выгорели между датами, когда были сделаны эти два снимка. И далее оцифруем эти области.

Вычисление нормализованного индекса гарей

Мы дважды вычислим NBR: один раз для снимка 2014 года и один – для снимка 2015 года. Для вычисления будет использоваться инструмент геообработки Калькулятор растра со следующим выражением:

NBR = (Канал 5 — Канал 7)/(Канал 5 + Канал 7)

Чтобы выражение работало, надо извлечь используемые в вычислении каналы (5 и 7) из исходных данных.

Добавим в проект только «ближний инфракрасный» и «коротковолновый инфракрасный 2» каналы обоих снимков. Далее воспользуемся Калькулятором растров. Этот инструмент позволяет создавать новые наборы растровых данных на основании выражения для вычисления значений его пикселов. Выражение можно строить со снимками, присутствующими в проекте, включая отдельные каналы снимков гарей. Этот инструмент мы запустим дважды – для каналов 2014 и 2015 годов – с использованием следующего выражения: (Канал 5 — Канал 7)/(Канал 5 + Канал 7). После выполнения операции новое изображение добавится в проект. Как и каналы, новый слой получился чёрно-белым; он даёт немного информации о гарях. Очертания гарей станут очевидными лишь после сравнения NBR между 2014 и 2015 гг.

Рис.8. Результат вычисления нормального индекса гари

Когда нормальный индекс гари вычислен для обоих снимков, их нужно сравнить также через калькулятор растров. Сделав это, удалим те области, которые не горели в период между 2014 и 2015 гг.; на изображении останутся только области гарей.

Рис.9. Результат сравнения нормального индекса гари за 2014 и 2015 года

Теперь гари показаны почти сплошной белой заливкой, резко выделяющейся на фоне окружающих серых и чёрных территорий. Остались ещё белые заснеженные вершины, но их сложно перепутать с гарями. Контраст можно усилить, поменяв символы изображения.

Рис.10. Результат сравнения нормального индекса гари за 2014 и 2015 года (более контрастный)

Обе гари теперь видны на карте очень хорошо.

Оцифровка выгоревших территорий

Теперь у вас есть достаточно четкое изображение с гарями, которые можно оцифровать как векторные объекты. Сначала надо создать класс пространственных объектов, а затем при помощи инструментов редактирования оцифровать приблизительные границы обеих гарей.