Введение к работе
Актуальность работы.
Среди средств обнаружения лесных пожаров в настоящее время наиболее перспективными следует считать системы спутникового мониторинга. Космическое дистанционное зондирование является эффективным способом получения данных, необходимых для обнаружения и мониторинга лесных пожаров, что особенно важно для Сибири, где сосредоточены основные лесные массивы.
Несмотря на достаточно широкий спектр применения методов и средств космического мониторинга пожаров на территории азиатской части России, имеются значительные расхождения между результатами, получаемыми различными организациями. Например, может существенно различаться число обнаруженных очагов пожаров и площади, пройденные огнем. Так, значения площади, пройденной огнем, полученные с применением спутниковых данных, могут отличаться в два раза и более. Причинами расхождений являются различные подходы к обнаружению пожаров и оценке их площади, а также конъюнктурные соображения.
Исследованиям методов обнаружения и мониторинга лесных пожаров посвящены работы Н.А. Абушенко, А.И. Сухинина, Е.А. Лупяна, специалистов Института космических исследований, Института оптики атмосферы и других. Из зарубежных ученых можно отметить работы И. Кауфмана, Л. Гиглио, М. Вустера. Однако в известных работах не содержится результатов, позволяющих однозначно утверждать о создании методов, в полном объеме обеспечивающих решение задачи обнаружения пожаров и оценки их энергетических параметров. В настоящее время практически единственным известным алгоритмом, выполняющим оценку вероятности обнаружения пожаров по спутниковым данным, является алгоритм MOD 14. В то же время фиксированные пороговые значения, используемые в алгоритме, не позволяют учитывать региональные особенности в процессе обнаружения. Следовательно, на территории азиатской части России использование MOD 14 в «чистом» виде может приводить к существенному занижению вероятности обнаружения.
Помимо непосредственного обнаружения пожаров важной задачей является
і мониторинг их параметров: площади, периметра кромки и радиационной мощности
пожара. Кроме того, измерения радиационной мощности также могут быть
применены для оценки интенсивности тепловыделения на кромке пожара, что в
свою очередь позволяет оценивать вид пожара.
На основании вышеизложенного следует отметить актуальность задачи проведения исследований в области методов и средств оценки достоверности обнаружения и оценки энергетических параметров лесных пожаров, а также модификации процедуры оценки вероятности обнаружения в алгоритме MOD 14.
Полученные результаты позволят усовершенствовать существующий алгоритм обнаружения пожаров и методику оценки их энергетических параметров, а также повысить уровень охраны природной среды.
Целью работы является разработка метода и средств обнаружения лесных пожаров с применением вероятностных порогов и оценки их энергетических параметров по данным приборов космического базирования.
1 Под радиационной мощностью понимается доля тепловой энергии, выделяемой в процессе горения растительности, которая высвобождается в виде излучения.
Для достижения поставленной цели в рамках диссертационного исследования решаются следующие задачи:
Анализ влияния конструктивных параметров спутниковой сканирующей аппаратуры на вероятность обнаружения пожаров;
Разработка метода обнаружения лесных пожаров приборами космического базирования с использованием вероятностных пороговых значений;
Усовершенствование существующего алгоритма расчета вероятности обнаружения пожара, применимого к условиям лесов Восточной Сибири;
Разработка методики оценки и дистанционного мониторинга энергетических параметров лесных пожаров с использованием приборов космического базирования;
Исследование энергетических параметров лесных пожаров, действующих при различных уровнях пожарной опасности по условиям погоды;
Исследование особенностей возникновения и распределения лесных пожаров, на территории Сибири.
Объект исследований - методы аналитического контроля и приборы космического базирования, предназначенные для экологического мониторинга лесных пожаров.
Предмет исследования - повышение качества природной среды посредством противопожарного мониторинга лесов Восточной Сибири, на основе применения приборов космического базирования.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем:
Разработан научно обоснованный вероятностный метод обнаружения лесных пожаров, позволяющий на основе энергетических параметров сигнала и характеристик спутниковой аппаратуры оценивать вероятность обнаружения лесного пожара;
Предложена методика оценки влияния энергетических характеристик тепловой аномалии и геометрии наблюдения на вероятность обнаружения лесных пожаров, позволяющая оценивать возможности приборов космического базирования по обнаружению лесных пожаров;
Разработана методика обнаружения лесных пожаров, использующая статистические закономерности распределения температур земной поверхности и позволяющая повысить эффективность существующего алгоритма обнаружения пожаров;
Разработана методика обработки данных спутниковой съемки, позволяющая оценивать интенсивность тепловыделения на кромке лесного пожара и его вид.
На защиту выносятся:
Разработанный вероятностный метод обнаружения лесных пожаров, учитывающий технические характеристики приборов космического базирования и энергетические характеристики пожаров;
Методика оценки влияния энергетических характеристик тепловой аномалии и геометрии наблюдения на вероятность обнаружения лесных пожаров;
Методика обнаружения лесных пожаров, позволяющая повысить эффективность существующего алгоритма MOD 14, применительно к геоклиматическим условиям Сибири;
4. Методика и разработанное программное обеспечение оценки энергетических характеристик лесных пожаров по данным приборов космического базирования. Теоретическое значение диссертации заключается в развитии теории, методов и средств обнаружения и мониторинга лесных пожаров, подходов и методик использования приборов космического базирования. Практической значимостью обладают
Метод аналитического расчета вероятности обнаружения лесного пожара, учитывающий характеристики приборов космического базирования и энергетических характеристик лесного пожара, позволяющий оценивать возможности спутниковых систем в задачах обнаружения лесных пожаров;
Усовершенствованная методика расчета вероятности обнаружения лесных пожаров, повышающая эффективность системы обнаружения лесных пожаров на территории Сибири, по сравнению с использующимся на сегодняшний день алгоритмом MOD 14;
Разработанный усовершенствованный алгоритм и программное обеспечение оценки энергетических характеристик лесных пожаров, позволяющие определять дополнительные характеристики -интенсивность тепловыделения на кромке лесного пожара и его вид.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы обработки данных приборов космического базирования, цифровой обработки изображений, математического моделирования, математической статистики, численного решения систем нелинейных уравнений. При разработке программного обеспечения использовался программный пакет Microsoft Visual Studio.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в системе противопожарного мониторинга в Государственном предприятии Красноярского края «Лесопожарный центр». Результаты применения диссертационных исследований подтверждаются соответствующим актом.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием, методов математического моделирования и математической статистики, непротиворечивостью исследованиям других авторов, необходимым объемом экспериментальных исследований и доказана удовлетворительной сходимостью расчетов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Материалы диссертационного исследования были представлены на следующих конференциях: Всероссийской с международным участием научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" - Красноярск, 2005 г.; Международных конференциях "Решетневские чтения" - Красноярск, 2006 и 2009 г.; Международной конференции "Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии" -Томск, 2007 г.; Ежегодных конференциях молодых ученых "Исследование компонентов лесных экосистем Сибири" - Красноярск, 2005, 2006 и 2007 г.; Международной конференции IBFRA "Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions" - Красноярск, 2011 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из которых 4 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в список ВАК.
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационного исследования получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 7 приложений; содержит 16 таблиц, 27 рисунков. Общий объем составляет 132 страницы. Список литературы включает 119 источников.
