Системы космического мониторинга окружающей среды

Описанная вычислительная технология используется в Западно-Сибирском гидрометцентре ежедневно для краткосрочного прогноза осадков на территории Сибири.

Технология гидрологических  прогнозов в период весеннего  половодья в бассейне реки Обь  на основе спутниковой и наземной информации

За рубежом данные с  метеорологических КА успешно применяются  при прогнозировании весеннего половодья в Гималаях, Швейцарских Альпах, США и Канаде. Первые зарубежные исследования по картированию снегозапасов с помощью спутниковых данных относятся к концу 60-х годов XX века. В СССР первые публикации по этой проблеме появились в середине 70-х годов в Государственном гидрологическом институте (г. Ленинград) .Однако в России до конца XX века не было действующей оперативной технологии гидрологических прогнозов, использующей информацию с КА. Одной из причин являлось отсутствие в центрах гидрологических прогнозов программного обеспечения, позволяющего осуществлять оперативную обработку спутниковых данных о площади заснеженности в ландшафтных районах и высотных зонах речных бассейнов. За последнее десятилетие XX века в результате сокращения в России сети пунктов гидрометеорологических наблюдений произошли отрицательные изменения в информационном обеспечении моделей гидрологических прогнозов. Появилась необходимость переработки существующих методов прогноза.

В 1997-1998 гг. по заказу Западно-Сибирского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета (ЗапСиб УГМС) в Западносибирском РЦПОД проводились работы по проекту «Разработка метода долгосрочного и краткосрочного прогнозов ежедневных и максимальных уровней (расходов) воды рек бассейна Оби, притока воды в Новосибирское водохранилище в период весеннего половодья на основе спутниковой и наземной информации». Научно-исследовательские работы по проекту проводились совместно с Красноярским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Красноярским институтом леса.

Основной целью работ  было создание автоматизированной технологии прогноза параметров снеговых половодий, основанной на регулярно поступающих  спутниковых данных и на материалах наземных наблюдений ЗапСиб УГМС.

Технология предназначена  для решения следующих задач:

• долгосрочного прогноза максимальных уровней воды, вызванных прохождением снеговых половодий, включая выдающиеся и катастрофические;
• долгосрочного прогноза притока воды в водохранилище Новосибирской ГЭС, включая случаи высокого притока, обуславливающего переполнение водохранилища;
• крагкосрочного прогноза ежедневного притока воды в водохранилище Новосибирской ГЭС и уровней воды рек бассейна Верхней Оби с заблаговременностью до 3-10 суток на основе спутниковой и наземной информации.

Точность оценки покрытия снегом водосбора должна быть не хуже 3-5% при покрытии не менее 30%.

Работы проводились в  несколько этапов. На первом этапе  была создана база гидрометеорологических данных на реки бассейна Верхней Оби. Было сделано статистическое районирование бассейнов по высотному распределению снегозапаса.

Отладка блоков модели краткосрочных  прогнозов проводилась с использованием архива наземных данных о заснеженности территорий. Были обоснованы информативные предикторы и составлены суточные ряды предикторов для краткосрочных прогнозов: осадки, температура воздуха по опорным пунктам, уровни и расходы воды, показатели снегонакопления и осеннего увлажнения за 13 лет (10 лет - для оптимизации модели, 3 года - для независимой проверки).

Рассматриваемая методика предусматривает  в ходе прогнозирования оперативную оптимизацию параметров прогностической модели с учетом спутниковых данных о заснеженности высотных зон Горного Алтая. Для решения этой задачи было разработано программное обеспечение, выполняющее следующие функции:

• импорт многозональных спутниковых данных, фильтрацию помех, визуализацию;
• географическую привязку и трансформацию космических снимков в картографическую проекцию;
• совмещение снимков с картами границ водоразделов, ландшафтов, с цифровой моделью рельефа местности;
• параметризованную классификацию объектов на космических снимках (снег, облака, почва, растительность) с возможностью интерактивной подстройки параметров с целью выделения заснеженных территорий;
• автомагический расчет площадей объектов на снимках по бассейнам, районам, высотным зонам.

2.2 Космический мониторинг опасных явлений и чрезвычайных ситуаций

Благодаря большой периодичности  наблюдений и высокой оперативности  получения и обработки, данные ДЗЗ незаменимы при решении задач оперативного мониторинга опасных явлений и чрезвычайных ситуаций. Особую пенность они приобретают на обширных и труднодоступных территориях.

В этом разделе рассмотрим ряд задач, решения которых были доведены до практического применения.

2.2.1 Мониторинг лесных пожаров

Лесные пожары ежегодно наносят  огромный ущерб лесному хозяйству. Ежегодно на Земле возникает более 400 тыс. лесных пожаров, повреждающих около 0,5% общей площади лесов и выбрасывающих в атмосферу миллионы тонн продуктов сгорания. Лесные пожары остаются одним из мошпых природных факторов, влияющих на происходящие на планете глобальные изменения окружающей среды. В лесах Российской Федерации ежегодно возникает более 30 тыс. лесных пожаров, огнем охватывается в среднем 1 -2 млн. га, ежегодный ушерб от пожаров составляет около 2 млрд. рублей.

Одной из основных причин этого  является позднее обнаружение пожаров, когда стадия их развития такова, что не существует технологий и достаточных средств для их ликвидации . Среди оперативных методов обнаружения пожаров на ранней стадии их развития, наряду с широко известными наземными системами наблюдения (визуальными, телевизионными и т. п.) и авиационным патрулированием, в последние десятилетия практическое применение все более широко находят системы спутникового мониторинга . Это связано как с количественным развитием спутниковых систем ДЗЗ, так и с качественным улучшением бортовой съемочной аппаратуры в части повышения пространственного разрешения и многоспектральности данных. Быстрое развитие компьютерной техники и системного программного обеспечения также способствует увеличению возможностей наземных центров обработки данных ДЗЗ.

В 1995 г. перед автором была поставлена задача создания в ЗапСиб РЦПОД региональной системы мониторинга лесных пожаров. Эта система должна представлять собой геоинформационную систему (ГИС) мониторинга лесных пожаров - компьютеризованную систему сбора, хранения, отображения и распространения данных о горемости лесов, о возникновении и развитии лесных пожаров, их воздействии на окружающую природную среду. Система должна оперативно интерпретировать и анализировать эти данные для эффективного использования при решении управленческих, производственных и научных задач, связанных с охраной лесов.

Таким образом, необходимо было разработать региональную комплексную информационную систему мониторинга лесных пожаров, обеспечивающую оценку и прогноз пожарной опасности в лесах, раннее обнаружение пожаров, контроль их динамики, оценку последствий лесных пожаров. Должна быть проведена апробация информационной системы в зоне ответственности Западносибирской авиационной базы охраны лесов.

Решаемые задачи:

• создание цифровых баз картографических и атрибутивных данных, связанных с проблемой лесных пожаров;
• разработка методологии прогноза пожарной опасности, раннего обнаружения пожаров и оценки их последствий на основе данных ДЗЗ;
• выбор алгоритма обнаружения пожаров;
• создание программного обеспечения блока анализа и моделирования разрабатываемой ГИС;
• создание сквозной оперативной технологии обнаружения пожаров от приема спутниковых данных до передачи координат пожаров и картосхем а авиабазу охраны лесов.

В результате выполненных  работ была создана информационная система (ИС) «Лесной пожар», которая  прошла тестовые испытания и внедрена в оперативную производственную практику Западно-Сибирского РЦПОД для выполнения работ по заказу отдела противопожарной охраны лесами Управления лесами Новосибирской области и Западно-Сибирской авиабазы охраны лесов. Работы проводились совместными усилиями Западно-Сибирского РЦПОД и Новосибирского регионального центра геоинформационных технологий СО РАН (НРЦ ГИТ СО РАН) .

Информационной базой  системы является единый банк пространственно  совмещенных картографических и  фактографических данных о лесном фонде  и происходящих в нем изменениях. Структурно этот банк состоит из набора взаимодействующих баз данных, обменивающихся между собой информационными потоками. По форме представления хранимой информации наиболее различающимися являются картографические и фактографические базы. В первых базах основными элементами являются данные, представленные в векторном и растровом виде, а во-вторых - количественные и качественные данные, представленные в числовом и символьном виде.

Хранение графической  информации в базе данных производится в векторном формате для сохранения точности представления топоосновы в системе. Внесение изменений в графическую информацию может производиться как в векторном, так и в растровом формате, в зависимости от вида изменений. Выдача картографических материалов также может производиться как в векторном, так и в растровом формате. Такое гибкое использование форматов возможно благодаря использованию в системе ГИС программ эффективного перевода информации из одного формата в другой и обратно.

Для ГИС любою уровня ключевым моментом в организации данных является совмещение тематической и картографической информации. Совмещение состоит в  присвоении тематическим данным номеров  тех площадных объектов, которые  они описывают (например, лесных кварталов). Это позволяет работать с изображенным на экране картографическим объектом, указывая на него курсором и запрашивая его фактографические характеристики из совмещенной базы данных.

При содействии лесных служб  была создана база архивных данных, которая содержит информацию о пожароопасном сезоне, коды (авиаотделения, области, края, лесхоза, лесничества, предприятия), данные о принадлежности лесов, координаты и номер пожара, время и способ его обнаружения, площадь и скорость ветра при обнаружении, причину пожара, пройденную огнем площадь с разделением ее на лесную и нелесную (и выделением площади, пройденной верховым и подземным пожаром), расстояния (до населенного пункта, транспортных путей и места высадки), преобладающие породы, напочвенный покров, категорию лесов и категорию земель, примененные способы и средства тушения, месяц и день выпадения фронтальных осадков, затраты авиабазы, стоимость работ по тушению, общий ущерб и т.д.

Таким образом, одним из основных элементов разработанной системы  космического мониторинга лесных пожаров является ГИС. Аналогичные информационные системы (ИС) в разное время были созданы в Москве (Институт космических исследований), Красноярске (Институт леса им. В.Н. Сукачева), Иркутске (Институт солнечно-земной физики (ИСЗФ)), Томске (Институт оптики атмосферы (ИОА)). Перечисленные ИС имеют разный набор функциональных подсистем и баз данных. Так, подсистема «Пожарная опасность» была наиболее развита в Красноярске (совместный Центр приема и обработки спутниковых данных Института леса и регионального Центра Министерства ГО и ЧС).

В информационных системах прогнозирование пожарной опасности  в лесах осуществляется на основе прогнозов погоды с использованием прогностических зависимостей между  нарастанием показателей пожарной опасности, количеством и длительностью  засушливых периодов, температурой воздуха  и количеством атмосферных осадков. Целью долгосрочного прогнозирования (сезон, месяц) является определение зон и периодов высокой и чрезвычайной пожарной опасности, требующих усиления профилактических противопожарных мероприятий.

Среднесрочное прогнозирование  пожарной опасности осуществляется на основании среднесрочных (декада, трое суток) прогнозов погоды, прогнозов и предупреждений об особо опасных гидрометеорологических явлениях, специализированных прогнозов развития конвективной облачности. В качестве основных показателей пожарной опасности, наряду с показателями влагосодержания лесных горючих материалов (ЛГМ), используются интегральные характеристики интенсивности пожаров - скорость распространения огня и интенсивность тепловыделения.

Целью среднесрочного прогнозирования  является построение прогностических карт пожарной опасности в лесах по условиям погоды, необходимых для текущего планирования работы лесопожарных служб и мероприятий по профилактике лесных пожаров.

Краткосрочное прогнозирование  и оценка текущей пожарной опасности  осуществляется на основе краткосрочных прогнозов погоды, данных метеостанций, данных дистанционного зондирования и показателей пожарной опасности за предшествующие сутки. В качестве основных показателей пожарной опасности, наряду с влагосодержанием ЛГМ и потенциальной интенсивностью лесных пожаров, используются вероятность возникновения и ожидаемое число пожаров.

Целью краткосрочного прогнозирования  и оценки пожарной опасности является построение оперативных прогнозных карт, характеризующих пожарную обстановку на территории каждого структурного подразделения авиационной и наземной охраны.