Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 7
1.1. Пожарная опасность лесов 7
1.2. Зарубежный и отечественный опыт моделирования пожарной опасности 8
2. Трансформация лесотаксационных данных влесопирологические 17
2.1. Декомпозиция системы 17
2.2. Номинальная шкала системы 22
2.3. Морфологический анализ базовых элементов системы 26
2.4. Трансформация лесотаксационных данных в лесопирологические 28
3. Моделирование видов вероятных лесных пожаров 41
4. Моделирование природной пожарной опасности 59
4.1. Логико-лингвистические модели пирологических типов 59
4.2. Логико-лингвистические модели классов природной пожарной опасности 66
5. Оценка и снижение природной пожарной опасности 67
5.1. Сеть взаимодействий 67
5.2. Логико-лингвистические модели мероприятий по снижению природной пожарной опасности 72
6. ГИС - ориентированный программный комплекс 84
6.1. Схема создания программного комплекса 84
6.2. Блок трансформации лесотаксационных данных в лесопирологические 87
6.3. Блок определения видов вероятных лесных пожаров 93
6.4. Блок оценки пирологических типов леса, природной пожарной опасности 96
6.5. Блок выбора и назначения противопожарных профилактических мероприятий 100
7. Экспертная оценка адекватности модели 103
Заключение 108
Библиографический список
- Зарубежный и отечественный опыт моделирования пожарной опасности
- Номинальная шкала системы
- Трансформация лесотаксационных данных в лесопирологические
- Логико-лингвистические модели классов природной пожарной опасности
Зарубежный и отечественный опыт моделирования пожарной опасности
В настоящее время существуют четыре группы лесохозяйственных ГИС. А именно: лесоустроительные (совмещенные базы картографических и таксационных данных), лесохозяйственные (для планирования лесохозяйственных работ и учета текущих изменений в лесном фонде), управленческие (базы данных для получения аналитических карт для принятия управленческих решений), оперативные (для быстрого анализа и оценки экстремальных ситуаций для служб МЧС, авиабаз и др.). В Институте леса им. В.Н. Сукачева СО РАН реализуется программа создания экспериментальной трехуровневой региональной ГИС «Леса Средней Сибири», которая может быть включена в единую систему мониторинга лесов России [Плешиков, 1998]. Данная ГИС включает следующие блоки: контроля состояния лесного покрова и хозяйственной деятельности в лесу; оценки техногенных воздействий на леса; мониторинга повреждения лесов энтомовредителями. Локальная информационная система базируется на крупномасштабных картах и более детализирована. Основная ее цель -оценка динамики ресурсных и экологических функций лесных сообществ. Это необходимо для принятия оптимальных решений по экосистемному управлению лесами. В частности, подсистема локальной ГИС по контролю за лесными пожарами необходима для оценки условий возникновения, распространения и развития лесных пожаров. На ее основе осуществляется картографическая инвентаризация пожароустойчивости насаждений, и ведутся исследования по оценке влагосодержания лесных горючих материалов, разработке прогноза развития лесных пожаров. Подсистема контроля за лесными пожарами в первую очередь предусматривает мониторинг метеообстановки действующих лесных пожаров и прогнозирование пожарной опасности в лесах. В работе [Сухинин, 2003] дается краткосрочное прогнозирование пожарной опасности в лесах Восточной Сибири и ее картирование по спутниковым данным.
Кроме этого имеется опыт проектирования противопожарных мероприятий в лесах Алтайского края с использованием элементов системы ГИС [Маценко, 1999]. За участок, где учитывается лесопожарная характеристика, принят квартал или группа территориально примыкающих кварталов, где большинство участков является зрелыми в пожарном отношении при определенном классе пожарной опасности по условиям погоды. Основные функции разработанной подсистемы ГИС: автоматизированная обработка генеральных планов противопожарного устройства лесов; автоматизированный мониторинг лесных пожаров; информационно-справочные функции; возможность компьютерного моделирования развития лесных пожаров и оптимизация борьбы с ними.
В целях совершенствования системы охраны лесов от пожаров ученые неоднократно отмечали необходимость создания специализированной лесопо-жарной информационной системы и предлагали различные методики и способы ее построения. [Шешуков, 1966, 1987; Валендик, 1979; Софронов, 2002; Михалев, 2003].
На важность создания практичной отечественной системы пирологи-ческих характеристик и оценок путем совершенствования существующих с учетом их практической направленности указывалось в работе [Софронов, 1998]. Разными авторами [Мелехов, 1979; Курбатский, 1962; Арцыбашев, 1984; Цветков, 1998] предложен ряд классификаций ЛГМ, которые широко используются в научных и прикладных целях. Считается, что простая в применении классификация ЛГМ поможет решить проблему лесных пожаров [Шешуков, 1988].
Природа лесного пожара в большей мере зависит от характера и состояния горючих материалов, чем от источника огня и погодных условий. В работе [Софронов, 2002] природная пожарная опасность (ППО) понимается как пожарная опасность, обусловленная природой самого объекта, т.е. природой территории, покрытой растительностью. Природная пожарная опасность обуславливается характеристиками комплекса растительных горючих материалов на участках. Оценку природной пожарной опасности растительности на небольших частях территории возможно делать только по пирологической характеристики растительности на данной части территории. Среди пирологических ха 15 рактеристик [Софронов, 1988; Архипов, 1988] отмечаются следующие: типы растительности: лесные формации, кустарниковые заросли, болотно-лесотундровые комплексы, класс бонитета, полноты. Выделяются общие проводники горения (ОПТ) - лишайники, мхи и запасы растительных горючих материалов.
Согласно работе [Волокитина, 1988] часть необходимых для пирологиче-ского описания характеристик рекомендуется брать прямо из таксационных описания: экспозиция и крутизна склона; возраст, возраст, высота и полнота древесных ярусов; тип леса, захламленность, тип леса, травы и кустарнички, подрост и подлесок, валежник и сухостой, хвоя и листва в пологе древостоя. На основе специально разработанной классификации типов проводников горения и также данных лесоустройства предложена методика создания с помощью компьютерной техники оперативных карт лесных горючих материалов для организации тушения пожаров. В работе [Софонов, 2005] важная роль отводится ежедневному балансу иссушающих и увлажняющих метеофакторов в методах оценки текущей реальной пожарной опасности в природных условиях.
В работе [Острошенко, 2002] в качестве пирологической характеристики лесных участков используются лесопожарные характеристики: преобладающая порода, классы бонитета и возраста, полнота, тип ЛГМ, хвойный подрост, кед-рово-стланиковые заросли, валежник.
В работе [Иванова, 2002] отмечалось, что природная пожарная опасность лесов в значительной степени определяется запасами и структурой лесных горючих материалов: тип леса, состав, полнота и возраст древостоя и от продолжительности времени после последнего пожара. «Оборот огня» составляет 50-100 лет [Софронов, 1988] и запас горючих материалов достигает максимального значения.
Номинальная шкала системы
При увеличении высоты и густоты хвойного подроста H N 4.9 вероятность возникновения и распространения верхового пожара возрастает. Расстояние между кронами при данной высоте и густоте будет меньше диаметра крон. Для оценки пожароопасности хвойного молодняка, подроста по материалам лесоустройства установлена зависимость густоты и высоты подроста с учетом высот и средних диаметров крон сосны, характерных для III бонитета. Более густой и высокий подрост в течение года дает большее количество опада, что способствует увеличению интенсивности напочвенного пожара, и, в свою очередь, повышает природную пожарную опасность насаждений.
При строгом рассмотрении вероятности распространения пламени с одной кроны на другую в подросте или молодняке хвойных пород имеют значение класс пожарной опасности по условиям погоды, интенсивность низового пожара, скорость ветра. Сведений об особенностях суммарного воздействия указанных факторов в специальной литературе не обнаружено. На момент назначения или осуществления противопожарных профилактических мероприя 37 тий эти данные не известны. Достоверно известными показателями, зафиксированными лесоустройством, являются - состав, средняя высота, средняя полнота или густота подроста, молодняка, что и принято за исходные данные для оценки пожароопасности хвойного подроста, молодняка с целью назначения мероприятий по предупреждению в них пожаров.
Пирологические свойства подроста целесообразно оценивать по следующим градациям: нет подроста, лиственный, хвойный не пожароопасный и хвойный пожароопасный. Отсутствие подроста способствует проникновению к напочвенному покрову большего количества солнечной радиации, и, следовательно, сокращает сроки его пожарного созревания. В пирологическом отношении подрост считается лиственным, если в его составе присутствует семь и более единиц лиственных пород. По своим пирологическим свойствам лиственный подрост близок к подлеску и лиственным древостоям старших возрастов, поскольку в весенний период находится в безлиственном состоянии, а осенью дает лиственный опад. Подрост считается хвойным, если в его составе присутствует семь и более единиц хвойных пород (Приложение 3).
Пожарная опасность хвойного подроста и молодняка может рассматриваться в двух аспектах. Во-первых, как угроза развития низового пожара в под-лесный или верховой и уничтожения примыкающего участка хозяйственно ценного леса. Во-вторых, как опасность уничтожения собственно самого объекта, отличающегося высокой экологической ценностью и являющегося источником будущих лесов. Со временем этот источник способен ликвидировать отрицательные последствия лесного пожара и восстановить нарушенные благотворительные функции лесов. Вводятся обозначения пирологических кодов: «Н», если нет хвойного подроста, «X» для хвойного подроста непожароопасного, «П» для хвойного подроста пожароопасного, «Л» для лиственного подроста.
Анализируется угроза перехода низового пожара в верховой в зависимости от густоты и высоты хвойного подроста. К хвойному подросту относятся следующие породы насаждения : кедр (К) , пихта (П), ель (Е), сосна (С), лист 38 венница (Л). Сначала суммируются коэффициенты состава хвойных пород подроста. Если полученный коэффициент состава пород равен 6 или 5 , то данный подрост квалифицируется как непожароопасный (таблица 2.4.4). Если коэффициент состава пород больше или равен 7 единиц, только тогда рассчитывается пожароопасность подроста. Если высота и количество подроста из таксационных данных удовлетворяют неравенству (2.4.2), то такой подрост является пожароопасным и есть угроза перехода низового пожара в верховой
Трансформация лесотаксационных данных в лесопирологические
Лесопирологическая система, так же как и любая семантическая система, в общем виде определяется как С=(РК1, РК2, ..., РКП, KPU.PTIP, РРО, Ml,..., M15,R,, R2,...,Rg) (4.1) где РК1, РК2, ..., РКП, KPU, РТІР, РРО, Ml,..., Ml5 множество элементов, на которых определена система отношений R], R2,...,Rg. Отношения эти могут быть бинарными (на парах элементов) и «-арными (на п элементах).
Создавая модели, будем придерживаться определения: модель есть отображение: целевое; реальное, динамическое, конечное, упрощенное, приближенное; имеющее наряду с безусловно-истинным условно-истинное содержание, проявляющееся и развивающееся в процессе его создания и практического использования [Перегудов, 1989].
Несмотря на то, что сегодня практика не имеет апробированной методики деления леса по видам ценности (экономическая, экологическая, социальная) [Выводцев, 2002], в данной работе делается попытка установить пирологиче-ские различия и объекты, требующие защиты в первую очередь. Морфологическая матрица (таблица 2.3.1) является нормативно-справочным обеспечением и определяет возможность формирования пирологических характеристик лесов на основе принципа, когда каждый последующий фактор делит предыдущий на число групп равное числу критериев оценки последующего фактора. Лесопиро-логическое состояние таксационного выдела описываются вектором в пространстве 11 признаков хі,...,хц. По компонентам (программные коды РК1,...,РК11) вектора состояния выдела определяется вид вероятного пожара и пирологический тип и класс природной пожарной опасности. А все разнообразие (138 категорий) земель лесного фонда описывается множеством векторов состояния системы, число которых составляет 345600 138.
Как показано в данной работе, для того, чтобы дать оценку пирологиче-ской структуре лесов любого лесохозяйственного предприятия Восточной Сибири, достаточно описать ее с использованием 11 -мерном модели. Для описания пирологических типов проводится также агрегирование элементов. Моделирование пирологической структуры проводится в три этапа. На первом все лесные площади агрегируются по ценности. Ценность лесных площадей определяет приоритетность предупреждения в них пожаров. При этом ценность можно рассматривать как комплексную характеристику, учитывающую экологический и хозяйственный аспекты. На следующем этапе насаждения агрегируются по видам вероятных лесных пожаров и их последствиям. Далее в пределах выделенных пирологических групп типов леса формируется описание каждого пирологического типа леса с учетом правил классифицирования [Арманд, 1975].
Теоретической основой, определяющей возможность пирологического анализа участков лесного фонда, является впервые разработанная нами [Михалев, 2004, 2005] схема пирологической классификации лесов Восточной Сибири и шкала оценки их природной пожарной опасности (таблица 4.1.1). Пироло-гические типы объединяют участки лесного фонда по степени снижения их экологической и хозяйственной ценности, а также вероятности гибели элементов лесного биогеоценоза от пожара при высоких классах пожарной опасности по условиям погоды. В результате исследований структуры лесного фонда Восточной Сибири выявлено 15 пирологических типов. Это позволяет заложить основу системного анализа лесов на основе лесопирологической ГИС и современных информационных технологий.
Агрегирование есть установление отношений между агрегируемыми элементами и диктуется таблицей 4.1.1. Каждый пирологический тип задается совокупностью признаков. Выдел относится к заданному пирологическому типу, если его вектор состояния соотносится с признаками типа. При моделировании пирологических типов посредством агрегирования некоторая предикатная переменная будет пробегать всю совокупность элементов соответствующего ей множества Xt. В языке это соответствует тому, что в утверждении предикатного типа появляется выражение вида «для всех
Логико-лингвистические модели классов природной пожарной опасности
Лесопирологические ГИС является научно-обоснованной информационной поддержкой для лица, принимающего решение при проектировании противопожарных профилактических мероприятий. Для правильного распределения материально-технических ресурсов лесохозяйственного объекта необходимо иметь карту природной пожарной опасности, перечень мероприятий и их приоритетов (рис. 6.5.1). Использование ГИС позволяют получать пространственное распределение видов вероятных лесных пожаров по периодам пожароопасного сезона (весна, лето, весна), пирологических типов, природной пожарной опасности и противопожарных профилактических мероприятий.
В первую очередь устраиваются в противопожарном отношении территории, отнесенные к первому классу природной пожарной опасности, где воздействие огня лесного пожара недопустимо. Предложенные мероприятия по снижению природной пожарной опасности применяются в лесах, примыкающих к поселкам, особо охраняемым природным территориям и другим объектам. Таким образом создаются условия для локализации лесных пожаров на ограниченной площади, что позволит снизить затраты на тушение, предотвратить возникновение верховых и крупных лесных пожаров и сохранить лесную экосистему. ГИС-технологии также содействуют рациональному использованию средств патрулирования лесных территорий [Тетюхин, 2002].
Формальные операции возлагаются на компьютер, неформальные должны выполняться экспертом. Степень истинности модели проявляется при практическом соотнесении модели (предполагаемое) и оригинала (определенно известного). Поскольку нельзя экспериментировать с огнем при высоких классах пожарной опасности по условиям погоды, когда достигается пожарная зрелость ЛГМ, то используется мнение экспертов. В сложных системах проблемы выходят за пределы формальных математических постановок задач и сложно «объективно» сравнить количественные с качественными характеристиками. В этом заключается другая причина обращения к экспертам, «субъективным измерениям». Экспертное оценивание основано на двух предложениях: 1) эксперты в состоянии сравнивать сложные альтернативы, 2) экспертные оценки можно обрабатывать как случайные наблюдения [Бешелев, 1980].
Производится верификация системы в целом и проверка ее адекватности. Решающим на этом этапе оказывается мнение экспертов - специалистов хорошо знающих реальную систему природной пожарной опасности. При оценке различий, наблюдаемых между эмпирическими (экспертными) или вычисленными частотами альтернативных признаков, использовался непарамет-рический критерий х (хи-квадрат). В анализе двух выборок выявляется достоверность различий двух выборок. Для этого проведена статистическая оценка расхождений, наблюдаемых между эмпирическими (экспертными) и теоретическими или ожидаемыми частотами вариационного ряда, с помощью критериев согласия. Если x Xst » нулевая гипотеза сохраняется, т.е. оправдывается предположение, что расхождение между фактическими и теоретическими или ожидаемыми частотами носит исключительно случайный, а не систематический характер.
Критерий вычислялся по двум выборкам, содержащим 32 значения. Экспертная группа насчитывала 6 человек из отдела профилактики пожаров, орга 104 низации лесопожарных работ. Оценку давали кандидаты сельскохозяйственных наук, ведущие научные сотрудники и лесные пирологи. Первая выборка представляет оценки экспертов по виду вероятного пожара на выделе. Оценки, полученные от экспертов, рассматриваются как случайная переменная. Каждый эксперт определял вид вероятного пожара на выделе на основании своих знаний и опыта, имея только лесотаксационное описание. Предлагалось определить один из четырех видов вероятных лесных пожаров: нет пожара, напочвенный, подлесныЙ и верховой.
Вторая выборка представляет программно рассчитанные по тем же вы-делам виды вероятных лесных пожаров на весенний период пожароопасного сезона из рамки «пирологическое описание выдела» формы (рис. 7.1).
