Применение спутниковой съёмки при обнаружении природных пожаров
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. РАЗВИТИЕ СПУТНИКОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИРОДЫХ ПОЖАРОВ 7
1.1 Основные этапы развития спутникового обнаружения природных пожаров 7
1.1.2 Развитие технологий 8
1.1.3 Интеграция данных и развитие алгоритмов 9
1.1.4 Современные тенденции 10
1.2 Спутниковое обнаружение природных пожаров в настоящее время 11
1.2.1 Использование спутников на геостационарных и полярных орбитах 13
1.2.2 Действующие метеорологические спутники и приборы 15
1.2.3 Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR) 16
1.2.4 Использование канала 3.9 мкм 17
1.2.5 Использование дополнительных каналов 19
1.2.6 Спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) 20
1.2.7 Комплект радиометров для визуализации в видимом инфракрасном диапазоне
(VIIRS) 21
1.3 Ограничения работы датчиков VIS/IR 22
2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ СПУТНИКОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ
ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ 24
2.1 Методы спутникового обнаружения лесных пожаров 24
2.1.1 Использование геостационарных спутников для непрерывного наблюдения 24
2.1.2 Тепловая инфракрасная (TIR) детекция 25
2.1.3 Детекция видимого и ближнего инфракрасного (VIS/NIR) излучения 27
2.1.4 Использование индекса термической мощности пожара (FRP - Fire Radiative
Power) 29
2.1.5 Анализ изменений в нормализованном индексе растительности (NDVI) 31
2.1.6 Использование алгоритмов автоматического обнаружения пожаров (AFD -
Automated Fire Detection) 32
2.2 Виды природных пожаров 33
2.2.1 Низовые пожары 34
2.2.2 Верховые пожары 35
2.2.3 Почвенные пожары 37
2.3 Описательные характеристики последствий природного пожара 38
2.3.1 Интенсивность пожара 39
2.3.2 Степень тяжести пожара 40
2.3.3 Тяжесть ожогов 41
2.4 Синоптические условия, благоприятствующие возникновению природных
пожаров 43
2.5 Обнаружение природных пожаров в Российской Федерации 45
3. ОБНАРУЖЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ 48
3.1 Предварительный анализ спутниковых данных 48
3.2 Тематическая обработка спутниковых изображений, расчет и анализ индексов
NDVI и FRP 49
3.3 Анализ синоптических условий 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 79
1. РАЗВИТИЕ СПУТНИКОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИРОДЫХ ПОЖАРОВ 7
1.1 Основные этапы развития спутникового обнаружения природных пожаров 7
1.1.2 Развитие технологий 8
1.1.3 Интеграция данных и развитие алгоритмов 9
1.1.4 Современные тенденции 10
1.2 Спутниковое обнаружение природных пожаров в настоящее время 11
1.2.1 Использование спутников на геостационарных и полярных орбитах 13
1.2.2 Действующие метеорологические спутники и приборы 15
1.2.3 Усовершенствованный радиометр очень высокого разрешения (AVHRR) 16
1.2.4 Использование канала 3.9 мкм 17
1.2.5 Использование дополнительных каналов 19
1.2.6 Спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) 20
1.2.7 Комплект радиометров для визуализации в видимом инфракрасном диапазоне
(VIIRS) 21
1.3 Ограничения работы датчиков VIS/IR 22
2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ СПУТНИКОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ
ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ 24
2.1 Методы спутникового обнаружения лесных пожаров 24
2.1.1 Использование геостационарных спутников для непрерывного наблюдения 24
2.1.2 Тепловая инфракрасная (TIR) детекция 25
2.1.3 Детекция видимого и ближнего инфракрасного (VIS/NIR) излучения 27
2.1.4 Использование индекса термической мощности пожара (FRP - Fire Radiative
Power) 29
2.1.5 Анализ изменений в нормализованном индексе растительности (NDVI) 31
2.1.6 Использование алгоритмов автоматического обнаружения пожаров (AFD -
Automated Fire Detection) 32
2.2 Виды природных пожаров 33
2.2.1 Низовые пожары 34
2.2.2 Верховые пожары 35
2.2.3 Почвенные пожары 37
2.3 Описательные характеристики последствий природного пожара 38
2.3.1 Интенсивность пожара 39
2.3.2 Степень тяжести пожара 40
2.3.3 Тяжесть ожогов 41
2.4 Синоптические условия, благоприятствующие возникновению природных
пожаров 43
2.5 Обнаружение природных пожаров в Российской Федерации 45
3. ОБНАРУЖЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ 48
3.1 Предварительный анализ спутниковых данных 48
3.2 Тематическая обработка спутниковых изображений, расчет и анализ индексов
NDVI и FRP 49
3.3 Анализ синоптических условий 64
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 79
По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО), частота и интенсивность природных пожаров увеличивается во многих регионах мира из-за изменения климата, экстремальных погодных условий и человеческой деятельности, такой как вырубка лесов и несанкционированные сжигания. Это создает потребность в эффективных методах обнаружения пожаров для быстрого реагирования и минимизации ущерба.
Российская Федерация занимает ведущее место в мире по площади лесных массивов. По данным Федерального агентства лесного хозяйства (Рослесхоз), леса покрывают около 8.8 миллионов квадратных километров, что составляет примерно 49% территории страны. Это эквивалентно 20% всех лесов мира, что делает Россию лидером по площади лесных ресурсов.
Леса имеют огромное экономическое значение. К примеру, деревообрабатывающая и бумажная промышленности России, полностью зависящие от лесных ресурсов, занимают немаловажное место в национальной экономике. Эти отрасли сильно зависят от стабильности структуры лесного хозяйства, поэтому сохранение и рациональное использование лесов критически важны для устойчивого развития страны.
Некоторые площади лесного фонда страны могут быть повреждены или уничтожены в результате природных пожаров. Раннее обнаружение активных очагов возгорания может существенно сократить ущерб и ограничить площадь пострадавших территорий. Настоящее исследование посвящено применению спутниковых методов дистанционного зондирования для своевременного выявления природных пожаров.
Спутниковая съемка предоставляет уникальную возможность наблюдать за природными территориями в реальном времени и в глобальном масштабе. Она позволяет оперативно обнаруживать пожары на больших территориях и в труднодоступных регионах, что делает ее важным инструментом в борьбе с природными пожарами.
В последние десятилетия произошел значительный прогресс в области обработки изображений, машинного обучения и анализа данных, что позволяет разрабатывать эффективные алгоритмы для автоматического обнаружения пожаров на спутниковых снимках с высокой точностью и скоростью.
Исследования в области обнаружения природных пожаров находят прямое применение в системах мониторинга и управления чрезвычайными ситуациями. Полученные результаты могут использоваться для предупреждения и тушения пожаров, а также для оценки их воздействия на окружающую среду, здоровье и безопасность людей. Развитие технологий спутникового обнаружения и совершенствование алгоритмов обработки данных откроют новые перспективы для более точного и оперативного обнаружения природных пожаров. Будущее развитие в этой области может включать использование искусственного интеллекта и машинного обучения для автоматической идентификации пожаров и прогнозирования их распространения.
Целью данной работы является апробирование различных методов тематической обработки спутниковых изображений и индексов в задачах обнаружения очагов возгорания, дымовых шлейфов и выгоревших областей. Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Формирование архива спутниковых снимков природных пожаров на основании данных ежедневной спутниковой съемки MODIS/Aqua, Terra - ресурс для скачивания спутниковых снимков LAADS Web EOSDIS;
2. Проанализировать синоптические условия, предшествующие возникновению природных пожаров;
3. Применить известные виды тематической обработки с целью улучшения дешифрирования различных аспектов природных пожаров с помощью программного пакета SNAP;
4. Рассчитать радиационные температуры с целью определения термических аномалий (пожаров) и получения маски пожаров с использованием программного пакета SNAP;
5. Рассчитать и проанализировать индексы NDVI (Normalized difference vegetation index) - нормированный относительный индекс растительности и FRP (Fire radiative power) - мощности теплового излучения пожара с использованием программных пакетов SNAP и ArcGIS для определения площади выгоревших участков, оценки интенсивности и возможного ущерба.
Российская Федерация занимает ведущее место в мире по площади лесных массивов. По данным Федерального агентства лесного хозяйства (Рослесхоз), леса покрывают около 8.8 миллионов квадратных километров, что составляет примерно 49% территории страны. Это эквивалентно 20% всех лесов мира, что делает Россию лидером по площади лесных ресурсов.
Леса имеют огромное экономическое значение. К примеру, деревообрабатывающая и бумажная промышленности России, полностью зависящие от лесных ресурсов, занимают немаловажное место в национальной экономике. Эти отрасли сильно зависят от стабильности структуры лесного хозяйства, поэтому сохранение и рациональное использование лесов критически важны для устойчивого развития страны.
Некоторые площади лесного фонда страны могут быть повреждены или уничтожены в результате природных пожаров. Раннее обнаружение активных очагов возгорания может существенно сократить ущерб и ограничить площадь пострадавших территорий. Настоящее исследование посвящено применению спутниковых методов дистанционного зондирования для своевременного выявления природных пожаров.
Спутниковая съемка предоставляет уникальную возможность наблюдать за природными территориями в реальном времени и в глобальном масштабе. Она позволяет оперативно обнаруживать пожары на больших территориях и в труднодоступных регионах, что делает ее важным инструментом в борьбе с природными пожарами.
В последние десятилетия произошел значительный прогресс в области обработки изображений, машинного обучения и анализа данных, что позволяет разрабатывать эффективные алгоритмы для автоматического обнаружения пожаров на спутниковых снимках с высокой точностью и скоростью.
Исследования в области обнаружения природных пожаров находят прямое применение в системах мониторинга и управления чрезвычайными ситуациями. Полученные результаты могут использоваться для предупреждения и тушения пожаров, а также для оценки их воздействия на окружающую среду, здоровье и безопасность людей. Развитие технологий спутникового обнаружения и совершенствование алгоритмов обработки данных откроют новые перспективы для более точного и оперативного обнаружения природных пожаров. Будущее развитие в этой области может включать использование искусственного интеллекта и машинного обучения для автоматической идентификации пожаров и прогнозирования их распространения.
Целью данной работы является апробирование различных методов тематической обработки спутниковых изображений и индексов в задачах обнаружения очагов возгорания, дымовых шлейфов и выгоревших областей. Для выполнения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Формирование архива спутниковых снимков природных пожаров на основании данных ежедневной спутниковой съемки MODIS/Aqua, Terra - ресурс для скачивания спутниковых снимков LAADS Web EOSDIS;
2. Проанализировать синоптические условия, предшествующие возникновению природных пожаров;
3. Применить известные виды тематической обработки с целью улучшения дешифрирования различных аспектов природных пожаров с помощью программного пакета SNAP;
4. Рассчитать радиационные температуры с целью определения термических аномалий (пожаров) и получения маски пожаров с использованием программного пакета SNAP;
5. Рассчитать и проанализировать индексы NDVI (Normalized difference vegetation index) - нормированный относительный индекс растительности и FRP (Fire radiative power) - мощности теплового излучения пожара с использованием программных пакетов SNAP и ArcGIS для определения площади выгоревших участков, оценки интенсивности и возможного ущерба.
Исследование, посвященное спутниковому обнаружению природных пожаров, представляет собой комплексный анализ развития и применения современных технологий дистанционного зондирования Земли. В ходе работы были рассмотрены основные этапы развития спутникового мониторинга лесных пожаров, начиная с пионерских исследований и заканчивая современными методами и инструментами.
Анализ эволюции технологий спутникового наблюдения показал значительный прогресс, начиная от первых экспериментов с использованием простых радиометров до современных
мультиспектральных и гиперспектральных сенсоров.
Современные методы спутникового обнаружения лесных пожаров показали высокую эффективность в раннем выявлении пожаров. Использование мультиспектральных и гиперспектральных данных, а также алгоритмов автоматической обработки позволяет оперативно выявлять очаги возгорания и оценивать их интенсивность.
Изучены методы тепловой инфракрасной детекции, a также использование видимого и ближнего инфракрасного излучения для идентификации пожаров. Проведен детальный анализ спутниковых снимков лесных пожаров на территории Якутии за выбранный период. В результате анализа изображений были отобраны и изучены 4 случая.
Использование откалиброванных данных первого уровня обработки прибора MODIS позволило получить высокоточную визуализацию пожароопасных областей и провести оценку параметров пожаров с помощью индексов NDVI и FRP.
Для достижения максимальной точности и оперативности обнаружения лесных пожаров необходимо интегрировать данные с различных спутниковых платформ, комплексно использовать разнообразные спектральные индексы и алгоритмы. Такой подход позволяет минимизировать ошибки и повысить надежность результатов.
Таким образом, исследование подтвердило значимость спутниковых методов для обнаружения и мониторинга природных пожаров и подчеркнуло необходимость дальнейшего развития технологий для улучшения их точности и оперативности.
Анализ эволюции технологий спутникового наблюдения показал значительный прогресс, начиная от первых экспериментов с использованием простых радиометров до современных
мультиспектральных и гиперспектральных сенсоров.
Современные методы спутникового обнаружения лесных пожаров показали высокую эффективность в раннем выявлении пожаров. Использование мультиспектральных и гиперспектральных данных, а также алгоритмов автоматической обработки позволяет оперативно выявлять очаги возгорания и оценивать их интенсивность.
Изучены методы тепловой инфракрасной детекции, a также использование видимого и ближнего инфракрасного излучения для идентификации пожаров. Проведен детальный анализ спутниковых снимков лесных пожаров на территории Якутии за выбранный период. В результате анализа изображений были отобраны и изучены 4 случая.
Использование откалиброванных данных первого уровня обработки прибора MODIS позволило получить высокоточную визуализацию пожароопасных областей и провести оценку параметров пожаров с помощью индексов NDVI и FRP.
Для достижения максимальной точности и оперативности обнаружения лесных пожаров необходимо интегрировать данные с различных спутниковых платформ, комплексно использовать разнообразные спектральные индексы и алгоритмы. Такой подход позволяет минимизировать ошибки и повысить надежность результатов.
Таким образом, исследование подтвердило значимость спутниковых методов для обнаружения и мониторинга природных пожаров и подчеркнуло необходимость дальнейшего развития технологий для улучшения их точности и оперативности.