CC BY
71
УДК 528.873
Н.В. Трофимова, А.И. Сухинин
Институт леса им. В. Н. Сукачева СО РАН, Красноярск О.А. Дубровская
Институт компьютерных технологий СО РАН, Новосибирск ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ MODIS ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОЖАРНЫХ ЭМИССИЙ
N. V. Trofimova, A.I. Sukhinin
V.N. Sukachev Institute of Forest, Sb. Br. RAS, Russia Academgorodok, 50-28, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation O.A. Dubrovskaya
Institute of Computer Technologies Sb. Br. RAS, Russia, Novosibirsk
THE USE OF MODIS DATA FOR THE ESTIMATION OF WILDFIRE EMISSION
The possibility of MODIS/TERRA space information is analyzed for burnt area mapping using GIS technologies. The mass estimation of gases component CO2, CO and CH4, emitted as a result of large forest fires in Angara region in 2006 was obtained with all weather and forest fuel conditions considered. The method of smokes emissions propagation calculation is developed.
В работе анализируется возможность применения космических изображений MODIS/TERRA для идентификации и картирования, пройденных огнем участков лесного покрова и оценки дымовых эмиссий от крупных лесных пожаров с применением ГИС-технологий. Получена оценка массы газовых компонент CO2, CO и CH4, выделившихся в результате крупных лесных пожаров на территории Приангарья в 2006 году. Разработана методика расчета динамики распространения дымовых эмиссий.
Введение
Лесные пожары являются не только бедствием для населения, но и важным фактором локальных, региональных и даже глобальных экологических изменений, что проявляется, в выбросах в атмосферу дымовых газов и аэрозоля, которые вносят существенный вклад в образование и развитие парникового эффекта. В этой связи, оценка выбросов в атмосферу от лесных пожаров является одной из первоочередных задач. Метод расчета пожарных эмиссий
В предлагаемом нами методе (1), каждый пожар рассматривается отдельно, непосредственно с момента возгорания до полного затухания. Это связано с неоднородностью различных участков лесных биогеоценозов и различием в интенсивности сгорания РГМ. По мере продвижения фронта пожара, площадь, пройденная огнем, ежедневно суммируется с предыдущим итогом. Компоненты биомассы анализируются в каждом индивидуальном пикселе космического изображения, в соответствии с прохождением кромки пожара. Это позволяет получать более точные оценки сгоревшей биомассы,
исходя из запаса горючих материалов, аккумулированных в пределах каждого пикселя. Уравнение для оценки сгоревшей биомассы выражается как:
п N
м = Z X В г (X у)х А., х ai} X ь1} 5 (1)
;=1 у=1
где Sy (x,y) - первоначальное количество органического вещества, находящегося на участке леса, до начала действия на этом участке у-того пожара, (кг/м2); x,y - координаты участка леса (пикселя изображения), на котором развивалсяу-тый пожар; Ay - площадь, пройденная огнем в i-ый день действияy-того пожара. ay - доля лесных горючих материалов, которые могут поддерживать горение у-го пожара в i- ый день, (%); by - полнота сгорания лесных горючих материалов на у-м пожаре в i-ый день, (%). Суммирование ведется ежедневно по каждому пикселю, участвующему в горении с момента начала пожара до его окончания. N - число дней действия каждого у-того пожара, N - общее количество пожаров, действовавших на территории района исследования за пожарный сезон.
Картирование пожарищ по многозональным изображениям спутника TERRA
Основываясь на указанных предпосылках, был разработан метод выявления повреждений пожарами на основе комбинированного использования временных серий данных спектрорадиометра MODIS спутника TERRA, и температурных аномалий, детектируемых в период горения по данным радиометра AVHRR спутника NOAA. Оценка точности созданных информационных продуктов по повреждениям растительности огнем выполнена путем их сравнения с репрезентативной выборкой опорных данных, сформированных с использованием изображений высокого пространственного разрешения, полученных прибором ETM+ со спутника LANDSAT.
Обработка информации проводится методами тематического дешифрирования и нацелена в основном на выявление мест пожаров и картирование участков, пораженных огнем. Результаты обработки представляются средствами ARC MAP в виде специальных тематических карт. В среде ГИС все результаты обработки привязываются к системе квартальной сети, что является основой идентификации очагов пожаров и в принятии решений для проведения мероприятий по их локализации и ликвидации.
Определение общего запаса биомассы и полноты сгораниялесных горючих материалов
Переход от объемов древесины к фитомассе каждого из компонентов лесных сообществ осуществлялся по методике разработанной В.Д. Стакановым с использованием таксационных данных лесной растительности и конверсионных коэффициентов. Значения о запасе подроста и подлеска были взяты из таксационных данных по преобладающим породам.
Данные о запасе подстилки, опада и живого напочвенного покрова были взяты из экспериментальных данных, полученных в результате полевых работ на территории Приангарья в 2006 году.
Полнота сгорания лесных горючих материалов зависит, прежде всего, от влагосодержания. В этой связи целесообразно использовать относительные показатели состояния лесов, получаемые на основе спектральных индексов, тесно коррелирующих с уровнем обеспеченности растений влагой. В качестве исходной информации такого рода может быть использован нормализованный дифференцированный вегетационный индекс (NDVI). По методу наименьших квадратов установлена корреляционная связь между полнотой сгорания лесных горючих материалов и вегетационным индексом. Полученное уравнение y = -1,0483x + 0,922, позволяет сделать вывод о наличии линейной зависимости между значениями вегетационного индекса (у) и полноте сгорания ЛГМ (х). Коэффициент корреляции (R2 = 0,92) говорит о высокой корреляции между параметрами.
Массовый вклад дымовых аэрозолей рассчитывается по формуле:
тс = М х- Ks, (2)
где mc - масса каждого из компонентов выделяющихся эмиссий, М -общее количество сгоревшей биомассы, К8 - коэффициенты выделения, равные 445 г/кг для CO2, 45 г/кг для CO, 4.55 г/кг для CH4.
Расчет процессов распространения парниковых газов
Концентрация углекислого газа восстанавливалась в узлах широтнодолготной сетки 1,25° х 1,25° с привлечением метеорологической информации Гидрометцентра о ветре, температуре и высоте с 19.07.2006 по 22.07.2007 г. Площадь пожаров, зафиксированная по данным спутника NOAA в 2006г. на территории Красноярского края и Иркутской области, составила около 0,45 млн. га, а восстановленные значения углекислого газа по данным о сгоревшей биомассе СО2 = 0.64 109 кг.
Методика расчета строилась на восстановлении значений объемной концентрации примеси в дискретных пространственных узлах ,
расположенных на выбранной изобарической поверхности р = const , где (Л.,<р.) - узлы пространственной прямоугольной широтно-долготной сетки. Производился совместный учет математической модели и данных наблюдений для описания пространственно-временной картины распределения исследуемых полей. Этот метод известен как «усвоение данных». Системы усвоения данных разрабатываются в настоящее время в различных областях: метеорологии, океанологии, охране окружающей среды.
Для / -го сеточного узла широтно-долготной сетки производится вычисление координат траектории частицы (МО, p(t)) в обратном времени. Шаг «прогноза» вдоль траектории для одного временного шага Дг можно записать следующим образом:
п _ я+1
4f - яf . (3)
В данной работе мы используем следующие индексные обозначения: « / » - шаг прогноза, « а » - шаг анализа.
Наибольшее значение концентрации (340.24 ррм) по результатам численных экспериментов локализовано в окрестности точки с координатами 91° в. д., 59° с. ш.
Институтом оптики атмосферы СО РАН лидарными установками был зафиксирован 21.07.2006 дымовой аэрозоль от приангарских пожаров в районе города Томска c координатами 85° в. д. 56° с. ш. Сравнивая модельные результаты и натурные данные, мы получили удовлетворительное пространственное совпадение максимальной концентрации примеси при переносе продуктов горения от лесных пожаров.
Результаты исследования
Для расчета площади поражения был проведен анализ нарушенности территории Центрального Приангарья лесными пожарами 2006 года. В результате обработки изображений в каналах видимого спектра электромагнитных волн спутника MODIS/TERRA с пространственным разрешением 250 м (дата съемки 14 августа 2006 года) было выявлено 144 пожарища, общей площадью 1 230 500 га. Для идентификации пожарищ проведено сопоставление координат и площадей пожарищ с результатами обнаружения соответствующих пожаров по информации спутника AVHRR/NOAA, полученной в инфракрасных каналах спектра за период наблюдения этого же региона с апреля по сентябрь 2006 года включительно.
Для оценки точности результатов картирования пожарищ, определенным по спутнику MODIS/TERRA, проводилось сравнение контуров этих пожарищ с изображениями тех же пожарищ, но полученным из данных съемки спутников высокого пространственного разрешения LANDSAT /ETM+, принятым как достоверная информация.
Анализировались сцены LANDSAT/ETM+ с пространственным разрешением 30 м, в том числе сцена 138 019 (дата съемки 7 сентября 2006 г.), 139 018 (13 августа 2006 г.) и 139 019 (5 августа 2006 г.). Подготовлена и проанализирована контрольная выборка в количестве 45 пожарищ с диапазоном площадей от 110 до 60 000 га. Сопоставление данных дешифрирования контуров пожарищ по данным MODIS /TERRA и LANDSAГ/ETM+ демонстрирует хороший уровень согласованности результатов, что подтверждается наличием линейной связи между двумя
Л
наборами данных и высоким значением коэффициента регрессии ^ = 0.83). Расхождение результатов составляет 2 %, что свидетельствует о
незначительном систематическом завышении площадей повреждений, определяемых с использованием разработанного метода.
Таким образом, можно сделать вывод о применимости метода распознавания и картирования пожарищ, используя данные MODIS/TERRA.
В результате обработки данных MODIS/TERRA получено значение суммарной площади пожарищ в районе Приангарья, составляющее 450 000 га. Это значение и было использовано для оценки дымовых эмиссий.
Источником данных по запасам биомассы служили статистические лесоустроительные материалы, экспериментальные данные, собранные во время полевых исследований и база данных по лесхозам Красноярского края. В результате расчетов, общее количество сгоревшей биомассы составило 1 440 тыс. тонн.
Учитывая процентное соотношение выхода газовых компонентов дымовых эмиссий по фазам тления/горения при распространении пожара, были рассчитаны массы основных газовых компонентов.
Всего в атмосферу на территории Приангарья, в результате пожаров 2006 года выделилось CO2 = 0,64-109 кг; CO = 0,06-109 кг; СН = 0,01-109 кг.
Выводы
В результате проведенных исследований разработана методика оценки дымовых эмиссий по данным дистанционных спутниковых измерений с учетом развития пожара и относительной роли процессов пламенного и беспламенного горения.
Произведена оценка выбросов в атмосферу СО2, СО и СН4 в результате массовых пожаров на территории Приангарья в 2006 году.
Разработан алгоритм распознавания и картирования пожарищ по многозональным изображениям спутников ТЕККА, который завышает оценку площади гари на 2 %, в сравнении с результатами картирования, по данным спутника ЬА^ОБАТ+ЕТМ.
В то же время, алгоритм картирования пожаров по данным спутника ЛУНКЕ/КОЛЛ позволяет идентифицировать более 70 % обнаруженных очагов горения с общей площадью пожарищ, превышающую реальные значения почти на 30 %.
На основе таксационной информации и полевых наблюдениях составлена цифровая база данных по общим запасам биомассы и лесных горючих материалов для территории Центрального Приангарья и приведен метод определения полноты сгорания лесных горючих материалов на основе спутниковых данных, путем восстановления значений МОУІ.
Рассмотрены причины возникновения неопределенностей и ошибок в оценке дымовых эмиссий, на основе чего сделан вывод, о том, что методика расчета позволяет производить оценку массы дымовых газов с точностью менее 30 %.
Работа выполнена при поддержке гранта по междисциплинарному интеграционному проекту СО РАН № 86 «Создание средств спутникового экологического мониторинга Сибири и Дальнего Востока на основе новых информационных и телекоммуникационных методов и технологий».
© Н.В. Трофимова, А.И. Сухинин, О.А. Дубровская, 2008
