Распознавание и прогнозирование лесных пожаров на базе ГИС-технологий

Содержание

Распознавание и прогнозирование лесных пожаров на базе ГИС-технологий

1. Назначение разработки ГИС мониторинга лесных пожаров  и её основные функциональные задачи

2. Требования к наземному комплексу обработки космической информации

3. Структура информационного обеспечения ГИС

Список использованной литературы

Распознавание и прогнозирование лесных пожаров на базе ГИС-технологий

1. Назначение разработки ГИС мониторинга лесных пожаров  и её основные функциональные задачи

Геоинформационная система (ГИС) — это современная компьютерная тех­нология для картирования и анализа лесных пожаров. Эта технология объеди­няет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и гео­графического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечива­ют уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, свя­занных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с ос­мыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последст­вий предпринимаемых действий. Однако ГИС — это не инструмент для выдачи решений, а только средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений.

Географическая Информационная Система (ГИС) мониторинга лесных пожаров - это система сбора, хранения, отображения и распространения пространственно-координированных данных о горимости лесов, условия возникновения и развития лесных пожаров, их воздействии на окружающую природную среду, а также интеграции и анализа этих данных. Основное назначение ГИС - информационная поддержка принятия решений в системе охраны леса и управления лесными пожарами.

Геоинформационная система создавалась поэтапно с 1995 года и наполнялась базовыми картографическими основами мелкого масштабного ряда (1 млн. – 45 млн.), данными производственного и административного деления территории России (границы субъектов и районов, авиабаз и других авиаподразделений, лесохозяйственных предприятий), тематической информацией о лесной растительности. С учетом собираемой информации о лесных пожарах была разработана архитектура хранения оперативных и статических баз данных и методов их интеграции в системе. К 2000 году ГИС мониторинга лесных пожаров обеспечивала подразделения Центральной базы авиационной охраны данными о пожарах по наземным и авиационным наблюдениям, картами пожарной опасности по условиям погоды, данными о горимости лесов, получаемыми метеорологическими спутниками глобального обзора NOAA. Оперативная информация ежедневно актуализируется в ГИС с помощью блока автоматического обновления данных.

Функциональная структура ГИС мониторинга лесных пожаров определяется перечнем задач учета, планирования, оперативного регулирования, контроля и анализа, решаемых в рамках общей системы управления охраной лесов. Интегрированная многоуровневая ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов ориентирована на решение шести основных задач:

- обнаружение пожаров;

- эффективная организация сил и средств для тушения пожаров;

- профилактика и предупреждение возникновения крупных лесных пожаров;

- расчет ущерба, причиненного уничтожением или повреждением леса в результате пожара;

- прогнозирование естественной и антропогенной динамики лесонасаждений;

- повышение уровня информированности принятия решений.

ГИС включает в себя пять подсистем:

1. Оценки и прогноза пожарной опасности в лесах;
2. Мониторинга процессов возникновения и развития лесных пожаров;
3. Мониторинга процессов предупреждения, обнаружения и  ликвидации лесных пожаров;
4. Интеллектуальной поддержки управленческих решений;
5. Оценки последствий лесных пожаров и результатов функционирования системы охраны леса.

Если задачу обнаружения лесных пожаров можно решить, используя только данные наземных наблюдений, авиапатрулирования и дистанционного спутникового зондирования, то задачи борьбы и профилактики лесных пожаров, оценки ущерба невозможно решить без широкого привлечения ГИС и их наполнения соответствующими статическими и динамическими слоями. В этом смысле большая роль уделяется созданию системы прогнозирования и управления динамикой лесных ресурсов. Таким образом, осуществляется разработка ГИС как инструмента для принятия решений по охране и рациональному использованию лесов от пожаров, базирующейся на оперативных данных (данных спутникового дистанционного зондирования) и основополагающих данных. Последние будут включать данные, полученные на основе информации землепользования, лесоустройства, карт насаждений и данных управления.

2. Требования к наземному комплексу обработки космической информации

Перспектива развития методов дистанционного зондирования Земли требует внедрения автоматизированных систем технического обеспечения обработки данных, поступающих с искусственных спутников Земли (ИСЗ) и метеостанцией, на основе широкого использования средств вычислительной техники.

Наземная автоматизированная система должна включать в свой состав главный, региональный и зональный центры. Учитывая высокую стоимость наземных широкополосных линий связи, целесообразно наземный спец комплекс охраны леса от пожаров строить с использованием существующих центров Госкомгидромета и оборонных наземных средств, в рамках конверсии. При этом при региональных центрах Госкомгидромета и Федеральном центре, должны быть организованы группы обработки целевой информации в интересах прогнозирования  пожарной опасности и обнаружения пожаров. Такая система позволит централизовать обработку материалов глобальной съемки, организовать накопление, длительное хранение и постоянный доступ к материалом многолетней информации о пожарах и на этой основе изучать динамику состояния лесов в пожарном отношении на больших территориях.

Специфическими требованиями являются:

      непрерывная готовность наземного комплекса к работе в течение пожароопасного периода;

      максимальное приближение устройств ввода и отображения информации к местам принятия решений по разведке и ликвидации пожаров;

      возможность диалогового режима работы оператора с системой в реальном времени;

      возможность производства вычислений и разнообразие программ обработки данных;

      возможность получения и автоматического ввода оперативной информации о состоянии ЛФ с помощью дистанционных методов;

      доступность пунктов, откуда можно посылать запросы в систему и простота подачи запроса;

      минимизация времени между возникновением информации и её вводом в банки данных, а также времени обработки запроса и предоставления ответа банка данных;

      надежность и доступность информации, разнообразие форм её выдачи и представлению результатов.

Основу информационного обеспечения наземной системы обработки информации должна представлять система сбора, контроля, преобразования, хранения, обновления, распределения и передачи информации от источников к потребителям. Должна осуществляться оптимальность объемов и распределения потоков информации во времени и в пространстве. Информационная система должна обеспечивать формирование, изменение и преобразование входных массивов, в требуемые выходные в виде, удобном для хранения, поиска и выдачи необходимой информации.

В настоящее время решен ряд задач, например автоматизированы процессы трансформации изображения и приведения его к плановому, привязки изображений к местности и к определенному моменту времени, устранения искажений и помех, вносимых аппаратурой, усиления контрастности и т.п. Возможность тематического дешифрирования аэрокосмической информации определяется качеством изображения, которое зависит от правильности распределения яркости и контрастов т от числа элементов, формирующих изображение на приемном устройстве.

Автоматизация дешифрирования должна позволить рационально сочетать возможности оператора-дешифровщика и специализированной вычислительной техники и на этой основе повысить качество и производительность дешифрировочных работ, перевести ряд этапов дешифрирования на объективную основу и тем самым увеличить достоверность дешифрирования. Автоматизация облегчает процесс дешифрирования трудных для наблюдения: мелкомасштабных, тепловых, радиолокационных, многозональных и разновременных изображений.

В зависимости от потоков информации, предъявляемой к обработке, изменяются основные параметры, характеризующие вычислительную мощность информационной системы - емкость памяти и быстродействие. Вид определяемых материалов определяет выбор конструкции считывающего устройства. Характер решаемых задач  определяет требования к математическому обеспечению системы.

Из-за большого разнообразия и сложности  дешифрирования материалов съемки, необходимости использования различных вариантов алгоритмов и гибкости перехода от одних к другим, повышенных требований к точности и повторяемости результатов в основе автоматизированного дешифрирования, опознавания объектов (пожаров) и выявления их различных особенностей должна лежать цифровая обработка изображений. Входящая в информационную систему центральная ЭВМ, должна обладать высоким характеристиками быстродействия и оперативной памяти, должна быть оснащена развитым периферийным оборудованием, включая специализированные считывающие и записывающие устройство ввода-вывода изображений, интерактивные дисплеи, и иметь мощность программное обеспечение.

Программное обеспечение комплекса средств обработки должна иметь мощную и гибкую операционную систему, позволяющую реализовать один из возможных режимов совместной независимой работы всех рабочих мест. Ее составной частью должна быть система прикладных программ дешифрирования, куда входит комплекс взаимосвязанных программ обработки материалов многозональной съемки лесов, который позволяет оператору-дешифровщику, по его запросу, выполнять необходимые операции над изображениями, реализует достигнутый на данный момент уровень алгоритмизации задач и позволяет наращивать арсенал программ при появлении новых задач и алгоритмов.

Для этого операционная система должна иметь компиляторы с языков высокого уровня, а также компилятор с языка изображений.

Исходя из того, что лесные пожары возникают случайным образом, а степень горимости лесов резка варьирует по территории страны и сезоном года, на лицо факт необходимости создания гибкой системы охраны леса, удовлетворяющей вышеописанным требованиям, предъявленным к информационной системе обработки космической информации. Обязательной частью такой системы должна быть Географическая Информационная Система (ГИС).

3. Структура информационного обеспечения ГИС

Информационное обеспечение управления лесными ресурсами представлено разными технологиями, реализующими этапы системного анализа, начиная от сбора и обработки данных до вариантного анализа развития ситуации, предшествующего принятию решений. Информационная подготовка решений осуществляется в процессе оперативного, текущего и фонового мониторинга, анализ стратегий обеспечивается математическими моделями прогнозирования и процедурами оптимального управления, реализованными на их основе.

С точки зрения периодичности обновления, информация в ГИС мониторинга лесных пожаров подразделяется на: условно постоянную, сезонную и оперативную. Условно постоянные данные обновляются реже одного раза в год. (например, характеристика лесного фонда, границы административного деления территории, топографическое описание местности, природное районирование). Сезонные данные изменяются один или несколько раз в течение года. К ним могут быть отнесены данные для долгосрочных и среднесрочных прогнозов пожарной  опасности по условиям погоды, данные о границах структурных подразделений охраны лесов, данные о ресурсах системы охраны. Оперативные данные изменяются с частотой один или несколько раз в сутки (например, текущая и прогнозная метеоинформация, данные о возникающих и действующих лесных пожарах, о дислокации сил и средств по ликвидации лесных пожаров).

Вся информация накапливается в банке данных, структура которого существенно зависит от рассматриваемого уровня ГИС и образует совокупность атрибутивных данных, цифровых карт и спутниковых изображений. Фактологическая (атрибутивная) составляющая банка данных ГИС включает данные о лесных пожарах, метеорологические данные, данные о ресурсах службы охраны, данные о лесах и нормативно-справочную информацию.