Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГРОЗОВОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ
ЛЕСНЫХ МАССИВОВ 10
1 1. Общие сні діния о лесных пожарах от гроз 10
л[сн\япож\рнаяопасностбиметодыгепрогноза 12
условия возникновенияле сныч пожаров от гроз 15 131 Климатические и іесотипоюгическиеусловия 15 13 2 Механизм возникновения пожаров от гроз 18 133 Избирательная поражаемость молниевых разрядов 21
1 4 Ml 10ДЫ ОЩ НКИ I РОЗОВОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ ЛЕСНЫХ УЧАСТКОВ 24
1 5 АКГУАЛЫЮСII. ПРИМ! 111 НИЯ МІ ІОДОВ РАСПОЗНАВАНИЯ OLPA30B В РЕІШ НИИ ЗАДАЧ I РОЗОВОЙ
ИОЖАРООПАСНОСІИ . . . 27
1 6 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛІ ДОВАНИЯ 29
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА
ЦЕЛЕВОЙ ИТЕРАЦИОННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ 33
2 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АЛІ \ ЬРАИЧІ СКОЙ ТІ ОРИИ РАСПОЗНАЮЩИХ АЛІ ОРИ ШОВ 34
22 АЛП ЬРАИЧККИЙ ПОДХОД В ОПИСАНИИ МЕТОДА ЦМІ ВОИ ИИ РАЦИОННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ . 41
221 Распознающий (классифицирующий) оператор 41
2 2 2 Сгибая по уюта класса распознающих операторов 51
2 3 СЖАТШ ОБУЧАЮЩЕЙ ВЫБОРКИ 56
2 4 Проірамма«ЦИКЛ» . .. 57
ГЛАВА 3. БАЗА ДАННЫХ ГРОЗОВОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
РАСПОЗНАВАНИЯ 62
3 1 Общая харакіі ристика пожарной обстановки на территории Горного Алтая 2001-2003 it 62
3 2 База данных пожарной опасности лі снбіх массивов Горного Алтая 66
3 21 Стандартные факторы 67
3 2 2 Допоіннтеїьньїефакторы 69
32 3 Программная реализация БД 70
3 3 Постановка задачи распознавания 75
ГЛАВА 4. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ
НА ТЕРРИТОРИИ ГОРНОГО АЛТАЯ МЕТОДОМ ЦЕЛЕВОЙ ИТЕРАЦИОННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ
82
4 1 Pi зультатьірішжияізгапа задачи распознавания. .... 83
Оценка качества обучения 83
Информационные системы признаков рассматриваемых классов 89
Пересечение классов объектов 95 4 2 Pi зультаты РІ ШЬНИЯII ЭТАПА задачи распознавания .... 97
Оценка качества обучения 97
Информативные системы признаков 98
4 3 СУММИРУЮЩИ! ЗАМЕЧАНИЯ 108
ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ВЫЯВЛЕНИЯ
ФАКТОРОВ ГРОЗОВОЙ ПОЖАРООПАСНОСТИ II1
5.1. Пространстве иное распределе ниб пожаров оті роз ill
Локализация природных пожаров вбшзиразломов 112
Приуроченность природных пожаров к магнитным аномалиям 114
5 2 ВЧИЯНИЕС01НЕЧНОИ АКТИВНОСТИ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПОЖАРОВ ОТ ГРОЗ 117
521 Влияние солнечной активности 118
5 22 Втяние геомагнитной активности 121
5 3 ОЬСУЖДЕ НИ! РГЗУЛБТАТОВ 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ А. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ
ПРИЗНАКОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПО КЛАССУ «ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ 2001 Г.» 143
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ
ПРИЗНАКОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПО КЛАССУ «ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ 2002 Г.» 161
ПРИЛОЖЕНИЕ В. РЕЗУЛЬТАТЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ
ПРИЗНАКОВОГО ПРОСТРАНСТВА ПО КЛАССУ «ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ 2003 Г.» 180
Введение к работе
Актуальность. Нарастание энергоемкости скоростного изменения климата Земли [24] и геосферных взаимодействий резко увеличивает количество и разнообразие экологических рисков. Среди этих рисков особое место занимает возгорание лесных массивов от молниевых разрядов [27] все более учащающихся гроз. В последние годы лесные пожары становятся повсеместными [14, 27, 82, 112, 121], и все чаще для борьбы с массовыми возгораниями лесов требуется межгосударственная кооперация (например, лесные пожары 2006 года потребовали совместных действий таких стран, как Испания, Франция, Италия, Португалия).
Па фоне общего подъема грозоактивности на Земле значительно выделяются горные страны, к которым относится и Горный Алтай. Многолетнее изучение грозоактивности Горного Алтая [38, 72] позволило выявить основные закономерности распространения и периодичности грозовых процессов. Но в этих исследованиях не проводились целевые работы по вопросам лесной пожарной опасности грозового генезиса. Поэтому в связи с угрозой крупномасштабных экологических рисков и растущих экономических потерь от лесных пожаров в данном регионе, было проведено систематическое целевое исследование пожароопасности на территории Горного Алтая.
По актуальности проблема лесных пожаров стоит на первом месте среди экологических и экономических рисков лесного хозяйства в исследуемом регионе. Ярким примером массовых лесных пожаров от действия гроз в Горном Алтае является событие 2001 года, когда из 177 лесных пожаров 89 (50%) оказались грозовыми [70]. При этом, в период с 28 мая по 29 июня 2001 года, в отдельные дни обнаруживалось до 10 очагов горения на участках, удаленных друг от друга более чем на 200 км. Поэтому изучение регионального характера формирования и развития пожароопасных обстановок является актуальным.
Таким образом, создавшаяся обстановка пожароопасности лесных массивов на территории Горного Алтая требует незамедлительного и детального изучения причин и характера лесных пожаров. Это тем более важно, что нарастание неопределенности в установлении причин пожаров порождает межведомственные конфликты и спорные вопросы. Наше изучение состояния вопросов выявления причин возгораний лесных массивов, а также рассмотрение региональной информационной обеспеченности проблемы потребовало нового подхода в математических способах решения задач. Новизна этого подхода состоит в привлечении и модификации математических средств в направлении задач сводимых к задачам распознавания образов. Использование методов распознавания образов при исследовании пожарной опасности позволяет вскрыть ряд факторов, влияющих на формирование грозопожароопасных обстановок и решать спорные вопросы о причине возникновения пожаров, актуальные для горных территорий.
Объект и предмет исследования. Феноменологическим объектом исследования является совокупность событий связанных с лесными пожарами во время прохождения гроз по исследуемой территории. Предметом исследования является конечное множество региональных характеристик конкретного события (лесного пожара). С учетом имеющегося уровня математического решения общих задач лесной пожарной опасности мы рассматриваем эффективные методы и математические процедуры для решения частной задачи - математическое выявление факторов грозовой пожароопасности в расширенном информационном пространстве признаков. С этой точки зрения, настоящая работа посвящена проблеме и вопросам построения эффективных методов и систем, отвечающих задачам грозовой пожароопасности. В работе рассматривается алгоритм-программный комплекс для решения вопросов грозовой пожароопасности на территории Горного Алтая. Программный комплекс разработан на основе геоинформационных технологий и эвристического метода распознавания образов (метод целевой итерационной классификации [10, 15]).
6
Методы исследования. Исследование базируется на
использовании методов классической теории распознавания образов,
алгебраической теории распознающих алгоритмов, принципах формирования и
построения баз данных, включая геоинформационный подход. Также в ходе
работы были использованы методы прикладной статистики.
Цель и задачи работы. Целью исследований является разработка расширенного комплексного признакового пространства факторов, максимально отвечающих условиям формирования грозопожароопасных ситуаций в регионе, и построение на его основе распознающей системы для решения задач, связанных с практикой лесоохранных служб.
В ходе изучения пожароопасное в исследуемом регионе ставились и решались задачи следующего содержания:
анализ литературных источников, освещающих условия возникновения и прохождения лесных пожаров от гроз и возгораний леса антропогенного характера;
формирование и разработка базы данных в полном объеме учтенной и обработанной информации об условиях пожароопасных обстановок на территории Горного Алтая;
теоретическое обоснование метода целевой итерационной классификации (в силу его эвристической природы) с точки зрения алгебраического подхода для распознающих алгоритмов; построение эффективной компьютерной технологии, использующей этот метод;
сравнительное изучение в расширенном пространстве признаков антропогенных и грозовых пожаров для выявления значимых групп признаков, характеризующих изучаемые классы объектов; установление факторов сходства и различия между классами «антропогенные лесные пожары» и «лесные пожары от гроз»;
выявление пространственно-временных закономерностей формирования грозовой пожароопасности и формулировка на их основе рекомендаций для лесоохранных служб.
Разработка схемы исследований и их проведение на примере одной конкретной территории (территории Горного Алтая) позволяет выявить качественные и количественные закономерности развития пожароопасных обстановок и оценить применимость данных закономерностей для других регионов. Изучение пространственно-временных факторов возникновения и распространения лесных пожаров в рамках обозначенного комплексного подхода для территории Горного Алтая проводятся впервые.
Исходные материалы. При разработке базы данных по пожарной опасности лесных массивов Горного Алтая были использованы следующие информационные массивы:
данные о горимости лесов, предоставленные в рамках договора с Алтайской базой авиационной охраны лесов;
данные о грозовой акгивности, предоставленные Горно-Алтайским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;
данные по солнечно-земной физике, взятые со специализированных сайтов в сети Интернет;
цифровые карты магнитных аномалий, геологического строения территории Горного Алтая, предоставленные отделом ГИС Центра новых информационных технологий (ЦНИТ) Горно-Алтайского госуниверситета.
При написании диссертации автор опирался на теоретические и методические подходы, изложенные в трудах А.Н. Дмитриева, Ю.И. Журавлева, В.А. Иванова, Н.А. Коршунова, Н.А. Кочеевой, A.M. Гришина, А.В. Волокитиной, М.А. Софронова, А.В. Шитова, а также в источниках приведенных в списке литературы.
Научная новизна работы. Впервые разработана комплексная база данных по пожарной опасности лесов Горного Алтая, включающая в себя лесорастительные характеристики, геоморфологические, гелио- и геолого-геофизические параметры среды.
Проведено аналитическое рассмотрение и описание метода целевой итерационной классификации [10, 15] с точки зрения алгебраической теории
распознающих операторов, предложенной Ю.И. Журавлевым [47-
49], что позволило выявить условия достижения максимума функционала качества распознавания. Четкая формулировка данных требований послужила основой разработки дополнительных процедур обучения, позволяющих формировать выборку эталонных объектов, на которой может быть достигнута максимальная эффективность распознавания. С учетом новых процедур выбора эталонных объектов проведено усовершенствование компьютерной программы метода целевой итерационной классификации.
С помощью разработанного аналитического программного комплекса для территории Горного Алтая впервые выявлены факторы пространственно-временного распределения пожаров от гроз. Показано, что формирование грозопожароопасных ситуаций в исследуемом регионе подчинено солнечной активности, геологическому строению территории и геофизическим вариациям полей.
Защищаемые положения.
1. На основе алгебраической теории распознающих алгоритмов
сформулированы условия корректности решений метода целевой итерационной классификации. Доказана эффективность распознавания метода на выборках малого объема, характеризующихся максимальным информационным разнообразием. На основе сформулированных требований к обучающей выборке предложен эффективный прием построения сжатых таблиц, отвечающих требованиям идеальной эталонной выборки.
2. Разработано комплексное пространство признаков, на основе которого с
помощью метода целевой итерационной классификации выявлены
основные пространственно-временные закономерности в распределении
лесных пожаров от гроз на территории Горного Алтая.
Практическая значимость. Усовершенствованный программный
комплекс целевой итерационной классификации может быть использован при решении практических задач, сводимых к распознаванию образов. Целесообразно выделить функциональную значимость аналитического
программного комплекса и разработанной комплексной базы
данных для выявления других опасных воздействий молниевых разрядов на территории Горного Алтая - повреждений линий электропередач (ЛЭП). Выявленные пространственно-временные закономерности распределения пожаров от гроз послужили основой для формулировки дополнительных рекомендаций по прогнозу пожароопасных обстановок на территории Горного Алтая. Результаты данного исследования внедрены в практику работы Алтайской авиалесоохраны.
Апробация работы. Основные результаты исследования опубликованы в 10 работах. Отдельные вопросы и результаты исследований обсуждались на российских и международных конференциях:
на XL Международной научной студенческой конференции «Студент и технический прогресс» (2002 год, г. Новосибирск)
4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)» (22-24 июня 2004 год, г. Москва);
на Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (5-Ю июля 2004 год, г. Горно-Алтайск);
на 6-й Международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (5-11 сентября 2005 год, г. Иркутск).
Работа поддержана грантами: Университеты России по теме № УР.09.01.056 «Комплексное изучение влияния геодинамических процессов Горного Алтая на характер грозоактивности и исследование мест повышенной техногенной аварийности» (2002-2003 гг.); Министерства образования и науки по проірамме «Развитие научного потенциала высшей школы» по теме «Исследование грозопожароопасности лесных ландшафтов Горного Алтая » (2005 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Материал изложен на 142 страницах и содержит 18 рисунков, 30 таблиц, список литературы из 123 наименований. Общий объем приложений составляет 46 страниц.
