CC BY
60
УДК 528.94
КАРТОГРАФО-КОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ ПРИБАЙКАЛЬЯ
Леонид Александрович Пластинин
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (3952)405-105, e-mail: [email protected]
Борис Николаевич Олзоев
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (3952)40-51-05, e-mail: [email protected]
Хоанг Зыонг Хуан
Иркутский Национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, аспирант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (924)700-57-73, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены вопросы применения космических снимков Landsat для картографирования ареалов горелых лесов в Прибайкалье.
Ключевые слова: космический мониторинг, лесные пожары, Прибайкалье.
CARTOGRAPHY AND REMOTE SENSING FOREST FIRES IN THE BAIKAL REGION
Lеоnid A. Plastinin
Irkutsk national research technical university, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontov St., Ph. D., prof. of the Department of Mine survey and Geodesy, tel. (3952) 40-51-05, e-mail: [email protected]
Boris N. Olzoev
Irkutsk national research technical university, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontov St., Candidate of Geographical Sciences, ass. prof. of the Department of Mine survey and Geodesy, tel. (3952)40-51-05, e-mail: [email protected]
HoangDuongHuan
Irkutsk national research technical university, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontov St., postgraduate student of the Department of Mine survey and Geodesy, tel. (924)700-57-73, e-mail: [email protected]
The article to questions of application Landsat satellite images for mapping of burnt areas of forests in the Pribaikalye.
Key words: space monitoring, forest fires, Pribaikalye.
Лесные пожары - очень страшное бедствие, которое уничтожает деревья, кустарники, фауну, заготовленную древесину, сооружения и населенные пункты. Лесной пожар это большая опасность для людей и животных. Для его предотвращения необходимо заниматься мониторингом и прогнозированием лес-
ных пожаров. Один из вариантов слежения за площадью сгоревшего и еще горящего леса, скоростью и направлением огня это космические снимки.
По спутниковым системам Ьапёва1-7 и Ьапёва1-8 был сформирован набор космических снимков в районе центральной экологической зоны Байкальской природной территории (ЦЭЗ БПТ) в период с 1 июня по 13 сентября 2015 г. Анализ снимков показал, что пожар в начальной стадии был низовым и напочвенным. Во второй половине июля пожар преимущественно был верховым, что нанесло большой ущерб лесным угодьям Иркутской области и Республики Бурятия. По снимкам была определена площадь горелых лесов за каждый месяц. В июне площадь выгоревшего леса составляла около 1500 гектаров, с июля по август наблюдается резкое увеличение площади и к середине сентября площадь превысила более 500 тысяч гектаров. Для определения этих цифр необходимо было провести обработку космических снимков.
Иллюстрация динамики суммарных значений площадей гарей в ЦЭЗ БПТ по каждому месяцу приведена на рис. 1.
600000 500000 400000 300000 200000 100000 0
Июнь Июль Август Сентябрь
Площадь, га 1546,11 22929,93 305123,49 574651,98
Рис. 1. Динамика суммарных значений площадей горелых участков леса и напочвенного леса по месяцам в ЦЭЗ БПТ
На первом этапе были составлены синтезы снимков для визуальной оценки очагов огня и сгоревших участков. Видимая зона спектра очень узка и имеет весьма резкие границы, определяемые свойствами органа зрения человека, мы в ней можем увидеть только дым и его направление. Для определения очагов огня сформирован синтез тепловой, ближний и средний инфракрасные зоны спектра. На данных снимках исчезает задымленность, и очаги огня показаны ярким цветом. Для определения площади горелого леса используется синтез в средней, ближней инфракрасной и зеленой зонах спектра.
Различные варианты синтеза космоснимков в разных диапазонах спектра на территорию Приольхонья, которые позволили определить непосредственные
очаги пожара (а), общее задымление района пожара (б), представить ареалы полностью сгоревшего леса, частичные участки гари, очаги верхового и низового пожара (в) (рис. 2).
а б в
Синтез 10:6:7 Синтез 4:3:2 в красной, Синтез 7:5:3
в тепловой, ближней и зеленой, синей зонах в средней и ближ-средней ИК зонах спектра ней ИК, зеленой зо-
спектра нах спектра
Рис. 2. Синтезированные изображения снимков, полученных 18 июня 2015 г. с о спутника Landsat 8 на районе Приольхонья
Одновременно с анализом синтезированных космических снимков, были выполнены измерения температур (T) земной поверхности в районе очагов пожаров (рис. 3). При этом колебания температур находились в пределах 90-100 градусов в районе очагов пожара (а), на окраине границ пожара 30-40 градусов (б), на лесных негорелых участках 20-25 градусов (в) и на водной поверхности Байкала 10-15 градусов
Рис. 3. Результат анализа температуры земной поверхности в районе очагов пожаров
Характерным признаком растительности и ее состояния является спектральная отражательная способность, характеризующаяся большими различиями в отражении излучения разных длин волн. Знания о связи структуры и состояния растительности с ее отражательными способностями позволяют использовать космические снимки для идентификации типов растительности и их состояния. В настоящее время существует около 160 вариантов вегетационных индексов. Они подбираются экспериментально (эмпирическим путем), исходя из известных особенностей кривых спектральной отражательной способности растительности и почв. Наиболее популярный и часто используемый вегетационный индекс - NDVI (Normalized Difference Vegetation Index).
Индекс NDVI - нормализованный относительный индекс растительности, простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы. Индекс для решения задач, использующих количественные оценки растительного покрова. Вычисляется как разность отражения ближней инфракрасной области спектра и красной области спектра, нормализованный на их сумму. Индекс выдает близкое к нулю или отрицательное значение в точках, где растительности нет.
Участки лесной растительности, пройденные пожарами, характеризуются пониженной спектральной яркостью в ближней инфракрасной зоне. Это объясняется уменьшением содержания хлорофилла в вегетативных органах усыхающих деревьев. Также для гарей характерно повышение спектральной яркости в средней инфракрасной зоне. Оно, в свою очередь, объясняется уменьшением содержания влаги в листьях или хвое. Для выявления гарей используется индекс — NBR (Normalized Burn Ratio).
Индекс NBR - нормализованное отношение выгорания, помогает выявить границы гарей, так же называется «нормализованным разностным индексом гарей». Вычисляется как разность отражения в ближнем и среднем инфракрасных спектральных каналов, нормализованный на их сумму. Этот индекс выдает значение меньше -0,6 в точках, где произошло полное выгорание растительности.
По данным этих двух индексов строятся графики. На графике кривой NDVI показывается соотношение пикселей к индексу растительности. Можно было увидеть, что пик приходится на значение около -0,08 (восемь сотых), которое соответствует выгоревшему лесу. На графике кривой NBR показано соотношение пикселей к индексу растительности, на котором было видно, что пик приходится на значение около -0,08(восемь сотых), которое соответствует выгоревшему лесу. Такой подход необходим для составления карт лесистости и санитарного состояния лесов.
В основном очаги пожаров были приурочены к Приморскому, Байкальскому, Баргузинскому хребтам.
На основе анализа материалов мозаики (космокарт), смонтированных из космических снимков Landsat 7-8, определены ареалы распространения пожаров с 15 июля по 10 сентября 2015 г., отображенные на представленной карте (рис. 4). По карте можно выявить общие экстраполяционные признаки возникновения пожаров, которые возникли на склонах преимущественно в верховьях
крупных и средних рек, где наблюдались минимальные водные ресурсы, что создало благоприятные условия для больших пожаров.
>ди участков горелого леса За июнь 2015 года За июль 2015 года
За август 2015 года За сентябрь 2015 года Границы заповедников Границы национальных парков Границы заказников
Граница Центральной экологической зоны БПТ
Административные границы
Населенные пункты
Железные дороги
Автомобильные дороги
Реки
Озера, водохранилища
Рис. 4. Фрагмент оперативной карты динамики лесопожарной обстановки в ЦЭЗ БПТ
Таким образом, были получены следующие результаты и сформулированы выводы:
- совместная обработка синтезов космических снимков и индексных изображений (NDVI, NBR) позволяет четко разграничить участки и определить площадь полностью и частично горелого леса;
- на синтезе снимков в тепловой, ближней и средней ИК зонах спектра видны очаги пожара, по которому можно оценить площадь и местоположение этого очага, что определяет мероприятия по ликвидации пожара и доступности к данной территории;
- по спектральным кривым индексных изображений NDVI и NBR можно увидеть пики (максимумы), которые соответствуют преобладающему значению каждому из индексов, что позволяет определить площадь выгоревшего леса.
Таким образом, оперативные геоинформационные и космические технологии, применяемые при оценке последствий лесных и напочвенных пожаров, позволяют получать достоверные и объективные результаты, которые могут быть использованы для создания карт потенциальной пожароопасности и проведения обязательных лесохозяйственных мероприятий в целях предупреждения пожаров.
© Л. А. Пластинин, Б. Н. Олзоев, Хоанг Зыонг Хуан, 2016
