Введение Известно, что лесные пожары оказывают огромное

РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОСМОМОНИТОРИНГ ПОСЛЕДСТВИЙ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
С.В. Афонин, В.В. Белов
Институт оптики атмосферы СО РАН
E-mail: afonin@iao.ru
Анализируются данные о результативности обнаружения очагов лесных пожаров на
территории Томской области в 1998–2002 гг. с использованием спутниковой информации
AVHRR/NOAA. Рассмотрена задача восстановления по данным спутниковых измерений в
спектральной области 3,5–4 мкм интенсивности теплового излучения очага лесного пожара.
Методами численного моделирования исследовано влияние ряда факторов на точность решения этой задачи: 1) влияние качества априорной метеорологической информации (АМИ);
2) влияние тропосферного аэрозоля. Результаты расчетов показали, что влияние качества
АМИ на точность решения задачи заметно лишь в случае малоразмерных пожаров (площадь высокотемпературной зоны менее 100–200 м2), когда средняя погрешность восстановления достигает 10 %. Степень влияния тропосферного аэрозоля на точность решения задачи зависит от размера очага и характеристик аэрозоля, и в определенных ситуациях
погрешность восстановления составляет 30–60 %.
Введение
Известно, что лесные пожары оказывают огромное влияние на состояние бореальных
лесов планеты, которые занимают территорию примерно в 1,2 млрд га, что составляет около 30 % площади мировых лесов. При этом около 2/3 бореальных лесов приходится на Россию, и основная их часть сосредоточена в Сибири. По оценкам специалистов природные
пожары ежегодно охватывают площадь в среднем около 8–10 млн га, а ежегодное поступление аэрозоля в атмосферу планеты, вызванное лесными пожарами, составляет примерно
130 млн т, что сопоставимо с вулканическими выбросами (150 млн т).
В международной программе Global Observation of Forest Cover (GOFC) проблема
глобального и регионального мониторинга лесных пожаров и оценка их последствий вынесена в одну из трех стратегических целей программы. Исследование свойств атмосферного
аэрозоля и его радиационного возмущающего воздействия является перспективным направлением входящего в состав МГБП ключевого проекта IGAC. Достижение поставленных в этих проектах задач возможно при использовании всех доступных средств, включая
и спутниковые данные.
1. Мониторинг оптического состояния атмосферы
С 2001 г. в Институте оптики атмосферы (ИОА) СО РАН ведутся активные спутниковые исследования региональных свойств атмосферного аэрозоля и влияния дымов лесных пожаров на оптическое состояние атмосферы в Томском регионе. Для этих целей используются спутниковые данные NOAA/AVHRR. Ниже представлены методические
основы [1] и некоторые результаты выполненных исследований.
1.1. Методика восстановления аэрозольной оптической толщины (АОТ)
В качестве исходных данных для статистического анализа были использованы цифровые карты пространственного распределения АОТ в Томском регионе, полученные по
измерениям со спутника NOAA-14 в канале 1 AVHRR (λ = 0,63 мкм). Методика получения
спутниковых карт АОТ включает следующие основные моменты.
Начальный этап:
1) получение аппроксимационной зависимости АОТ = F(JAER) на основе результатов
сравнительного анализа наземных измерений АОТ и «аэрозольной составляющей» JAER
спутниковых измерений (см. [2]);
98
С.В. АФОНИН, В.В. БЕЛОВ
2) расчет интерполяционных таблиц (Look-Up-Table или LUT) характеристик искажения данных спутниковых измерений с учетом реальных для региона диапазонов оптикогеометрических условий наблюдений;
3) проведение статистического анализа временных рядов спутниковых снимков и получение для заданного региона сезонных карт A(x, y) характеристик отражения подстилающей поверхности (рис. 1).
Основной этап:
4) обработка спутниковых снимков и получение карт «аэрозольной составляющей»
JAER(x, y) спутниковых измерений на основе таблиц LUT и с учетом реальных на момент
проведения измерений значений метеорологических параметров атмосферы, геометрии наблюдений и сезонных карт характеристик отражения подстилающей поверхности (ПП);
5) использование аппроксимаций АОТ = F(JAER) для восстановления по спутниковым
данным пространственного распределения АОТ(x, y) в заданном регионе (рис. 2).
1.2. Статистические характеристики АОТ
В этом разделе представлены результаты статистической обработки спутниковых
данных NOAA/AVHRR (за период май–сентябрь 1998–2000 гг.), характеризующие пространственную и временную изменчивость аэрозольной оптической толщины в спектральном канале λ = 0,63 мкм для Томского региона (55–62ºс.ш., 74–90ºв.д.).
Для получения статистических характеристик изменчивости АОТ в Томском регионе
было обработано около 400 спутниковых снимков. При этом главное внимание уделялось
исследованию «полупрозрачных» оптических ситуаций в атмосфере (АОТ < 1,
МДВ > 5 км), когда условия проведения мониторинга подстилающей поверхности из космоса можно считать удовлетворительными.
В результате статистического анализа цифровых карт АОТ были получены:
• временная (по дням) изменчивость АОТ;
• частотные распределения АОТ и их зависимость от оптических ситуаций;
• усредненные по месяцам характеристики АОТ — средние значения, СКО и частота
возникновения «полупрозрачных» оптических ситуаций при проведении спутниковых измерений;
• пространственные распределения частоты возникновения «полупрозрачных» атмосферных оптических ситуаций в Томском регионе.
Полученные результаты представлены на рис. 3, 4 и в табл. 1.
Таблица 1. Статистические характеристики АОТ (средние значения, СКО и частота возникновения
«полупрозрачных» оптических ситуаций)
Май
Июнь
Июль
Август
Сентябрь
0,313; 0,071
56,4 %
0,276; 0,071
41,3 %
0,276; 0,057
67,5 %
0,330; 0,075
43,1 %
0,277; 0,069
53,0 %
2. Мониторинг лесных гарей на основе данных SPOT/VEGETATION и NOAA/AVHRR
Оценка площадей лесных гарей имеет важное значение для определения ущерба,
причиненного лесам пожарами, и для количественных оценок вызванных пожарами выбросов газов (например, CO2) в атмосферу. Здесь основным источником информации являются
спутниковые данные. В мире уже накоплен положительный опыт решения таких задач.
Однако, с целью повышения надежности получаемых результатов, работы по данной проблеме активно продолжаются.
РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОСМОМОНИТОРИНГ ПОСЛЕДСТВИЙ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
99
Рис. 1. Карта альбедо для Томского региона (июль 1999 г.)
Рис. 2. Карта АОТ для Томского региона при прохождении дымового шлейфа 27 июля 1999 г.
100
С.В. АФОНИН, В.В. БЕЛОВ
0,8
0,7
АОТ
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270
Дни года (май-сентябрь)
Рис. 3. Временные вариации значений АОТ
65
Широта
61
60
60
59
55
58
50
57
45
56
75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89
Долгота
40
Рис. 4. Пространственное распределение частоты (%) возникновения «полупрозрачных» оптических ситуаций в Томском регионе
С 2002 г. Институт оптики атмосферы (ИОА) СО РАН и факультет географии King’s
College London (KCL) ведут работы по совместному проекту [3], одной из задач которого
является развитие спутниковых методов оценки площадей лесных гарей. С этой целью в
KCL разработана оригинальная методика картирования лесных гарей, использующая данные SPOT Vegetation.
В рамках совместного проекта нами решались следующие задачи: а) выполнить анализ точности методики KCL; б) определить потенциальную роль спутниковых данных
(AVHRR, MODIS) об активных пожарах в повышении надежности результатов картирования гарей. При решении поставленных задач были использованы данные KCL для Томского региона (55–62º с.ш., 74–90º в.д.) за период пожарного сезона 1998 г., данные ИОА об
активных лесных пожарах, полученные с помощью спутниковых измерений
NOAA/AVHRR. Дополнительно использовалась информация Томских служб охраны лесов
о характеристиках лесных пожаров, зарегистрированных в области в 1998 г.
РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОСМОМОНИТОРИНГ ПОСЛЕДСТВИЙ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
101
2.1. Картирование гарей (SPOT Vegetation)
Карты гарей для Томского региона за период май–сентябрь 1998 года были получены
на факультете географии King’s College London. При картировании гарей использовались
данные типа S10, синтезированные на основе измерений прибора Vegetation (спутник
SPOT-4) в спектральных каналах 0,61–0,68 мкм (red), 0,78–0,89 мкм (near infrared, NIR)
1,58–1,75 мкм (shotwave infrared, SWIR). При идентификации гарей применялись десять
пороговых правил, составленных для измеренных величин, и вычисленных с их помощью
вегетационных индексов NDVI и SWVI. При этом для каждого месяца использовалась своя
комбинация этих правил.
2.2. Картирование активных пожаров (NOAA/AVHRR)
Картирование активных пожаров в Томском регионе за период пожароопасного сезона 1998 года проводилось в ИОА СО РАН на основе собственного архива цифровых спутниковых данных NOAA/AVHRR. Для детектирования высокотемпературных пикселов (hot
spot) применялся пороговый алгоритм [4], использующий измерения в каналах 3,55–3,93,
10,3–10,8 и 0,58–0,68 мкм. Картирование активных пожаров производилось на основе данных спутников NOAA-12, -14 и -15 (более 520 спутниковых снимков).
2.3. Результаты сравнения спутниковых данных
Полученные результаты можно проиллюстрировать приведенными на рис. 5 и в
табл. 2 данными для августа 1998 г., который характеризуется наибольшим количеством
пожаров, зарегистрированных в этом году на территории Томской области, и максимальной площадью гарей (свыше 36 тыс. га).
Таблица 2. Сравнение результатов картирования активных пожаров и гарей (август 1998 г.)
Size
1–2
3–5
6–10
11–20
> 20
NA
389
105
208
76
244
91
245
51
1531
1178
NS
667
272
114
41
31
13
11
3
422
337
NAS
2
0
9
0
7
1
11
3
422
337
NAS/ NS (%)
0,3
0,0
7,9
0,0
22,6
7,7
100,0
100,0
100,0
100,0
В таблице представлены следующие характеристики: размер (Size) анализируемых на
картах объектов (единица площади равна 0,009×0.009º по широте и долготе), их суммарная
площадь по данным AVHRR (NA) и SPOT (NS), площадь совпавших для двух спутников
данных (NAS).
Первая строка относится ко всему региону (55–62º с.ш., 74–90º в.д.), вторая — только
к территории Томской области.
Сравнительный анализ трех типов данных для крупных пожаров площадью более
10 км2 позволил получить следующие результаты. Оценки площадей гарей по измерениям
AVHRR превышают аналогичные данные Томских служб охраны лесов примерно в
1,6 раза. Одной из главных причин этих расхождений являются погрешности географической привязки спутниковых измерений. В то же время подобное сравнение для данных
SPOT Vegetation указывает на заниженные примерно в два раза значения площадей гарей.
102
С.В. АФОНИН, В.В. БЕЛОВ
Таким образом, с одной стороны, можно отметить позитивную роль спутниковых данных
об активных пожарах в повышении надежности идентификации лесных гарей. С другой
стороны, полученные результаты убеждают, что необходимо дальнейшее развитие алгоритмов оценки площадей гарей по спутниковым данным низкого пространственного разрешения, прежде чем они могут быть рекомендованы для надежного практического использования.
Рис. 5. Спутниковая карта активных пожаров (темный тон) и гарей (светлый тон). Август 1998 г.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 01-05-65494) и UK – Russia Exchange funds from the Royal Society.
Литература
1. Afonin S.V., Belov V.V. Information-methodological foundations for construction of efficient systems for satellite monitoring of forest fires // Computational Technologies. 2003. V. 8.
N 11. P. 35–46.
2. Afonin S.V., Belov V.V., Belan B.D., Panchenko M.V., Sakerin S.M., Kabanov D.M.,
Comparison of satellite (AVHRR NOAA) and ground-based measurements of atmospheric aerosol characteristics // Atmospheric Oceanic Opt. 2002. V. 15. N 12. P. 1015–1019.
3. Afonin S.V., Belov V.V., Wooster M.J., Zhang Y. Application of SPOT Vegetation and
NOAA AVHRR data for mapping of forest burned areas // X Joint Intern. Symp. “Atmospheric
and ocean optics. Atmospheric physics”: Symp. Abstr. P. 94.
4. Minko N.P., Abushenko N.A., Koshelev V.V. Forest fire detection in Eastern Siberia forests using AVHRR NOAA data // Proc. of Intern. Conf. on “Hyperspectral Remote Sensing and
Application”. Beijing, China, 15-16 Sep. 1998 (Proc. SPIE. V. 3502). P. 192–200.
РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОСМОМОНИТОРИНГ ПОСЛЕДСТВИЙ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ
103