Вероятностная технология обнаружения и оценки интенсивности природных пожаров поданным спутниковой съемки Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Е.Г. Швецов, А.И. Сухинин

ВЕРОЯТНОСТНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ СЪЕМКИ

Применен вероятностный подход для обнаружения пожаров по спутниковым данным. Проведен анализ пространственных и временных соотношений между пожарами и молниями, зарегистрированными на территории Восточной Сибири в 2004 и 2005 гг. По данным дистанционного зондирования определены пожары, которые могли быть вызваны молниями. Предложена методика оценки интенсивности пожара по данным спутниковой съемки.

Согласно официальной статистике, в России ежегодно от пожаров страдает территория от 0,5 до 2 млн га [1. С. 17]. При этом пожары обнаруживаются и контролируются только на так называемых «защищенных» территориях. Однако анализ спутниковых данных показал, что указанная цифра существенно занижена. В частности, Сухининым и др. (2004) отмечается, что за период с 1997 по 2002 г. в среднем от пожаров страдало 7,7х106 га/год. При этом имеет место значительная межгодичная изменчивость площади территории, пройденной огнем (от 1,5х106 до 12,1х106 га/год) [2. С. 546]. На пожары, вызванные грозами, в среднем по России приходится 10% от общего числа лесных пожаров. При этом, по данным В.А. Иванова и др., для отдельных регионов (например, северные районы Красноярского края) доля пожаров от гроз может составлять 90% [3. С. 6].

Нами была разработана вероятностная технология обнаружения и энергетической диагностики природных пожаров с использованием спутниковой съемки и данных наземной пеленгации разрядов молний.

В качестве области исследований была выбрана территория Восточной Сибири, т. к. в северных районах, где плотность населения низкая, высока вероятность возникновения пожаров от молний.

Регистрация лесных пожаров производилась по данным, полученным с помощью спутников МОЛЛ за 2004 и 2005 гг. на приемной станции, установленной в Институте леса им. В.Н. Сукачева. Использовались также данные наземной пеленгации грозовых разрядов за эти годы.

Процесс обнаружения пожара, поведение которого зависит от ряда факторов (осадки, ветер, наличие источников воспламенения и т. д.), подчиняется вероятностным законам [2. С. 551]. Алгоритм обнаружения активных пожаров был разработан с использованием вероятностных законов для определения того, какие пиксели изображения могут считаться пожарными. На практике используется вероятность 95% (Т3>Т3фона+2с; где Т3 - температура пикселя в 3 канале радиометра ЛУНКЯ (3,55-3,93 мкм), Т3фона - температура фона в канале 3 радиометра ЛУНКЯ; с - стандартное отклонение фоновой температуры в канале 3) для определения того, считается ли пиксель пожарным.

Причина обнаруженного пожара (т.е. вызван ли он молнией) определяется на основе пространственновременных неувязок между координатами и датами регистрации обнаруженных пожаров и разрядов молний.

Нами было выполнено пространственное и временное совмещение обнаруженных лесных пожаров и зафиксированных грозовых разрядов. В литературе отмечено, что при возгорании от молнии возможно достаточно длительное нахождение огня внутри лесного напочвенного материала в стадии тления, пока не наступят более благоприятные условия для его развития в лесной пожар [3. С. 110; 4. С. 131; 5. С. 19]. В некоторых случаях этот период скрытого горения может достигать 10 дней [3. С. 111]. Поэтому проводился анализ молниевых разрядов за период от 1 до 10 дней до даты обнаружения пожара.

Пространственное совмещение было выполнено путем определения окружности радиусом 10 км, что связано с неточностью дистанционных методов, и имеющей центр, совпадающий с центром пожара. На основании данных Красноярской авиабазы охраны лесов, нами было определено, что в радиус 10 км попадает более 74% пожаров, причиной которых являются разряды молнии.

Всего на исследуемой территории за рассматриваемый период было зафиксировано около 20000 пожаров и около 700 000 молниевых разрядов. Молниевые разряды могли стать причиной 279 пожаров в 2004 г. и 1 155 - в 2005 г. (рис. 1, 2)

Анализ распределения пожаров и молний во времени в течение пожароопасного периода продемонстрировал значительную сезонную изменчивость, как для пожаров, так и для гроз. При этом наибольшее число пожаров было зарегистрировано в мае, в то время как пик грозовой активности пришелся на июль. Максимальное число пожаров, вызванных грозами, также было зарегистрировано в летние месяцы. В 2004 г. наибольшее число таких пожаров пришлось на июнь и июль, в 2005 г. - на июль и август. Динамика распределения грозовой активности во времени в течение пожароопасного сезона за рассмотренный период соответствует данным, приведенным в [3. С. 71; 6. С. 212].

Анализ распределения грозовой и пожарной активности по интервалам широты продемонстрировал значительное снижение числа пожаров с юга на север. На интервал 49-55° с.ш. приходится 50 и 65% от общего числа зарегистрированных пожаров для 2004 и 2005 гг. соответственно, в то время как в интервале 70-75° с.ш. было зарегистрировано всего 0,26% от числа всех пожаров в 2005 г., в 2004 г. пожары здесь не регистрировались.

60

50

ш

І 40

I 30 о о. с

20

10

П 2004 П 2005

■ 1 1 ■ ГТп п

а

б

в

Рис. 1. а - распределение всех обнаруженных пожаров по месяцам в течение пожароопасного сезона; б - распределение зарегистрированных молний по месяцам в течение пожароопасного сезона; в - распределение пожаров грозового происхождения

по месяцам в течение пожароопасного сезона

В интервале 75-78° с.ш. пожары не регистрировались. В случае с молниями также наблюдается снижение их числа в направлении с юга на север. При этом снижение числа молний менее выражено, чем снижение числа пожаров. На интервалах 49-55° с.ш. и 55-60°с.ш. в 2004 и 2005 гг. наблюдалось примерно равное число молний - около 40%. При этом максимальное число пожаров, причиной которых могла стать гроза, приходится на 55-60° с.ш.

Доля пожаров, вызванных молниями, по отношению к общему числу пожаров растет с возрастанием географической широты, т.е. в области северных широт, где более низкая плотность населения, роль антропогенного фактора в возникновении пожаров снижается, а естественного

фактора возрастает. Наибольшая доля пожаров, вызванных молниями, приходится на интервал широт 6065° с.ш. и составляет около 39%. На более высоких широтах эта величина уменьшается вместе со значительным ослаблением грозовой активности. На широтах 6570° с.ш. доля пожаров, вызванных молниями, по отношению к общему числу пожаров составляет около 21%.

На рис. 3 приведено распределение времени обнаружения пожаров со дня грозы. Сначала наблюдалось увеличение числа пожаров, наибольшее количество было обнаружено на 6-й и 7-й дни после прохождения грозы. Далее число обнаруженных пожаров уменьшалось. В течение 7 дней после грозы был обнаружен примерно 81% от общего числа пожаров. Малое коли-

чество пожаров, обнаруженных в первые дни после ружительной способности и пожарам необходимо вре-

прохождения грозы, можно объяснить тем, что у спут- мя, чтобы достичь размеров, при которых они могут

никовых радиометров существует предел обна- регистрироваться космическими средствами.

50

45

40 Н—

35 -|— 30 25 20 — 15 10 5

0

О 2004 □ 2005

г-П

49-55°с.ш. 55-60=с.ш. 60-65°с.ш. 65-70=с.ш.

Интервалы широт

70-75°с.ш

75-78°с.ш

а

б

в

Рис. 2. а - распределение всех обнаруженных пожаров по интервалам широт; б - распределение зарегистрированных молний по интервалам широт; в - распределение пожаров грозового происхождения по интервалам широт

Рис. 3. Распределение числа обнаруженных пожаров по дням после прохождения грозы

Оценка интенсивности пожара выполняется на основе метода, предложенного Y. Kaufman и C. Justice для инструмента MODIS [7. С. 35]. Данное соотношение позволяет оценивать выделенную пожаром радиационную энергию по значениям температуры, зафиксированным в 4 мкм канале радиометра:

Er = 4,34 -10-19 (74s - 74sb), (1)

где Er - радиационная энергия, выделяемая пожаром (МВт/пиксель или Вт/м2); Т4 - температура пикселя, содержащего пожар в 4 мкм канале; Т4Ь - температура фона в 4 мкм канале.

Байрамом было получено следующее уравнение для определения интенсивности кромки пожара [s]:

I = Q • U • В, (2)

где I - интенсивность кромки пожара [Вт/м]; Q - теплота сгорания горючего материала [Дж/кг]; U - скорость распространения кромки пожара [м/с]; B - масса горючих материалов, сгоревших при пожаре, на единицу площади [кг/м2].

Величина энергии, выделяющейся при сгорании топлива, может быть определена как

E = Q • В/т, (3)

где E - величина энергии, выделившейся при сгорании топлива [Вт/м2]; Q - теплота сгорания топлива [Дж/кг]; В - масса топлива, сгоревшего при пожаре на единицу площади [кг/м2]; т - время сгорания топлива [с].

Представив U = Х0/т, где Х0 - ширина кромки пожара, можно получить следующее соотношение:

I = E • Хо. (4)

Учитывая, что общая энергия, выделенная пожаром, состоит из компонентов излучения, конвекции и теплопроводности примерно в следующих долях [9. С. 123]:

Е Еизлучение

(40%) +

-^теплопроводность

(10%) +

Еконвекция

(50%), можно получить, что Е = 2,5 • Еизлучение.

Тогда уравнение для определения интенсивности может быть записано в следующем виде:

1 2,5 • Еизлучение • Х0.

Здесь Еизлучение соответствует величине Ег (1).

Проведенные в ходе полевых исследований измерения интенсивности кромки пожара показали, что значения интенсивности находились в диапазоне от 1000 до 9000 кВт/м (среднее значение интенсивности -2800 кВт/м). Таким образом, получены следующие основные результаты.

Проанализированы данные примерно по 20000 пожаров, возникших на территории Восточной Сибири за период 2004-2005 гг.

За этот же период средствами наземной пеленгации гроз над рассматриваемыми областями зарегистрировано около 700 000 молниевых разрядов.

Наблюдалась сезонная изменчивость в распределении числа молний и пожаров. Максимальное их число пришлось на июль.

Также была отмечена широтная изменчивость в распределении молний и вызванных ими пожаров. Наибольшее их число было зарегистрировано в интервале 55-60° с.ш. При этом обнаружено, что наибольшая доля пожаров, вызванных грозами, по отношению к общему числу пожаров приходится на 60-65° с.ш. и составляет 39%.

Наибольшее число пожаров регистрировалось спустя 4-7 дней после прохождения грозы.

Предложена методика оценки интенсивности кромки пожара с использованием спутниковых данных.

ЛИТЕРАТУРА

1. Софронов М.А., Гольдаммер И.Г., Волокитина А.В., Софронова Т.М. Пожарная опасность в природных условиях. Красноярск: Институт леса

им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2005. 330 с.

2. Sukhinin A.I., French N.H.F., Kasischke E.S. et al. AVHRR-based mapping of fires in Russia: New products for fire management and carbon cycle

studies // Remote Sensing of Environment. 2004. № 93. Р. 546-564.

3. Иванов В.А., Коршунов Н.А., Матвеев П.М. Пожары от молний в лесах Красноярского Приангарья. Красноярск: СибГТУ, 2004. 132 с.

4. ИвановВ.А. Возникновение лесных пожаров от гроз на Енисейской равнине // Лесные пожары и борьба с ними. М.: ВНИИЛМ, 1988. С. 126-

132.

5. Столярчук Л.В., Раков В.А., Белая А.Ю. Грозы, вызывающие лесные пожары // Лесные пожары и борьба с ними. Л.: ЛенНИИЛХ, 1989.

С. 18-24.

6. ИвановВ.А. Грозоактивность и лесные пожары // Лесные пожары и борьба с ними. М.: ВНИИЛМ, 1987. С. 208-217.

7. Kaufman Y., Justice C. MODIS Fire Products. Algorithm Theoretical Basis Document. Version 2.2, MODIS Fire Team (EOS ID #2741), 1998. 77 c.

8. Byram G.M. Combustion of forest fuels. In Forest Fire: Control and Use. N.Y.: McGraw-Hill, NY, 1959. Р. 61-89.

9. Сухинин А.И. Температурное поле при распространении пламени по хвое // Проблемы лесной пирологии. Красноярск: ИЛиД им. В.Н. Сука-

чева СО РАН СССР, 1975. С. 100-127.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 25 сентября 2007 г.