Комплексное использование технологий геомониторинга и распараллеливания вычислительных операций для прогнозирования лесной пожарной опасности

Барановский Николай Викторович; Жарикова Марина Витальевна; Ляшенко Елена Николаевна

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГЕОМОНИТОРИНГА И РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЛЕСНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ

Николай Викторович Барановский

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель, тел. +73822655450, e-mail: [email protected]

Марина Витальевна Жарикова

Херсонский национальный технический университет, 73040, Украина, г. Херсон, Бериславское шоссе, 24, кандидат технических наук, доцент, доцент, тел. +380660657748, email: [email protected]

Елена Николаевна Ляшенко

Херсонский национальный технический университет, 73040, Украина, г. Херсон, Бериславское шоссе, 24, кандидат технических наук, доцент, тел. +380505008628, e-mail: [email protected]

В статье рассматривается концептуальный проект создания веб-ориентированной геоинформационной системы прогноза лесной пожарной опасности. Проведено предпроектное исследование. Предложена модель дифференцированной оценки лесной пожарной опасности по антропогенным и природным причинам. Рассматриваются проектные и технологические особенности реализации геоинформационной системы для визуализации посредством всемирной сети Интернет и организации прогнозного мониторинга на базе суперкомпьютеров и параллельных вычислительных технологий.

Ключевые слова: геоинформационная система, параллельные вычислительные

технологии, прогноз, лесная пожарная опасность.

COMPLEX USE OF TECHNOLOGIES OF GEOMONITORING AND PARALLELIZATION OF COMPUTING OPERATIONS FOR FORECASTING FOREST FIRE DANGER

Nikolay Viktorovich Baranovskiy

Cand. Phys.-Math. Sci., without a rank, senior lecturer, National research Tomsk polytechnic university, 634050, Russia, Tomsk, Lenin av, 30, +73822655450, firedan ger@,narod. ru

Marina Vitaljevna Zharikova

Cand. Tech. Sci., assistant professor, Kherson national technical university, 73040, Ukraine, Kherson, highway Berislavskoe, 24, +380660657748, [email protected]

Elena Nikolaevna Ljashenko

Cand. Tech. Sci., without a rank, assistant professor, The Kherson national technical university, 73040, Ukraine, Kherson, highway Berislavskoe, 24, +380505008628, [email protected]

In paper conceptual project of creation a web-oriented geoinformation system of the forecast of forest fire danger is considered. Predesign research is lead. The model of the differentiated estimation of forest fire danger for the anthropogenous and natural reasons is offered. Design and

technological features of realization of geoinformation system for visualization by means of a worldnet the Internet and the organizations forecasting monitoring are considered on the basis of supercomputers and parallel computing technologies.

Key words: geoinformation system, parallel computing technologies, forecast, forest fire danger.

Введение

В Российской Федерации ведутся работы по развитию Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров (ИСДМ-Рослесхоз) [1]. Система доступна только авторизованным пользователям. В тоже время в Южной Европе, США, Канаде прогнозная информация открыто размещается в сети Интернет [2]. Цель исследования - создание концептуального проекта веб-ориентированной географической информационной системы

детерминированно-вероятностного прогноза лесной пожарной опасности с привлечением технологий распараллеливания вычислений на суперкомпьютерах.

Предпроектное исследование

Министерство природных ресурсов Канады в настоящее время оперирует двумя национальными информационными системами для управления лесными пожарами [4]: канадская информационная система по лесным пожарам (Canadian Wildland Fire Information System - CWFIS) и система моделирования, мониторинга и картирования пожаров (Fire M3). Обе системы включают компоненты канадской системы оценки лесной пожарной опасности (Canadian Forest Fire Danger Rating System - CFFDRS) и используют движок системы пространственного управления пожарами (Spatial Fire Management System - sFMS) для получения, управления, моделирования, анализа и презентации данных.

Структура американской системы представляет собой абстрактную модель влияния различных факторов и условий на процесс возникновения и распространения пожаров. Система выдает четыре индекса [5]: индекс возникновения пожара по вине человека (Man-caused fire occurrence index -MCOI), индекс возникновения пожара в результате грозовой активности (Lightning-caused fire occurrence index - LOI), индекс горения (Burning index -BI) и индекс пожарной нагрузки (Fire load index - FLI).

В начале 2000-х годов была разработана так называемая Европейская система - European Forest Fire Risk Forecasting System (EFFRFS), которая применялась на территории Южной Европы. Основу системы составили методы, разработанные в Италии, Франции, Испании, Португалии [6] и канадский метод.

В 1999 году принят ГОСТ Р 22.1.09-99 “Мониторинг и прогнозирование лесных пожаров. Общие требования” [7] на основе КМП Нестерова.

Методика прогноза лесной пожарной опасности

Спектр событий возникновения лесных пожаров по различным причинам будет следующим [3]: A1 - умышленный поджог, А2 - небрежное обращение с огнем, А3 - сельскохозяйственные палы, A4 - влияние железной дороги, А5 -

влияние линий электропередач (ЛЭП), А6 - выжигания разлива нефти, А7 -влияние автомобильных трасс, А8 - падение ступени ракеты, А9 - аварии на технологических объектах, расположенных на лесопокрытых территориях, А10 - пожар в результате воспламенения от сфокусированного стеклянной бутылкой солнечного излучения, А11 - причина не установлена (так как возможны другие неустановленные причины), А12 - пожар от грозовой активности. Итоговая вероятность возникновения лесного пожара по совокупности причин

определится по формуле [3]:

12

Р(ЛП) = 1 -П(1 - Р(ЛЮ), (1)

1=1

где Р(ЛП;) - вероятность возникновения лесного пожара по конкретной причине.

Описание геоинформационной системы

Архитектура ГИС оценки лесной пожарной опасности основана на классическом шаблоне проектирования MVC (Model-View-Controller) и состоит из трех уровней [8]. Логическая часть разрабатываемой ГИС (уровень поведения) состоит из трех основных блоков, посвященных долгосрочному прогнозированию пожароопасности, краткосрочному прогнозированию

пожароопасности и расчету общей вероятности возникновения лесного пожара соответственно (рис.1). Для технической реализации ГИС был использован MapServer - это многофункциональная платформа для быстрого, легкого и эффективного распространения картографической информации, основанная на Map Guide Open Source [9].

Взаимодействие ГИС и параллельного программного комплекса

Параллельный программный комплекс (ППК) является ядром

информационно-вычислительной системы прогноза лесной пожарной опасности. Для визуализации результатов прогноза предлагается организовать взаимодействие ППК, работающего на многопроцессорной вычислительной системе (МВС), с веб-ориентированной географической информационной системой.

В ГИС планируется организовать тематические слои по визуализации расчетной информации по вероятности возникновения лесных пожаров по конкретной причине антропогенного характера, из-за грозовой активности или по неустановленным причинам.

Рис. 1. Архитектура ГИС прогноза лесной пожарной опасности

Заключение

Предполагается, что метеорологические данные системы получают не со станций учета метеорологических параметров (пространственное разрешение сети метеостанций особенно низко в районах Дальнего Востока и Севера), а путем интерактивного взаимодействия программного обеспечения прогноза лесной пожарной опасности и математического обеспечения, реализующего глобальные или мезомасштабные модели атмосферы. Это позволяет используя предсказанные поля метеопараметров прогнозировать уровень лесной пожарной опасности на определенный период.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Котельников Р.В., Сементин В.Л., Щетинский В.Е. и др. Применение информационной системы дистанционного мониторинга "ИСДМ-Рослесхоз" для определения пожарной опасности в лесах Российской Федерации: Учебное пособие. г. Пушкино (МО): ФГУ "Авиалесоохрана", 2009-2010. - 140 с.

2. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Прогноз возникновения лесных пожаров и их экологических последствий. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. 301 С.

3. Барановский Н.В. Модель дифференцированной оценки лесной пожарной опасности по антропогенным причинам // Безопасность жизнедеятельности. 2009. № 7. С. 49 - 53.

4. Lee B.S., Alexander M.E., Hawkes B.C., Lynham T.J., Stocks B.J., Englefield P. Information systems in support of wildland fire management decidion making in Canada // Computers and Electronics in Agriculture. 2002. Vol. 37. N 1-2. P. 185 - 198.

5. Deeming J.E., Burgan K.E., Cohen J.D. The national fire danger rating system. Ogden, Utah: USDA Forest Service, General Technical report. INT-39. 1978. 66 P.

6. Viegas D. X., Bovio G., Ferreira A., Nosenzo A., Sol B. Comparative Study of Various Methods of Fire Danger Evaluation in Southern Europe // International Journal of Wildland Fire. 1999. Vol. 9. N 4. P. 235 - 246

7. Нестеров В.Г. Горимость леса и методы ее определения. М.; Л.: Гослесбумиздат, 1949. 76 С.

8. Chandler C. Fire in Forestry, Vol. 1: Forest Fire Behavior and Effects /Chandler C., Cheney P., Thomas P., Trabaud L., Williams D. // John Wiley & Sons, New York, NY. 1983. 450 p.

9. Kropla B. Beginning MapServer. Open Source GIS Development. Apress. 2005. 400 P.