Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова Географический факультет

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова
Географический факультет
Кафедра физической географии мира и геоэкологии
Источники и сетевые сервисы по мониторингу лесных пожаров
Реферат студента 3 курса кафедры физической
географии мира и геоэкологии
Ведева А.Д.
Научный руководитель: Медведев А.А.
Москва – 2012
1
Оглавление
Введение .................................................................................................................................................. 3
Глава 1. Online-мониторинг .................................................................................................................... 4
Глава 2. Web-сайты, с помощью которых можно следить за пожарами .............................................10
Заключение ............................................................................................................................................18
Список литературы ................................................................................................................................19
2
Введение
Всем известно аномально жаркое лето 2010 года в Центральной России, повлекшее за
собой множество неприятных последствий, включая человеческие жертвы. Аномально
жаркая погода стала одной из причин распространения пожаров по всей Центральной
России, но основная причина лежит на плечах высшего руководства страны. Лесников
мало и их деятельность не финансируется, учёные-экологи также не имеют стимула в
работе, поскольку их усердный труд не оплачивается государством. Ущерб, нанесённый
природными катаклизмами за лето 2010 года, дал понять, что необходимо развивать
систему мониторинга пожаров и Web-картографических сервисов. Во время лета 2010
года были созданы некоторые сервисы (www.kosmosnimki.ru и пр.), ежедневно
отслеживающие передвижение пожаров и подсчитывающие количество очагов возгорания
на территории России и за рубежом.
Целью данной работы является анализ отечественных и зарубежных программных
обеспечений (Software) и Web-сервисов, основанных на мониторинге пожаров. Подобные
сервисы сейчас можно использовать как на профессиональных компьютерах в
специальных офисах, так и на обычных компьютерах у себя дома.
3
Глава 1. Online-мониторинг
Современная система мониторинга пожаров основана на данных сптников Terra, aqua и
установленной на них съёмочной системой MODIS.
Терра (EOS AM-1), транснациональный научно-исследовательский спутник на солнечносинхронной орбите вокруг Земли, действующий под руководством агентства НАСА.
Космический аппарат весом 4864 кг был выведен на полярную солнечно-синхронную
орбиту высотой 705 км.
Среди прочих приборов, Терра несёт на борту радиометр MODIS, ведущий съемку в 36
диапазонах спектра, с длиной волны от 0.4 мкм до 14.4 мкм и разрешением от 250 м до
1 км. Прибор предназначен для наблюдения за глобальной динамикой планеты Земля, что
включает изменения в облачности, бюджет излучения, и процессы, происходящие в
океанах, на суше, и в нижних слоях атмосферы.
(http://www.geogr.msu.ru/science/projects/geoportal/data/satellites/terra_aqua.php)
Aqua — научно-исследовательский спутник, запущен 4 мая 2002 года с авиабазы
Ванденберг (США), Спутник Aqua является частью комплексной программы NASA EOS
(Earth Observing System), направленной на исследование Земли и состоящей из трёх
специализированных спутников Terra, Aqua и Aura, предназначенных для исследования
суши, воды и атмосферы соответственно, Спутник был выведен на околополярную
солнечно-синхронную орбиту высотой 680 км, На борту спутника Aqua установлены
шесть научных инструментов, часть из которых предназначена для изучения свойств
облачного покрова и определения температуры воды в морях, другая — для определения
температуры атмосферы Земли и её влажности. Aqua был вторым спутником (после
Terra), запущенным в рамках программы NASA Earth Observing System.
(http://www.geogr.msu.ru/science/projects/geoportal/data/satellites/terra_aqua.php)
Научная аппаратура Aqua направлена на:

исследование температуры атмосферы, влажности, облаков, выпадения осадков и
радиационного баланса;

исследование снега и морского льда;

исследование температуры морской поверхности и продуктивности океана;

исследование влажности почвы;

улучшение точности прогнозирования погоды;

мониторинг динамики земной и морской экосистемы,
4
Среди приборов на борту Aqua - радиометр MODIS, идентичный установленному
на борту Terra, Разница состоит в более позднем времени съемки,
Aqua — совместный проект между Соединёнными Штатами, Японией и Бразилией.
Спектрорадиометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) является
одним из ключевых инструментов на борту американских спутников серии EOS (Terra
(EOS AM-1) и Aqua ( EOS PM-1)).
MODIS имеет 36 спектральных каналов с 12-битным радиометрическим разрешением в
видимом,
ближнем,
среднем
и
тепловом
инфракрасном
диапазонах.
(http://www.scanex.ru/ru/data/default.asp?submenu=modis&id=index)
Рисунок 1. Этапы обработки данных MODIS
Основные характеристики аппаратуры MODIS на борту спутников Terra/Aqua
Номера каналов Спектральный
Пространств.
Полоса
Повторяемость
5
диапазон (мкм)
разрешение
(м)
обзора (км)
1-2
0,62 - 0,88
250
2300
3-7
0,46 - 2,16
500
2300
8-19
0,41 - 0,97
1000
2300
20-25
3,66 - 4,55
1000
2300
26
1,36 - 1,39
1000
2300
27-36
6,54 - 14,39
1000
2300
съемки одной
территории (для
одного
спутника)
1-2 раза в сутки,
в зависимости от
широты места
съемки
Сейчас активно развивается Real-time мониторинг очагов возгорания – можно
оперативно отслеживать состояние наиболее пожароопасного участка леса со спутника
или с камеры на станции в онлайн-режиме.
Бывает мониторинг региональный, национальный и глобальный.
Региональный мониторинг - слежение за процессами и явлениями окружающей среды
в пределах определенного региона, где эти процессы и явления могут отличаться и по
природному характеру, и по антропогенным воздействиям от базового фона,
характерного для всей биосферы. (http://dic.academic.ru/dic.nsf/fin_enc/28384)
Национальный мониторинг — слежение за взаимодействием природы и человека в
зональных биосферных заповедниках (станциях) на территории государства для
получения информации об изменениях качества среды.
(http://www.coolreferat.com/%D0%9C%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BE%
D1%80%D0%B8%D0%BD%D0%B3_%D0%BE%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B6%
D0%B0%D1%8E%D1%89%D0%B5%D0%B
9_%D1%81%D1%80%D0%B5%D0%B4%D
1%8B)
Глобальный мониторинг - слежение за
общемировыми процессами и явлениями в
биосфере Земли и ее экосфере, включая все
их экологические компоненты и
предупреждение о возникающих
Рисунок 2. Система мониторинга пожаров в Карелии
экстремальных ситуациях.
6
(http://dic.academic.ru/dic.nsf/fin_enc/21612)
Например, на территории Республики Карелия развернута Система дистанционного
мониторинга лесных пожаров на основе алгоритмов видеоаналитики Orwell 2k. В
качестве детектора возгорания и задымления используется поворотная видеокамера,
выполняющая мониторинг участков территории в автоматическом и ручном режимах.
На рабочем месте оператора отображается видеоаналитическая карта местности с
указанием сектора обзора, который соответствует направлению камеры в данный момент
времени. Это позволяет определить место пожара и оперативно направить пожарные
расчеты в правильном направлении. При автоматическом обнаружении возгорания или
задымления Система определяет кординаты места происшествия и отмечает его на
видеоаналитической карте местности.
ФГУ «Авиалесоохрана» и Институт космических исследований ИКИ РАН уже более 10
лет занимаются вопросами дистанционного мониторинга лесных пожаров. К сожалению,
основным источником данных для Информационной системы дистанционного
мониторинга (ИСДМ-Рослесхоз) всегда были зарубежные спутниковые системы.
Рисунок 3. Система мониторинга "Ресурс-ДК"
Ситуация начала меняться с запуска российского спутника Ресурс ДК. Опытные работы
по использованию российских данных зондирования в лесном хозяйстве начались ещё в
2007 - 2008 годах. Несмотря на то, что доля информации с Ресурс ДК не велика, этот
спутник стал очередным рубежом в развитии отечественных технологий мониторинга. На
7
сегодняшний день идут активные работы по изучению возможностей использования ДЗЗ с
новой космической системы Метеор-3М, но пока Ресурс ДК является единственным
отечественным спутником, данные которого можно увидеть в ИСДМРослесхоз (http://www.aviales.ru/popup.aspx?news=280).
Работа нескольких операторов с одной камерой осуществляется в режиме разделения по
времени с помощью механизма блокировок управления и просмотра. В системе
предусмотрен режим мультиокон: видеоинформация поступает сразу с нескольких камер.
Система мониторинга лесных пожаров функционирует в дежурном режиме
автоматически, без вмешательства оператора. При необходимости доступен ручной
режим, при котором оператор может менять ориентацию выбранной камеры по
целеуказанию на интерактивной карте.
Журнал «Геоматика» в 2011 году в связи с выходом на орбиту системы VIIRS посвятил
свой номер ему. Этот спутник будет выполнять те же функции, что и система MODIS, а
также дополнять его данные, касающиеся качества воздуха, мониторинга пожаров,
создания моделей содержания углекислого газа, наводнений, картографирования морских
льдов.
Пример слежения за пожарами на основе данных с метеостанции
Особым
конструкторским
бюро
(ОКБ)
«Бурстройпроект»
разработана
система
мониторинга пожарной опасности леса по условиям погоды. В качестве технического
средства измерения параметров погоды и подстилающей поверхности используется
универсальный комплекс мониторинга параметров (УКМП-Л) в модификации Л – «лес».
Комплекс обеспечивает измерение: температуры воздуха; температуры постилающей
поверхности (дистанционно); количества осадков за определенный период. Данные,
полученные от комплекса мониторинга параметров погоды, поступают в систему
мониторинга пожарной опасности и прогнозирования ЧЛС. В системе мониторинга
происходит обработка данных, прогнозирование лесных пожаров с учетом таксационных
параметров лесных массивов, отображение степени пожарной опасности участков лесного
хозяйства на лесопожарной карте региона.
8
При необходимости оператор центра мониторинга (дежурный пожарно-химической
станции) может просмотреть подробную информацию о погодных условиях и
температуре подстилающей поверхности.
9
Глава 2. Web-сайты, с помощью которых можно следить за
пожарами
Специализированные сайты
Есть такие сайты, которые содержат мониторинговую информацию слежения за
пожарами. К таким сайтам может относиться сайт www.kosmosnimki.ru, где
показываются данные по количеству очагов возгорания и по их площади в том или ином
регионе России и за рубежом за определённый промежуток времени или в определённый
день. Этот сайт начал свою работу 28 июля 2010 года – как раз тогда, когда началось
распространение аномальных пожаров. Этот сайт ежедневно добавляет данные и хранит
данные за предыдущий период, начиная с момента основания сайта. Там берутся данные с
двух американских спутников – Aqua и Terra. Причём эти данные достаточно точны.
Погрешности могут быть только в случае, если программа распознавания пожаров
перепутает интенсивно выделяющийся дым из труб фабрик или заводов, или же примет за
пожар крупный костёр на природе.
Сервис предоставляет свободный доступ к оперативной информации о вероятных лесных
и степных пожарах, детектируемых на основе алгоритма определения тепловых аномалий
в ИК-диапазоне по данным спутниковой съемки. Регулярный режим съемки позволяет
мониторить пожарную обстановку на территории РФ и некоторых прилегающих
территориях несколько раз в сутки.
Вот основные функции сайта:
1. Визуализация оперативных спутниковых снимков
2. Быстрая загрузка и визуализация точек пожаров и контуров пожаров
3. Определение точек, относящихся к одному и тому же пожару (кластеризация)
4. Интерфейс поиска архивных данных о пожарах по дате, периоду и области на карте
5. Интеграция данных: FIRMS (пожары), NOMADS (метео, ветер), ГИСМетео
(метеопрогноз), Лесдозор (изображения с видеокамер)
(http://geomixer.ru/projects/geoservices/)
Сервис Космоснимки использует систему мониторинга SFMS. Система SFMS
представляет собой информационный сервис оперативного мониторинга природных
пожаров, разработанный российской компанией ИТЦ СКАНЭКС. Главная цель сервиса –
доведение результатов мониторинга до широкого круга пользователей. Проект
10
ориентирован как на широкую аудиторию интернет-пользователей, так и на специалистов.
В качестве базовой компоненты сервиса используется технология, основанная на
алгоритме автоматического детектирования пожаров по «тепловым» каналам спутниковой
съемки MODIS (подробнее см.детектирование пожаров по данным MODIS). Область
мониторинга включает в себя всю территорию России, а также охватывает и территории
соседних стран, попадающие в зону видимости сети приемных станций ИТЦ СКАНЭКС.
Основными задачами данного сервиса являются оперативность донесения информации о
пожарах и ее широкая доступность. С этой целью все данные выкладываются
на геопортал, что обеспечивает удобный просмотр этих данных и связанной тематической
информации.
Дополнительная
информация
включает:
прогноз
погоды,
границы
торфяников, границы выгоревших территорий, границы заповедников и национальных
парков и.т.д. Стратегической задачей проекта является дальнейшее улучшение
детальности
и
достоверности
оперативных
данных
и
создание
инструментов
общественного мониторинга, проводимого силами широкого круга пользователей, на
основе
данных
спутниковой
съемки
и
других
источников
наблюдений.
(http://blog.kosmosnimki.ru/faq-fires)
Картографический интерфейс сервиса разработан на базе технологии Scanex GeoMixer.
11
Рисунок 9. Kosmosnimki.ru. Красные круги - количество очагов пожаров на некоторой площади в период с 28.07.10 по
1.08.10
FIRMS (http://firefly.geog.umd.edu/firms/) – Fire Information For Resource Management
System. Это американский аналог Российских «Космоснимков» - там используются
данные о пожарах, основывающиеся на спутнике MODIS. Функции сайта те же,
обновляется так же – ежедневно туда добавляют данные и там хранятся данные за
предыдущий период, начиная с момента основания сайта.
12
Рисунок 10. FIRMS. Карта пожаров по всему миру в период с 28.07.10 по 01.08.10. Пожары обозначены оранжевым
цветом
GFIMS. Данный сервис очень похож на сервис FIRMS. Тут также можно просматривать
пожары по датам. Красными пикселями показаны наиболее крупные пожары, а более
светлыми – меньшие по площади и по урону, нанесённому ими. Данная карта
основывается на данных спутников Aqua и Terra, оборудованных системой MODIS. Если
бы мы смотрели данные за последние 48 часов или 7 дней, то красными точками
обозначались бы пожары за последние 24 часа, а жёлтыми – выгоревшие территории.
Рисунок 11. GFIMS. Пожары по всему миру в период с 28.07 по 1.08. 2010
Общие порталы.
С учётом активного развития интернет- и компьютерных технологий, на компьютере и в
интернете сейчас можно делать практически всё, в том числе и следить за пожарами.
Сейчас под большинством доменов можно найти различные сайты, содержащие ту или
иную справочную или online-информацию по пожарам. К примеру, даже такие интернет
ресурсы, как www.wikipedia.org могут содержать информацию о пожарах, но только как
справочный материал, а не online-мониторинг.
13
Рисунок 4. Ru.Wikipedia.org - информация о лете 2010 года в статье "Аномальная жара в России (2010 год)
Сайт www.nasa.gov содержит в себе медиаинформацию в виде картинок и видео на
основе спутниковых данных. НАСА (Национальное управление по воздухоплаванию и
исследованию космического пространства; англ. National Aeronautics and Space
Administration) – это управление, контролирующее все спутники Земли, в том числе и те, с
помощью которых можно получать данные по пожарам. Все данные можно собрать в
НАСА и выставить в виде видео, иллюстрирующего, к примеру, содержание угарного газа
в атмосфере на основе данных какого-либо спутника за определённый период.
14
Рисунок 5. Главная страница сайта www.nasa.gov
Существует множество других сервисов, содержащих информацию о пожарах, но ими
пользуются несколько меньше, поскольку та информация может быть не полностью
достоверной, или неполной, или же не online-мониторинговой. Примерами таких сайтов
могут быть GISlab, сайт МЧС и другие. Если мы знаем период, в который были пожары и
хотим узнать побольше климатических данных о том периоде, то можно заглянуть в
метеоархивы. Примером такого архива может быть сайт Москва метео. Иногда в
различных интернет-газетах и новостях можно найти некоторую информацию по
пожарам, если поискать в архиве новостей, или же если есть информация по пожарам на
текущий период.
Сейчас также развивается создание геопорталов, в которых могут быть представлены
картосхемы, отображающие изменение лесного покрова вследствие пожаров, вырубок и
прочих природных и антропогенных изменений. Журнал «Геоматика» говорит о
прототипе геопортала на одну из территорий Иркутской области. Нам известен геопортал
МГУ, мы там можем заказать снимки за разные периоды и, используя их, можем судить о
динамике изменения ландшафтного покрова за последние 20-30 лет.
15
Рисунок 6. Геопротал МГУ
Существуют и другие сервисы, с помощью которых можно заказать снимки –
EarthExplorer от Геологической службы США (http://earthexplorer.usgs.gov/), геопортал
Роскосмоса (http://geoportal.ntsomz.ru/)
Рисунок 7. Геопортал Роскосмоса
16
Рисунок 8. EarthExplorer
17
Заключение
Вследствие увеличения возгораемости лесов сейчас, вместе с развитием интернеттехнологий, активно развивается система онлайн-мониторинга в интернете. Большинство
из этих систем основываются на данных спутников Aqua, Terra с системой съёмки
MODIS.
С появлением подобного рода сайтов можно быстрее предотвращать пожары, зная
направление ветра и ближайшие очаги возгорания. А если всё-таки пожар возник, то
можно сразу будет по карте узнать, где он и выехать на то место, где возник очаг и
постараться выполнить мероприятия по предотвращению распространения пожара.
18
Список литературы
1. http://www.geogr.msu.ru/science/projects/geoportal/data/satellites/terra_aqua.php географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова – Terra/Aqua.
2. http://www.scanex.ru/ru/data/default.asp?submenu=modis&id=index – Спутники
MODIS – данные, снимки
3. http://dic.academic.ru/dic.nsf/fin_enc/28384 - Академик. Региональный
мониторинг
4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/fin_enc/21612 – Академик. Глобальный мониторинг
5. http://www.aviales.ru/popup.aspx?news=280 – Авиалесоохрана. Развитие
отечественных технологий дистанционного зондирования Земли
6. http://geomixer.ru/projects/geoservices/ - Геомиксер
7. http://blog.kosmosnimki.ru/faq-fires – Космоснимки – блог
19