CC BY
158
ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВО, КАДАСТР И МОНИТОРИНГ
л
УДК 528.71:629.785
Д.Ю. Блохин, В.Н. Незамов
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БОРЬБЕ С ПОЖАРАМИ НА ЗЕМЛЯХ ЛЕСНОГО ФОНДА НА ПРИМЕРЕ
МИНУСИНСКОГО ЛЕСНИЧЕСТВА
В статье рассматриваются основные тенденции и методы применения материалов дистанционного зондирования Земли, а также географических информационных систем в борьбе с пожарами на землях лесного фонда.
Ключевые слова: земля, дистанционное зондирование, географические информационные системы, спектр, спектральная яркость, пожар, земли лесного фонда.
APPLICATION OF THE MATERIALS OF THE EARTH REMOTE SOUNDING AND GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS FOR FIRE-FIGHTING ON THE FOREST FUND LANDS ON THE EXAMPLE
OF THE MINUSINSK FOREST AREA
The basic tendencies and techniques of the Earth remote sounding and geographical information systems materials application for fire-fighting on the forest fund lands are considered in the article.
Keywords: land, remote sounding, geographical information systems, spectrum, spectral brightness, fire, forest fund lands.
Существующая в стране система борьбы с огнем обеспечивает соответствующий современным требованиям уровень противопожарной защиты лесов лишь на ограниченных территориях европейской части России, Сибири и Дальнего Востока. Для организации и поддержания системы по обнаружению и тушению пожаров на землях лесного фонда на всей территории России имеющихся ресурсов недостаточно. В результате оперативность обнаружения возникающих пожаров и принятия мер по их ликвидации, особенно на неохраняемых территориях, постоянно снижается. В этих условиях наиболее предпочтительным решением являлось создание аэрокосмической системы, включающей в себя, наряду с наземными наблюдательными пунктами и воздушными патрулями, космические средства слежения за пожарами.
Для лесных карт разработаны специальные отраслевые стандарты. Государственной лесоустроительной инструкцией предусмотрены требования к картографическим работам при лесоустройстве. Эти требования в обязательном порядке соблюдаются и при формировании лесных карт в среде ГИС.
Географическая информационная система обеспечивает сбор, хранение, сопряженную обработку и распространение пространственно-координирование данных и горимости лесов, условиях возникновения и развития пожаров на землях лесного фонда, об уровне их воздействия на окружающую среду, получаемых на основе наземных, воздушных и космических средств и представленная в виде совокупности таблиц, электронных тематических карт и результатов обработки спутниковых изображений, оперативно обновляется на Web-сервере и доступна пользователям по сети 1п1егпв1 в реальном времени [1].
Функционально ГИС решает несколько задач:
1) подготовка картографической продукции и статистической отчетности на Web-серверах;
2) ежедневная работа с оперативными данными для оценки состояния и горимости лесов, принятия управленческих решений по тушению пожаров;
3) подготовка отчетных картографических материалов в течение пожароопасного сезона и по его окончании [2].
D.Yu. Blokhin, V.N. Nezamov
Пожар на землях лесного фонда представляет собой очень мощный и сложный источник изучения, точный расчет интенсивности спектрального состава которого представляет весьма сложную теоретическую задачу. В большинстве случаев пожары в начальной стадии носят низовой характер, т.е. сгорают: сухая трава, лесная подстилка из опавших листьев, хвои и сучьев, подрост и подлесок. Высота пламени в этих случаях достигает 2-3 м, при ширине горящей кромки 0,5-1,5 м. Температура пламени колеблется в пределах 600-12000С на кромке пожара, охватывающей по периметру выгоревшую площадь с температурой 80-1200С.
В пожаре можно выделить по крайней мере четыре изучающих компонента, имеющих различный спектральный состав излучения: раскаленную твердую поверхность горящей древесины, угли, пламя и дым. Все они вносят свой вклад в суммарный спектральный состав изучения лесного пожара, но вклад каждого компонента различен.
Раскаленная поверхность горящей древесины (1400-1500К) и угли, имеющие различную температуру
- это источники с непрерывным распределением энергии излучения по спектру, т.е. по длинам волн. Пламя же пожара на землях лесного фонда имеет весьма сложный источник излучения, имеющий полосовую структуру распределения энергии по длинам волн. Излучаемая пламенем энергия приходится главным образом на длины волн, соответствующие полосам поглощения веществ, содержащихся в пламени. Продукты, выделяемые при сгорании древесины (в основном это водяные пары и углекислый газ), имеют в ближней инфракрасной (ИК) зоне спектра несколько характерных полос поглощения с центрами на длинах волн порядка: 1,3; 1,87; 2,7; 3,6; 6,3 мкм для воды и 2,7; 4,3 мкм для углекислого газа.
Интенсивность каждой спектральной полосы меняется в зависимости от температуры пламени. Кроме того внутри пламени имеются несгоревшие частицы, дающие в дополнение к полосовой структуре непрерывную составляющую излучения как в видимой, так и в ИК-зонах спектра. Суммарный полосовой состав излучения пламени весьма сложен и непрерывно изменяется во времени, поскольку из-за турбулентности среды в зоне горения наблюдаются различные его участки.
Таким образом, на непрерывную составляющую изучения раскаленной древесины и углей накладывается случайная полосовая составляющая пламени.
Если на этапе предварительных исследований выполнить съемку в т спектральных диапазонах, то каждый объект можно охарактеризовать набором из величия спектральных яркостей (п...Гт), где п характеризует величину СКЯ в 1-м спектральном диапазоне; I = 1, 2, ..., т. Число выбранных диапазонов желательно уменьшить, но так, чтобы было обеспечено достаточно хорошее распознавание растительности на пастбище. Параметры растительного покрова существенно влияют на отражательные свойства системы почва -растительность. Установлено, что при относительно небольшом количестве зеленой массы кривые отражения системы почва - растительность близки к кривым спектральной яркости почвы, а с изменением растительной массы изменяются вид и положение кривых спектральных коэффициентов яркости (СКЯ). При увеличении зеленой массы характер кривых изменяется, постепенно приобретая признаки, характерные для зеленой растительности. Анализ таких данных указывает на то, что отсутствие полос поглощения в спектрах отражения объекта не является достаточным признаком доказательства полного отсутствия на нем хлоро-филласодержащей растительности [3,4].
После последствий пожара наступает такой момент, когда вследствие пожара растения полностью открывают почву и отражательные свойства системы почва - растительность меняются на отражательные свойства системы растительность - почва, уже не зависят от отражательных свойств растений, а определяются только видом почвы.
Наконец, последний излучающий компонент - дым (совокупность остывающих твердых мелких частиц, взвешенных в нагретом воздухе), также является непрерывным спектром. Температура дыма значительно ниже температуры пламени, поэтому собственное излучение этого компонента расположена только в инфракрасной части спектра. Дымы рассеивают и поглощают более коротковолновое излучение пламени, углей и горящей древесины. Из-за присутствия дыма интенсивность излучения и спектральный состав излучения лесного пожара являются сложными функциями, изменяющимися во времени и зависящими от многих факторов.
Исследование характеристик ИК-излучения пожара и его отдельных элементов является исходным звеном в процессе создания аппаратуры дистанционного обнаружения лесных пожаров. Любой процесс происходит на основе использования определенных законов.
Перспектива развития методов дистанционного зондирования Земли требует внедрения автоматизированных систем технического обеспечения обработки данных, поступающих с искусственных спутников Земли (ИСЗ) и метеостанций, на основе широкого использования средств вычислительной техники.
Наземная автоматизированная система должна включать в свой состав главный, региональный и зональный центры. Учитывая высокую стоимость наземных широкополосных линий связи, целесообразно на-
земный спецкомплекс охраны леса от пожаров строить с использованием существующих центров Госком-гидромета и оборонных наземных средств, в рамках конверсии. При этом при региональных центрах Госком-гидромета и Федеральном центре должны быть организованы группы обработки целевой информации в интересах прогнозирования пожарной опасности и обнаружения пожаров. Такая система позволит централизовать обработку материалов глобальной съемки, организовать накопление, длительное хранение и постоянный доступ к материалом многолетней информации о пожарах и на этой основе изучать динамику состояния лесов в пожарном отношении на больших территориях.
Специфическими требованиями являются:
• непрерывная готовность наземного комплекса к работе в течение пожароопасного периода;
• максимальное приближение устройств ввода и отображения информации к местам принятия решений по разведке и ликвидации пожаров;
• возможность диалогового режима работы оператора с системой в реальном времени;
• возможность производства вычислений и разнообразие программ обработки данных;
• возможность получения и автоматического ввода оперативной информации о состоянии ЛФ с помощью дистанционных методов;
• доступность пунктов, откуда можно посылать запросы в систему и простота подачи запроса;
• минимизация времени между возникновением информации и ее вводом в банки данных, а также времени обработки запроса и предоставления ответа банка данных;
• надежность и доступность информации, разнообразие форм ее выдачи и представлению результатов.
В 2008 году в Минусинском лесничестве было зарегистрировано 70 лесных пожаров, на площади
72, 183 га. Из них низовыми пожарами была охвачена территория на площади 88, 2 га, верховыми - 19, 5 га, лесные земли, не покрытые лесной растительностью - 76, 02 га, нелесные земли - 33 га [5].
Полученные данные были внесены в обзорную карту-схему лесных пожаров в Минусинском лесничестве, которая была создана при помощи ГИС MapInfo Professional 7.0 (рис. 1).
Пожары на землях лесного фонда, зафиксированные в 2008 году на территории Минусинского
лесничества (Масштаб 1:200000)
Расходы на тушение пожаров на землях лесного фонда составили 536, 8 тыс. руб. Но на самом деле, ущерб составляет значительно больше, так как еще не учитываются нанесенный вред экологии, на побочное пользование территории (сбор ягод и грибов, заготовка живицы, рекреационная деятельность и т.д.), затраты на лесовосстановление, на проведение агролесомелиорации и мелиорации земель.
Полученные данные и обзорная карта-схема позволяют прогнозировать и предпринимать необходимые меры по предотвращению пожаров в последующих годах. Необходимо разработать программный модуль для географических информационных систем, который позволит автоматизировано и в реальном времени обрабатывать причиненный ущерб, в котором будут включены причиненные повреждения, последующая экологическая обстановка в районе, методы и методики проведения агролесомелиорации и мелиорации земель.
Все эти аспекты позволят правильно и на должном уровне проводить:
• информационное обеспечение, которое как основа должно представлять собой систему сбора, контроля, преобразования, хранения, обновления, распределения и передачи информации от источников к потребителям. Должна осуществляться оптимальность объемов и распределения потоков информации во времени и в пространстве;
• адекватное и профессиональное государственное и муниципальное управление земельными ресурсами;
• грамотное осуществление государственного контроля за использованием и охраной земель;
• мероприятия, направленных на сохранение и повышение плодородия земель.
Литература
1. Блохин Д.Ю. Применение ГИС-технологий и аэрокосмических методов в выявлении и предотвраще-
нии лесных пожаров // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч.-практ. конф. Ч. 1 / Краснояр. гос. агар. ун-т. - Красноярск, 2007. - С. 159-161.
2. Блохин Д.Ю. ГИС-технологии в лесном хозяйстве и лесной промышленности // Актуальные проблемы
лесного комплекса: сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Вып. 13. - Брянск: Изд-во БГИТА, 2006.
- С. 14-16.
3. Блохин Д.Ю. Применение дистанционных методов для изучения продуктивности пастбищ // Достижения
и перспективы студенческой науки в АПК: мат-лы регион. науч. студ. конф. (20-21 апреля 2006 г.): в 2 ч. - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2006. - Ч. 1. - С. 341-343.
4. Незамов В.И. Космические методы в сельском хозяйстве: учеб. пособие / Краснояр. гос. аграр. ун-т. -
Красноярск, 2000. - 255 с.
'---------♦------------
