CC BY
64
УДК 004.630
ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЕРОЯТНОСТИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
Елена Петровна Янкович
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, Россия,
г. Томск, пр. Ленина 30, старший преподаватель кафедры геологии и разведки полезных ископаемых, тел. (3822)42-14-64, e-mail: yankovich@tpu. ru
Николай Викторович Барановский
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, Россия,
г. Томск, пр. Ленина 30, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической и промышленной теплотехники, e-mail: firedanger@narod.ru
В настоящей работе показано применение географических информационных систем в сочетании с компьютерным моделированием в решении задач управления лесными пожарами. Разработаны дополнительные инструменты для оценки вероятности лесной пожарной опасности, обусловленной сфокусированным солнечным излучением, грозовой активностью и антропогенной нагрузкой. Созданы карты вероятностей пожарной опасности лесных кварталов на основе разработанной модели и специализированного программного обеспечения ArcGIS.
Ключевые слова: лесная пожарная опасность, геоинформационная система, вероятность.
GIS FOR ASSESSMENT AND DISPLAY
OF THE PROBABILITY OF FOREST FIRE DANGER
Elena P. Yankovich
National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Russia, Tomsk, 30 Lenin Avenue, senior teacher, Department of Geology and Prospecting, tel. (3822)42-14-64, e-mail: yankovich@tpu.ru
Nikolay V. Baranovskiy
National Research Tomsk Polytechnic University, 634050, Russia, Tomsk, 30 Lenin Avenue, Cand. of Phys.-Math. Sciences, Associate Professor, Power Engineering Institute, e-mail: firedanger@narod.ru
This paper shows application of geographic information system technologies in conjunction with computer-modeling to control forest fires. Additional tools were developed to assess the probability of forest fire danger caused by focused solar radiation, storm activity and anthropogenous loading. Fire danger probability maps of districts on the basis of the developed model and software ArcGIS were created.
Key words: forest fire danger, geographic information system, probability.
Оценка вероятности лесной пожарной опасности имеет большое значение в создании эффективной системы управления лесными пожарами. В данной работе использованы технологии географических информационных систем (ГИС) в сочетании с компьютерным моделированием в решение задач
управления лесными пожарами. Выявление лесных зон, которые имеют высокую вероятность возгорания лесных горючих материалов, является важным компонентом планирования борьбы с пожарами. Развитие геоинформационных технологий значительно облегчает этот процесс, позволяя создавать карты и анализировать факторы, обуславливающие возникновение пожаров на лесопокрытых территориях. В настоящее время многими исследователями разработаны модели оценки пожарной опасности для конкретного региона на основе факторов, влияющих на лесные пожары [1-6].
В статье обсуждается геоинформационная система, содержащая набор инструментов для определения уровня пожарной опасности лесного квартала, обусловленной как природными, так и антропогенными причинами. Система способна прогнозировать (определять вероятность) и классифицировать лесные кварталы по уровню пожарной опасности. В качестве пилотного исследования была проведена оценка лесной пожарной опасности Тимирязевского лесничества Томской области. Тимирязевский лесхоз (в настоящее время лесничество) Томского управления лесами расположен в междуречье двух больших рек, реки Оби и реки Томи на территории трех административных районов Томской области - Томского, Шегарского и Кожевниковского. Протяженность территории лесхоза с Севера на Юг - 64 км, с Запада на Восток - 50 км. Леса лесхоза в основном представлены единым лесным массивом, кроме обособленных припоселковых кедровников п. Зоркальцево, Нижне-Сеченово и Губино. По лесорастительному районированию Западной Сибири территория Тимирязевского лесхоза относится к зоне Южной тайги (Обско-Томского кедрово-соснового лесорастительного округа). По принятому Томским отделением Сибгипрозема агроклиматическому районированию Томской области территория лесхоза отнесена к умеренно-увлажненному району. Продолжительность вегетационного периода составляет 120 дней. На территории лесхоза почти 20% занимают болота, из которых мокрые составляют 35,5%. Преобладающей главной породой является сосна - 39,6%; Осина - 26,2% и береза - 21,2%; кедр, лиственница, ель и пихта составляют 13%.
В качестве платформы исследований было использовано программное обеспечение АгсОК, которое включает в себя интегрированный набор ГИС-приложений. Для хранения данных в ГИС была выбран формат базы геоданных [7]. Выбор данной модели был определен решаемыми задачами. Рассматриваемая система предназначена для количественной оценки уровня лесной пожарной опасности, обусловленной действием сфокусированного солнечного излучения, антропогенной нагрузкой и грозовой активностью, включающей методику классификации лесных массивов по их характеристикам (данные наземной таксации) и отображение данных дистанционного зондирования Земли из космоса в целях мониторинга лесной опасности.
Для проведения математического моделирования в ГИС осуществлена программная реализация математической модели, которая состоит из следующих программных модулей:
1) Модуль - количественной оценки лесной пожарной опасности, обусловленной сфокусированным солнечным излучением.
2) Модуль - количественной оценки лесной пожарной опасности, обусловленной антропогенной нагрузкой.
3) Модуль - количественной оценки лесной пожарной опасности, обусловленной грозовой активностью.
ГИС-система позволяет:
• определять пожарную опасность лесного выдела по лесотаксационным описаниям;
• проводить количественную оценку лесной пожарной опасности квартала обусловленной действием сфокусированного солнечного излучения (а также антропогенной нагрузкой и грозовой активностью);
• классифицировать лесные массивы по уровню пожарной опасности в условиях воздействия на лесной горючий материал концентрированных потоков солнечной энергии.
• создавать тематические карты по уровням лесной пожарной опасности квартала
Алгоритмы географической информационной системы количественной оценки лесной пожарной опасности реализованы на встроенном в ArcGIS языке Python.
Основная задача ГИС состоит в количественной оценке вероятности лесного пожара по лесотаксационным описаниям лесных участков, статистической информации с использованием данных дистанционного зондирования. Критерии оценки лесной пожарной опасности определяются на основе теории вероятности.
Компоненты системы:
• Подсистема ввода и хранения информации - файловая база геоданных, включающая классы пространственных объектов, космонимки, автономные таблицы.
• Подсистема визуализации и редактирования.
• Подсистема анализа, включающая набор дополнительных инструментов:
- Mapfiredanger.tbx - решает задачу оценки вероятности лесного пожара по лесотаксационным описаниям лесных участков;
- FFanthropo.tbx - решает задачу прогноза пожароопасности лесного квартала на основе информации о составе выделов и статистической информации о пожарах обусловленных антропогенной нагрузкой и отображение, полученной информации на карте;
- «FFstormactivity».tbx - решает задачу прогноза пожарной опасности лесного квартала на основе информации о составе выделов и статистической информации о пожарах обусловленных грозовой активностью и отображением, полученной информации на карте.
Входные данные:
• Полигональный класс пространственных объектов, содержащий информацию о территориальном местоположении лесных кварталов;
• Таблицы в формате MSExcel, с лесотаксационным описаниями лесных выделов;
• Файл шаблона слоя.
Выходными данными являются автономная таблица с оценкой вероятности пожарной опасности лесного квартала, карты иллюстрирующие уровни пожарной опасности (рис. 1).
Рис. 1. Оценка уровня пожарной опасности, обусловленной антропогенной нагрузкой с учетом лесорастительного состава выделов на территории Тимирязевского лесничества по дням недели
В работе были использованы различные геоинформационные инструменты для объединения параметров, необходимых для расчета уровня лесной пожарной опасности и создания карт пожарной опасности лесных кварталов. Обработка входных данных, вычисление промежуточных и конечных результатов проводились в среде ArcGIS.
На основе разработанной модели, включающей дополнительные инструменты для оценки вероятности лесной пожарной опасности, обусловленной сфокусированным солнечным излучением, грозовой активностью и антропогенной нагрузкой, созданы карты вероятностей лесной пожарной опасности. Система обладает дружественным интерфейсом
и позволяет пользователю изменять параметры по мере необходимости при определении пожарной опасности лесного квартала. Система может быть использована соответствующими органами при планировании борьбы с лесными пожарами и минимизации их последствий, так как позволяет оценить вероятность возникновения лесного пожара и отобразить на карте наиболее вероятные лесные зоны, которые могут пострадать от пожара рис. 2.
Рис. 2. Оценка уровня пожарной опасности, обусловленной сфокусированным солнечным излучением
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Canadian Forest Fire Danger Rating System / B. J. Stocks, M. E. Alexander, R. S. McAlpine еt al. Canadian Forestry service, 1987. 500 р.
2. Deeming I. E., Lancaster I. W., Fosberg M. A., Furman R. W., Schroeder M.HI. The National Fire-Danger Rating System. USDA Forest Service Research Paper RM-84 February, 1972. 165 p
3. Барановский Н. В., Жарикова М. В., Ляшенко Е. Н. Проект веб-ориентированной географической информационной системы прогноза лесной пожарной опасности с применением параллельных вычислительных технологий // Экологические системы и
приборы. 2012. -
№ 8. - С. 22-27
4. Kalabokidis K., Athanasis N., Karayiannis F. et al. Virtual Fire: A web-based GIS platform for forest fire control // Ecological Informatics. 2013. Vol. 16. P. 62-69.
5. Rodriguez-Aseretto D., de Rigo D., Di Leo M. et al. A Data-driven Model for Large Wildfire Behaviour Prediction in Europe // Procedia Computer Science. 2013. Vol. 18. P. 18611870.
6. Camia A., Barbosa P., Amatulli G., San-Miguel-Ayanz J. Fire danger rating in the European Forest Fire Information System (EFFIS): Current developments // Forest Ecology and Management. 2006. V. 234, suppl. 1. P. S20.
7. Зейлер М. Моделирование нашего мира. Руководство ESRI по проектированию базы геоданных. - ESRI, 1999. - 254 с.
© Е. П. Янкович, Н. В. Барановский, 2014
