Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 11
1.1. Условия возникновения и распространения лесных пожаров 13
1.2. Современное состояние оценки пожарной опасности в России 17
1.3. Национальные системы прогнозирования пожарной опасности США и Канады 24
1.3.1. Американская национальная система пожарной опасности 24
1.3.2. Канадская система оценки пожарной опасности 32
1.4. Общие требования к системе детальной оценки пожарной опасности лесной территории 37
Выводы 39
Глава 2. Пирологическая значимость таксационных показателей насаждений 40
2.1. Таксационные показатели насаждений 41
2.2. Влияние таксационных показателей насаждений на свойства лесных горючих материалов 46
2.3. Применение геоинформационных технологий в лесном хозяйстве 51
2.3.1. Использование ГИС в задачах лесоустройства 52
2.3.2. Использование ГИС в задачах лесной пирологии 60
Выводы 66
Глава 3. Методика детальной оценки текущей пожарной опасности лесной территории 68
3.1. Пространственная интерполяция показателей пожарной опасности в лесу по условиям погоды 68
3.1.1. Интерполяция показателей погоды полиномом первой степени .70
3.1.2. Интерполяция показателей погоды комплексным полиномом Лагранжа 75
3.2. Расчет распределения источников огня на охраняемой территории 81
3.3. Определение текущей пожарной опасности 86
3.3.1. Учет состояния лесной растительности 86
3.3.2. Учет влияния погоды 89
3.3.3. Расчет балла пожарной опасности 89
3.3.4. Учет вероятности появления источников огня 90
Выводы 90
Глава 4. ГИС-ориентированный программный комплекс "Детальная оценка пожарной опасности лесной территории" 91
4.1. Назначение программного комплекса и решаемые задачи 91
4.2. Практическое применение программного комплекса 97
4.2.1. Оперативная оценка текущей пожарной опасности территории Усольского лесхоза Красноярского края 97
4.2.2. Использование карт текущей пожарной опасности при оптимизации маршрутов воздушного и наземного патрулирования 103
4.3. Использование спутниковой информации в задаче детальной оценки текущей пожарной опасности лесной территории 106
4.3.1. Полярно-орбитальные спутники серии NOAA POES 106
4.3.2. Оперативная оценка пожарной опасности в лесу по условиям погоды на основе спутниковых данных 108
4.3.3. Оценка текущей пожарной опасности кварталов на основе спутниковых данных 111
Выводы 113
Заключение 114
Библиографический список 116
Приложения 129
- Условия возникновения и распространения лесных пожаров
- Использование ГИС в задачах лесоустройства
- Назначение программного комплекса и решаемые задачи
- Оперативная оценка пожарной опасности в лесу по условиям погоды на основе спутниковых данных
Введение к работе
Актуальность работы.
Лес является одним из главных составляющих живой природы и наиболее ценным природным ресурсом для человека. По обеспеченности лесами Россия занимает первое место в мире, обладая примерно 1/5 мировых лесонасаждений и запасов древесины, а в отношении бореальных и умеренных лесов является практически монополистом, обладая 2/3 мирового запаса.
Среди многих важных проблем охраны и воспроизводства лесных ресурсов одной из наиболее актуальных является проблема борьбы с лесными пожарами, приводящими ежегодно к гибели или расстройству миллионов гектаров насаждений, выбросу в атмосферу сотен тысяч тонн продуктов сгорания, снижению водоохранных и защитных свойств лесов. В нашей стране лесные пожары продолжают оставаться фактором, не имеющим себе равных по эффекту воздействия на лес. Пройденная огнем площадь лесного фонда в отдельные годы оказывается соизмеримой с площадью рубок главного пользования и общей площадью лесовосстановительных работ. Проявившаяся в последние годы во многих регионах тенденция роста числа лесных пожаров (рис. 1) связана с резким снижением средств, выделяемых на охрану лесов, что привело к существенному ослаблению лесопожарных служб [33, 34, 37]. В наибольшей степени это отразилось на авиационной охране лесов, финансируемой из средств федерального бюджета.
Обеспечение своевременного обнаружения и ликвидации лесных пожаров в условиях недостаточного финансирования во многом зависит от точности прогноза их возникновения. Основой эффективной работы лесопожарных служб являются оценка и прогноз пожарной опасности (ПО) в лесу, которые характеризуют потенциальную угрозу возникновения лесных пожаров, их развитие и нанесение ущерба лесным ресурсам. На
сегодняшний день в России оценка пожарной опасности проводится лишь по крупным территориальным единицам, что негативно сказывается на точности итоговых прогнозов.
Ппощадь ЛП D Количество ЛП
7,82
6,87
4,11
5,17
4,03
1,69
2,12
1.2
1,0
с; 800
600 I с о ье
Рис. 1. Динамика числа и площадей лесных пожаров в Красноярском крае по годам (1996 - 2004 гг.)
Кроме того, по-прежнему практикуется традиционная политика исключения и тушения всех пожаров, возникающих на лесных землях, находящихся под пожарной охраной, невзирая на экономические соображения (включающие затраты на охрану), на состав древостоя, тип экосистемы и на вероятные последствия пожаров. Попытки ее применения, даже в случае если пожар принес бы пользу для экосистемы, укрепив ее стабильность и снизив нагрузку горючих материалов, приводят к увеличению пожарной опасности и, следовательно, к увеличению силы потенциальных пожаров и ущерба от них. Современное положение требует более объективного и гибкого подхода к охране лесов, в том числе к оценке и прогнозу пожарной опасности [9, 94].
В условиях Сибири и Дальнего Востока, где сеть метеостанций редка, лесорастительные условия чрезвычайно разнообразны, а уровень
хозяйственного освоения территории пока остается низким, особое значение приобретает организация местного определения пожарной опасности силами работников оперативных отделений системы охраны леса. При этом используемая система оценки и прогноза пожарной опасности должна учитывать основные факторы, определяющие горимость лесов, обладать достаточной степенью оперативности и детальности.
В разное время подобные вопросы изучались многими исследователями. М. А. Софроновым, А. В. Волокитиной [15, 83] разработана методика оценки распределения по территории реальной пожарной опасности на основе построения среднемасштабных карт растительных горючих материалов. Метод оценки текущей пожарной опасности, учитывающий различия суточных состояний ландшафтов, предложен Н. А. Марченко [57, 58]. П. А. Цветковым, Г. А. Ивановой [40, 96] рассматривается система местной сигнализации пожарной опасности, включающая три взаимосвязанных компонента: определение пожарной опасности по условиям погоды, местные шкалы очередности пожарного созревания лесных участков, лесопожарные схемы. Однако в силу ряда причин (отсутствие необходимой информации, длительность расчетов) использование указанных подходов при местной оценке текущей пожарной опасности затруднительно. Очевидно, необходимо искать новые пути решения проблемы.
В настоящей работе рассматривается комплексный подход к определению вероятности возникновения пожаров на охраняемой территории, основанный на исследованиях Н. П. Курбатского, Г. А. Доррера, Б. И. Дорогова [26, 49, 50]. Он предполагает использование экспертных оценок таксационных показателей насаждений, данных дистанционного спутникового зондирования.
В настоящее время все государственные лесоустроительные предприятия ведут учет лесного фонда с использованием геоинформационных систем. Таксационная и картографическая информация, определяющая характер и состояние охраняемых площадей, а также их
пространственное расположение, доступна лесохозяйственным
предприятиям в виде совмещенных баз данных. Для проведения оперативного космического мониторинга в интересах лесопожарных служб во многих городах страны функционируют приемные центры. Привлечение спутниковой информации позволит проводить оценку и прогноз пожарной опасности в районах с редкой сетью метеостанций.
Таким образом, использование ГИС-технологий и спутниковых данных открывает новые перспективы по совершенствованию методики оценки и прогноза пожарной опасности лесной территории, способствует повышению эффективности работы лесопожарных служб.
Цель работы: разработка и реализация на основе средств прикладного системного анализа и геоинформационных технологий системы детальной (поквартальной) оценки пожарной опасности в лесу, учитывающей погодные условия, состояние лесной растительности и возможность появления источников огня на охраняемой территории.
Задачи работы:
Постановка общих требований к системе детальной оценки пожарной опасности лесной территории.
Разработка методики детальной оценки пожарной опасности, включающей следующие подзадачи:
a. Изучение зависимости между таксационными характеристиками
насаждений и свойствами лесных горючих материалов (ЛГМ),
b. Обоснование применения интерполяционных методов и спутниковой
информации в задаче поквартальной оценки пожарной опасности в
лесу по условиям погоды.
c. Разработка численной методики расчета распределения источников
огня на охраняемой территории по ретроспективным данным о
лесных пожарах.
3. Создание ГИС-ориентированного программного комплекса для
тематической обработки таксационной, метеорологической и
статистической информации с целью определения текущей пожарной
опасности. Научная новизна работы. Предложен новый комплексный подход к определению текущей пожарной опасности, основанный на детальной пирологической характеристике каждого квартала лесной территории. Подход предполагает использование экспертных оценок, интерполяционных методов, спутниковой информации. На основе изучения интерполяционных методов показано, что пространственное распределение показателей погоды может быть представлено в виде аналитической функции комплексного аргумента.
Практическая значимость. Разработан программный комплекс, представляющий основу системы детальной оценки пожарной опасности. Комплекс прошел тестирование по данным пожароопасных сезонов 2002-2003 гг. территории Усольского лесхоза Красноярского края. Полученные результаты подтверждают адекватность разработанной методики, обосновывают возможность их использования при оптимизации противопожарных мероприятий, в частности, при проектировании маршрутов воздушного и наземного патрулирования. Разработан алгоритм картирования текущей пожарной кварталов с использованием спутниковых данных.
Защищаемые положения:
1, С целью повышения эффективности функционирования структурных
подразделений охраны леса актуальной является разработка
информационной системы детальной оценки пожарной опасности
лесной территории.
2. Определение пирологической характеристики насаждений может быть
выполнено с помощью метода экспертных оценок, учитывающего
относительное влияние таксационных показателей насаждений на
свойства лесных горючих материалов.
Вследствие редкой сети метеостанций детальную оценку и прогноз пожарной опасности по условиям погоды следует проводить с использованием интерполяционных методов и спутниковой информации.
Предложенная численная методика распределения источников огня на охраняемой территории позволяет учесть влияние антропогенных и природных факторов на пожарную опасность в лесах.
Разработанный ГИС-ориентированный программный комплекс является основой системы детальной оценки пожарной опасности с целью оптимизации мероприятий по предупреждению, обнаружению и тушению лесных пожаров.
Реализация результатов. Созданный программный комплекс принят к использованию в Сибирском региональном центре по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий.
Личный вклад автора. Выполнены сбор, обработка и анализ экспериментальных и статистических данных. Разработана методика и написано программное обеспечение по реализации системы детальной оценки пожарной опасности лесной территории. Разработан алгоритм картирования текущей пожарной опасности кварталов на основе данных дистанционного спутникового зондирования.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы были представлены на IV Международной научно-практической конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Пенза, 2003); Всероссийской научно-практической конференции "Совершенствование системы управления организацией в современных условиях" (Пенза, 2004); Всероссийской научно-практической конференции "Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы" (Красноярск, 2004); Международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы лесного комплекса" (Брянск, 2004); VII и VIII Международных научно-
практических конференциях "Экология и жизнь" (Пенза, 2004-2005); Международной научно-практической конференции "Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия" (Иркутск, 2005); на семинарах и научно-практических конференциях СибГТУ (2002-2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Из них 1 - в центральной печати, 6 — в сборниках материалов международных конференций.
Структура работы. Диссертация изложена на 128 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений. Работа содержит 25 рисунков, 24 таблицы. Библиография включает 121 наименование.
В первой главе рассматриваются факторы, определяющие горимость лесов, приводится аналитический обзор литературных источников, посвященных исследованию методов предвидения возникновения лесных пожаров в России и за рубежом, представлены общие требования к проектируемой системе детальной оценки пожарной опасности лесной территории.
Во второй главе анализируется связь между таксационными показателями насаждений лесного фонда и свойствами ЛГМ. Рассматриваются вопросы применения информационных технологий в лесной отрасли.
Третья глава содержит аналитические основы системы детальной оценки пожарной опасности в лесу. Обосновывается использование интерполяционных методов в задаче оценки пожарной опасности по условиям погоды, предложена численная методика расчета распределения источников огня на охраняемой территории.
Четвертая глава включает техническое описание разработанного программного комплекса, его практическое применение. Рассматривается возможность использования спутниковых данных в задаче определения текущей пожарной опасности.
Условия возникновения и распространения лесных пожаров
Традиционно под лесным пожаром (ЛП) понимается горение, стихийно распространяющееся по лесной площади [52].
Одновременное возникновение большого числа лесных пожаров не бывает совсем неожиданным. Этому стихийному бедствию обычно предшествует ряд природных предпосылок, усиленных хозяйственными, техническими и организационными факторами. Согласно И. С. Мелехову, возникновение лесных пожаров возможно при наличии горючих материалов, условий, способствующих загоранию этих материалов и источника огня [61]. Определение условий возникновения и развития лесных пожаров дает возможность оценить степень пожарной опасности в лесу, тем самым предупредить, быстрее обнаружить и своевременно ликвидировать их.
В лесу имеются различные по своему характеру горючие материалы. Они по-разному реагируют на изменения погоды, неодинаково способны гореть в различные периоды пожароопасного сезона, имеют разную структуру. По той роли, которую играют отдельные лесные горючие материалы (ЛГМ) в возникновении, развитии и распространении лесных пожаров, они подразделяются на следующие три класса [47]:
- проводники горения - мхи и лишайники с мелким опадом; лесная подстилка и торф; валежник и пни;
- поддерживающие горение - травы и кустарнички; подрост и подлесок; хвоя, охвоенные ветви и мелкие сучья;
- задерживающие распространение горения - некоторые кустарнички и травы (люпин многолетний, бадан, сахалинская гречиха), кустарники (серая ольха, многие виды спиреи) и деревья (липа, осина, тополь).
Важнейшим динамическим параметром, определяющим возможность возникновения лесных пожаров, является влагосодержание проводников горения [62]. Влагосодержание, при котором возможно распространение горения, называется критическим, или предельным. Так, критическое влагосодержание зеленых мхов составляет 35 - 40%, кустистых лишайников - 25 - 35%, отмершей травы и листьев - 20 - 25%, лесной подстилки - 50 -60%, торфа - 400 - 500% [47].
Состав, количество, распределение, а также влагосодержание ЛГМ зависит от типа леса, его возраста и таксационных показателей древостоя: породного состава, высоты и полноты. Зная характеристику ЛГМ, можно судить о степени пожарной опасности различных типов леса в отдельные периоды пожароопасного сезона. Так, к наиболее пожароопасным насаждениям относят сосновые и кедровые леса [59]. Основными причинами высокой опасности в этих лесных формациях является малая затененность горючих материалов и то, что эти леса более, чем другие хвойные, приурочены к повышенным местам с сухими и свежими почвами.
На не покрытых лесом площадях горючие материалы под воздействием солнечных лучей и ветра подсыхают быстрей, чем под пологом леса. Поэтому при прочих равных условиях пожарная опасность возникает здесь раньше, чем в древостое. Помимо этого, состав и количество горючих материалов, а следовательно, степень ПО зависят от категории площади, не покрытой лесом, - вырубки, гари, редины, лесные прогалины, луга, болота.
Характер горючих материалов в ходе текущего пожароопасного сезона меняется лишь при существенных изменениях в насаждениях (лесозаготовки, пожары и т. п.). Наиболее же изменчивым фактором, из числа влияющих на пожарную опасность в лесу, является погода. Именно в зависимости от погодных условий варьирует способность горючих материалов к загоранию.
К элементам погоды, оказывающим наиболее существенное влияние на величину пожарной опасности в лесу, относят осадки, температуру воздуха и его влажность. На условия распространения пожаров влияют также ветер и облачность.
Выпадение даже небольших осадков приводит к увлажнению напочвенного покрова и временному прекращению опасности возникновения лесного пожара. Для полного увлажнения лесной подстилки требуется уже значительное количество осадков. Кроме того, на способность лесных материалов к загоранию оказывает влияние продолжительность бездождевого периода: чем он протяженнее, тем суше эти материалы и тем больше осадков необходимо для полного их увлажнения. Однако для возникновения пожара достаточно, чтобы высох поверхностный слой лесного покрова. Так, слой мхов и лишайников может в верхней части иметь влажность 25 — 30% и легко загораться, а влажность нижней части этого слоя может достигать в это время более 70%, когда горение не распространяется [53].
В зависимости от характера ЛГМ для их высыхания необходимо время. На скорость высыхания влияют температура и влажность воздуха. Температура воздуха влияет на испарение влаги. Поэтому чем выше температура, тем скорее происходит высыхание напочвенного покрова. От степени влажности воздуха непосредственно зависит ход испарения и транспирации, а следовательно, влажность и загораемость лесного покрова.
Влияние ветра на усиление пожарной опасности в лесу сказывается в ускорении высыхания горючих материалов. В то же время в отдельных случаях, охлаждая их поверхность от нагрева солнца, он может задерживать ход такого высыхания [69]. Скорость ветра под пологом леса значительно ниже, чем на открытых местах, на скорость и направление ветра оказывает большое влияние рельеф и перемежаемость леса с безлесными пространствами.
Отсутствие или наличие облачности не может определять величину пожарной опасности в лесу, однако облачность задерживает солнечные лучи и тем самым препятствует высыханию лесного покрова.
Таким образом, ни один из элементов погоды, взятый в отдельности, не может достаточно точно характеризовать способность к загоранию ЛГМ. Это объясняется тем, что при благоприятном состоянии одного элемента погоды для условий горения в лесу, состояние других элементов может быть неблагоприятным. Решающим фактором, определяющим возникновение огня на участках лесной территории, которые приобрели способность к загоранию, является наличие источника огня на этих участках. Источники огня в лесу составляют две группы: природные и антропогенные.
Природные источники огня - это, главным образом, молнии при так называемых "сухих" (бездождевых) грозах. В лесостепных районах, где грозы чаще всего формируются над лесными массивами, и в горных лесах бывает значительное число пожаров от молний. В ленточных борах Сибири от молний возникает до 30 % лесных пожаров [54]. Загорания также возможны от болидов - горящих под землей угольных пластов - при выходе их на поверхность. Имеются сведения о загораниях леса от электрических разрядов между землей и ветвями хвойных деревьев или остриями сухой травы, электризуемых дымовым шлейфом пожара при его движении. Загорается лес и при взрыве шаровых молний, входящих в контакт с растительностью. В общем случае, по причине природных источников огня возникает до 10% лесных пожаров.
Антропогенные источники огня связаны с посещениями леса населением для отдыха или выполнением тех или иных работ. Статистические данные указывают, что девять пожаров из десяти возникает по вине человека. Особой опасности подвергаются лесные массивы вблизи городов и промышленных центров. Анализ условий возникновения и развития лесных пожаров показывает, что на 5-ти километровую зону вокруг городов и поселков европейского Севера и Сибири приходится до 60%, на 10-километровую зону — 93% общего числа лесных пожаров [53].
Подводя итог, можно отметить, что для предотвращения возникновения и распространения лесных пожаров необходима детальная оценка пожарной опасности территории с учетом всех основных влияющих факторов, а именно: характера растительности, погодных условий, наличия источников огня. Комплексный учет этих факторов, их взаимосвязь должны составлять основу методики прогнозирования ПО.
Использование ГИС в задачах лесоустройства
В исторической ретроспективе процесс внедрения средств автоматизации обработки данных лесоустройства начался во второй половине прошлого века, и в конце 70-х годов поточная обработка повыдельных данных на ЭВМ стала обычной практикой для всех лесоустроительных предприятий. В настоящее время, в связи с отсутствием единого централизованного подхода со стороны государства, для создания и ведения повыдельных баз данных используются различные комплексы программ. Наиболее распространенной системой ввода-контроля информации в поточном режиме является система СУБД-L, основу которой составляет база данных реляционного типа.
С 80-х годов в лесоустройстве ведутся исследовательские работы по совмещению таксационной и картографической информации с целью ввода, хранения, обработки и выдачи материалов планово-картографического содержания. На сегодняшний день эти задачи решаются с применением ГИС-технологий.
Программный комплекс ТИС TopoL-L" для лесной отрасли.
Начиная с 1998 г., Центрлеспроектом и Мослеспроектом устройство лесов Московской области проводится по единой схеме с помощью специализированной ГИС для предприятий лесной отрасли на базе геоинформационной системы "TopoL" (TopoL Software, s.r.o., Чехия). Система может использоваться на всех уровнях управления отраслью: лесничество — лесхоз - региональная ГосЛесСлужба - Министерство природных ресурсов [25, 70].
Обработка лесоустроительной информации и последующее картографирование ведется с помощью комплекса программ TopoL-L. Система TopoL-L позволяет:
- создавать лесные карты — повыдельные, поквартальные, региональные;
- совмещать с лесными картами любую содержательную информацию -таксационные описания, поквартальные итоги, государственный учет лесов;
- осуществлять быстрый поиск информации в пределах лесхоза или региона по запросам любой сложности или вложенности, по любым показателям;
- просматривать карты и связанную с ними таксационную или учетную информацию в любых режимах и в любой последовательности (рис. 2.3.1.1);
- вносить по результатам хоздеятельности текущие изменения как в пространственную, так и в таксационную информацию;
- получать на основе таксационных описаний итоги по кварталам, лесничествам, лесхозам или по произвольно отобранным объектам;
- получать любые тематические карты.
Система TopoL-L успешно работает с большими объемами растровых изображений, что позволяет с ее помощью получать планшеты с растровой топографической подложкой и фотопланы. Система проста в использовании и поддерживает DDE - доступ ко всем внутренним функциям, поэтому весьма перспективна для последующей доработки. Внутренняя база данных имеет стандартный, открытый формат и допускает параллельный доступ к ней из внешних программ, что расширяет возможности независимых разработчиков. Интерфейс системы по задачам лесного хозяйства разработан с использованием языка C++ в среде Borland Builder и может быть адаптирован под нужды лесных специалистов любых регионов.
Информационно-программный комплекс "ЛесГИС".
На территории лесхозов Западной Сибири разработка и внедрение в камеральное производство автоматизированных технологий осуществляется силами Западно-Сибирского государственного лесоустроительного предприятия (Запсиблеспроект). В 1997 г. создан программный комплекс лесного картографирования на базе ГИС Maplnfo "ЛесГИС", который предназначен для изготовления всех планово-картографических материалов лесоустройства и разнообразных тематических карт. Кроме того, разработана и внедрена технология создания и текущего обновления совмещенной лесотаксационной и картографической базы данных, а также ведения непрерывного лесоустройства [46, 45].
Лесоустроительная информация обрабатывается по комплексу программ "СОЛИ-2", основу которого составляет СУБД-L, и используется для получения выходных данных лесоустроительного проектирования, а также в качестве семантической таксационной информации при создании лесных электронных карт и как составная часть совмещенной базы данных. В табл. 2.3.1.1 приведен пример содержания лесотаксационной базы данных.
Совмещение таксационной и картографической информации в единую базу осуществляется с помощью идентификатора объекта карты, хранящегося в файле с расширением DBF. Общая технологическая схема создания совмещенных лесотаксационных баз данных представлена на рис. 2.3.2.1.
Работа с совмещенной базой данных позволяет:
- вносить текущие изменения в существующую таксационную и картографическую базу данных;
- получать информацию по стандартным и произвольным запросам, данные учета лесного фонда (формы 1 и 2);
- распечатывать на бумажных носителях обновленные планшеты, окрашенные планы лесничеств и схемы лесхозов (или их фрагменты);
- по запросу пользователя получать тематические карты; - проводить текущее планирование рубок леса, лесовосстановительных, противопожарных, лесозащитных и других мероприятий;
- обеспечивать справочно-информационное обслуживание руководителей и специалистов всех уровней управления лесным хозяйством;
- формировать информацию для мониторинга за состоянием лесов.
Назначение программного комплекса и решаемые задачи
С целью повышения эффективности функционирования структурных подразделений системы охраны леса, оптимизации мероприятий по предупреждению, обнаружению и тушению лесных пожаров нами создан ГИС-ориентированный программный комплекс на примере Усольского лесхоза Красноярского края. Практическая реализация методики детальной оценки пожарной опасности лесной территории включает программный модуль, разработанный в визуальной объектно-ориентированной среде Borland Delphi 6 [8, 55], и средство анализа географической информации Arc View 3.3 [13,41,39, 104]. Для работы необходима Windows-совместимая операционная система, процессор класса Intel Pentium.
Комплекс задач, решаемых системой для каждого квартала заданной территории, включает:
- определение относительной оценки природной пожарной опасности;
- интерполяцию метеорологических данных и расчет комплексного показателя горимости; - учет возможности появления источников огня;
- получение комплексной оценки пожарной опасности.
Итоговым результатом работы комплекса является получение тематических карт по стандартным и произвольным запросам, получение отчетов о текущей пожарной опасности заданной территории.
Первым этапом реализации программного комплекса было построение функциональной модели деятельности системы детальной оценки пожарной опасности лесной территории с использованием CASE-средства BPwin 4.1 (приложение 2). На основе модели деятельности было произведено проектирование иерархии объектов комплекса, затем проведена генерация объектного кода и сборка программы.
Определение относительной оценки природной пожарной опасности каждого квартала заданной территории осуществляется на вкладке "Экспертные оценки" программного модуля (рис. 4.1.1).
Основу расчетов составляет повыдельная база данных, содержащая полное таксационное описание всех выделов заданной территории, включая их географические характеристики. Пользователь организует ввод экспертных оценок следующих таксационных показателей: категория земель, тип леса, преобладающая порода, группа возраста, полнота древостоя. Кроме того, устанавливаются относительные оценки самих показателей. В результате расчетов формируется файл с расширением .DBF, имеющий следующие поля: идентификатор объекта карты, номер лесничества, номер квартала, относительная средневзвешенная оценка пожароопасности квартала.
Полученная информация необходима для создания карт (1:500000) природной пожарной опасности заданной территории. Разнородные в пирологическом плане таксационные участки (выдела) получают общую усредненную оценку в зависимости от оценок, выставленных экспертным путем. Полученные карты служат основой для мониторинга текущей пожарной опасности, могут быть использованы при противопожарном устройстве лесного фонда. При внесении изменений в таксационное описание заданной территории следует проводить повторные расчеты относительных оценок пожароопасности.
Интерполяция метеорологических данных и расчет комплексного показателя горимости доступны на вкладке "Метеоданные" программного модуля (рис. 4.1.2). Система обеспечивает регистрацию и хранение метеорологических данных, введенных пользователем или импортированных в виде .txt файла заданной структуры. Интерполяция метеоданных (температура воздуха, точка росы, осадки) и расчет комплексного показателя горимости осуществляется для кварталов, находящихся внутри симплексов, образуемых тремя ближайшими друг к другу метеостанциями. В результате расчетов формируется файл с расширением .DBF, имеющий следующие поля: идентификатор объекта карты, номер лесничества, номер квартала, температура воздуха, точка росы, осадки, комплексный показатель горимости. Ввод метеорологических данных и расчет комплексного показателя осуществляется ежедневно после получения структурным подразделением метеосводки.
Расчет комплексной оценки пожарной опасности квартала осуществляется на вкладке "Расчет" программного модуля (рис. 4.1.3). Пользователь организует ввод минимальных значений комплексного показателя горимости для заданных интервалов средневзвешенных экспертных оценок пожарной опасности кварталов, при которых в них возможны пожары. Учет возможности появления источников огня в квартале при расчете комплексной оценки доступен после импортирования ретроспективной статистики пожаров (по данным за последние 8-10 лет) в виде .txt файла заданной структуры. В результате расчетов формируется файл с расширением .DBF, имеющий следующие поля: идентификатор объекта карты, номер лесничества, номер квартала, балл пожарной опасности, значение функции возможного возникновения пожара (ВВП). Расчет комплексной оценки пожарной опасности квартала осуществляется ежедневно после получения структурным подразделением метеосводки.
Оперативная оценка пожарной опасности в лесу по условиям погоды на основе спутниковых данных
Сотрудниками института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН разработана технология оперативной оценки и прогноза пожарной опасности в лесах по условиям погоды (рис. 4.3.2.1), базирующаяся на информации, получаемой со спутников серии NOAA. С целью повышения эффективности функционирования системы охраны лесов от пожаров, снижения затрат на сбор, обработку и передачу информации о пожароопасном состоянии лесов создана ГИС оперативного мониторинга пожарной опасности [76, 86].
В основе оценки и картирования индекса пожарной опасности по условиям погоды лежит информация теплового диапазона (5 канал AVHRR), позволяющая восстановить температурное поле видимой поверхности, дополненная данными о температуре точки росы и об осадках (микроволновой зонд TOVS) в нижних слоях атмосферы.
На основе корреляционного анализа установлена тесная связь между значениями температур, измеренных на метеостанциях, и данными о радиационной температуре в тех же точках, полученной с помощью приборов AVHRR и TOVS: где Tair - данные метеостанций о температуре воздуха, TAVHRR. радиационная температура по данным радиометра AVHRR. где Tair - данные метеостанций о температуре воздуха, TT0VS . температура воздуха на высоте, соответствующей давлению ЮООмбар по данным TOVS; где T dp - данные метеостанций о температуре точки росы, TT0VSdp данные дистанционного спутникового зондирования на высоте, соответствующей давлению ЮООмбар.
Расчет комплексного показателя пожарной опасности по условиям погоды осуществляется с использованием модифицированного соотношения В.Г. Нестерова, которое имеет вид: где Гу _ комплексный показатель пожарной опасности; Т - температура точки росы, С; t - радиационная температура поверхности, С; ь коэффициент учета осадков; Ап - альбедо в 1, 2, 3 каналах радиометра AVHHR спутника NOAA-16. Суммирование ведется для /-той точки района по всем дням пожароопасного сезона (/).
По изображению в 5 (тепловом) канале радиометра AVHRR восстанавливается температурное поле видимой поверхности в заданном районе. Комбинация видимого и ближнего инфракрасного каналов AVHRR позволяет выявить и исключить из расчетов области закрытые облачностью и водные поверхности. Для коррекции ПО с учетом количества выпавших осадков используются данные метеостанций.
Следует отметить, что наряду с преимуществами использования спутниковых данных в задаче оценки пожарной опасности по условиям погоды, существует ряд трудностей, требующих дополнительного изучения вопроса [30]. Так, в частности, оценка текущего влагосодержания ЛГМ осуществляется путем проведения систематических сканерных съемок лесной территории в инфракрасном и радиотепловом диапазоне и последующей обработке изображений [10]. Указанный подход целесообразно использовать при зондировании параметров теплового излучения участков растительности на открытой местности, в противном случае на точность измерений значительное влияние оказывает экранирующий эффект крон деревьев [98]. Требуют также дальнейшего изучения электрофизические свойства лесной растительности.
