Обнаружение пожаров по тепловым снимкам

Пожары (степные, лесные и торфяные) - опасные природные явления, в ходе которых повреждаются или гибнут лесные насаждения, страдают населенные пункты, погибают люди. Возникнув, пожар часто в короткие сроки распространяется на многие десятки километров. Бороться с ним очень тяжело. Космические методы слежения за пожарами помогают выявлять их на начальной стадии и тем самым способствуют оперативности принятия мер, позволяют осуществлять мониторинг и оценивать последствия. Важно обнаруживать пожары на начальной стадии их развития с целью минимизации материальных затрат на ликвидацию очага возгорания.

По некоторым данным, в 2002 году на охраняемой территории лесного фонда России пожарами пройдено 1330 тыс. га лесных земель. В настоящее время проблема лесных пожаров стоит в ряду глобальных экологических проблем.

Использование космических данных для мониторинга пожарной обстановки по сравнению с авиаметодами позволяет быстро и экономически более эффективно получать объективную и независимую информацию для оперативного принятия решений по борьбе со стихией.

Присутствие очага горения определяется по наличию в видимой части спектра основного дешифровочного признака лесных пожаров - дымового шлейфа - на исходном космическом снимке. По форме на снимке очаг напоминает конус светло-серого цвета. При распознавании дымовых шлейфов пожаров следует помнить, что они могут по своей структуре и яркости напоминать перистую и слоистую облачность. Поэтому те снимки, где в видимой части спектра предварительно обнаружен пожар, просматриваются в инфракрасной зоне. На тепловых инфракрасных снимках шлейфы дыма от лесных пожаров практически не видны, а очаги хорошо локализуются, как выделяющиеся по яркости горячие объекты. Сочетание съемки в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах увеличивает возможности мониторинга лесных пожаров.

Использование космических снимков позволяет не только обнаруживать пожары на некоторой территории, но и проводить их первичную классификацию по площади возгорания, а использование многозональных данных в различном сочетании каналов съемки (даже при наличии облачности) - наблюдать дымовые поля загрязнения, оценивать области переноса продуктов горения.

В настоящее время самым оперативным способом обнаружения и мониторинга пожарной обстановки в лесах и степях является использование данных сканирующих систем MODIS/Terra (Aqua) и AVHRR/NOAA. Космические аппараты, на борту которых установлены эти съемочные системы, снимают одну и ту же территорию несколько раз в сутки, что позволяет, например, лесоохранным службам следить за развитием лесного пожара (осуществлять мониторинг).

К примеру, информация со спектрорадиометра MODIS передается на наземные станции непрерывно и бесплатно. Готовность данных - в течение часа после приема. Временное разрешение в зависимости от широты места и с учетом одновременной работы MODIS на двух спутниках (Terra и Aqua) - 4-6 раз в сутки, ширина полосы обзора - 2300 км. Съемка тепловой аппаратурой MODIS с пространственным разрешением 1000 м дает возможность выявить очаг пожара площадью от 1 га или подземный пожар площадью от 9 га. Радиометр AVHRR с пространственным разрешением 1100 м и полосой обзора 3000 км также позволяет осуществлять оперативный контроль обширных территорий при получении данных не реже 6 раз в сутки (в средних широтах и с учетом одновременной работы в настоящее время время трех спутников NOAA). Оба источника информации используются для целей пожарного мониторинга во многих странах (например, в США, Бразилии, Канаде, Финляндии). Таким образом, спутниковые данные являются существенным дополнением к традиционным методам обнаружения пожаров, а на неохраняемых труднодоступных территориях - практически единственным методом мониторинга и оценки последствий лесных пожаров.

Съемки со спутников Landsat (TM и ETM+) и Terra (ASTER) характеризуются периодичностью в 16 суток, поэтому по их данным невозможно осуществлять оперативный контроль за пожароопасной обстановкой. Но тепловая инфракрасная съемка выполняемая этими сенсорами, успешно используется для картографирования последствий пожаров, для выделения гарей и определения их площади, оценки причиненного ущерба.

Прохождение инфракрасного излучения земной поверхности к приемнику на космической платформе обеспечивают два основных окна прозрачности: 3-5 мкм и 8-14 мкм. Как было отмечено в подразделе "Физические основы", при возрастании температуры быстро увеличивается мощность суммарного излучения, а длина волны максимального излучения смещается в коротковолновую часть спектра, вплоть до появления видимого излучения при температурах около 1000 њС. Из анализа соотношений между распределением энергии по длинам волн при различных температурах земной поверхности, коэффициентами пропускания атмосферы в окнах прозрачности и спектральной чувствительностью приемников инфракрасного излучения следует, что очаги возгорания наилучшим образом выявляются в окне прозрачности - 3-5 мкм.
При выявлении тепловых контрастов земных объектов (растительных сообществ, почвы, воды, горных пород) при нормальных условиях, т.е. при температуре около 300 K, наиболее подходящим диапазоном для получения данных является окно 8-15 мкм.

Рассмотрим примеры применения тепловой инфракрасной съемки для мониторинга пожаров. Очаги возгорания можно дешифрировать как визуально, так и, что более важно, автоматизировано, используя яркостные температуры, регистрируемые в тепловых каналах. Алгоритмы обнаружения пожаров в автоматическом режиме основаны на значительной разнице температур земной поверхности (обычно не выше 10 - 25њC) и очага пожара (300 - 900њC). Почти 100-кратное различие в тепловом излучении объектов фиксируется на снимке, а информация, поступающая из других спектральных каналов, помогает разделить дым и облака. На Рис. 1-4 приведен пример последовательности работ по автоматическому распознаванию пожаров с помощью технологии, разработанной ИТЦ СканЭкс.

Пример применения алгоритма детектирования пожаров в автоматическом режиме по данным съемки спектрорадиометром MODIS 29 августа 2002 г. на территорию западных районов Европейской части России (http://www.scanex.ru):

Рис. 1 Космический снимок до проведения автоматического распознавания, синтез каналов 620-670; 545-565; 459-479 нм, разрешение 250 м.
Рис. 2 Фрагмент снимка в тепловом инфракрасном диапазоне, синтез каналов 10,780-11,280; 4,020-4,080; 3,929-3,989 мкм, белым тоном отображены разогретые участки земной поверхности	Рис. 3 Фрагмент снимка после проведения автоматизированного распознавания пожаров, синтез каналов 0,620-0,670; 0,545-0,565; 0,459-0,479 мкм, пространственное разрешение 250 м, красные точки - участки возгорания, выделенные алгоритмом автоматизированного распознавания пожаров
Рис. 4 Пример оперативной карты очагов возгорания лесных территорий и торфяников

По тепловым космическим снимкам возможно также выделение и оценка площади гарей после пожара. На Рис. 5 на исходном изображении гари и водные объекты, имеющие низкую яркость, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, не отличаются друг от друга по цвету, а на Рис. 6, где приведен вариант синтеза с участием теплового инфракрасного канала, гари, имеющие более высокую по сравнению с окружающими объектами температуру, уверенно выделяются по красному цвету. При этом существенно, что синтезированное изображение сохраняет разрешение исходного изображения (250 м), несмотря на более низкое разрешение теплового инфракрасного канала (1000 м).

Пример синтезирования изображений, полученных с помощью сканера MODIS, разрешение приведено к 250 м. (http://www.iki.rssi.ru):

Рис. 5 Исходное изображение - синтез каналов видимого и ближнего инфракрасного диапазонов

Рис. 6 Изображение, синтезированное из каналов видимого, ближнего инфракрасного и теплового инфракрасного диапазонов

На снимках достаточно высокого разрешения ETM+/Landsat-7 (Рис. 7-10) показаны восточные районы Московской области в момент интенсивных пожаров августа-сентября 2002 года. Синтез каналов ближнего и среднего инфракрасного диапазона спектра позволяет выявить очаги возгораний под облаками дыма (Рис. 9), а использование теплового инфракрасного канала - получать контуры подземных торфяных пожаров при отсутствии очагов открытого пламени (Рис. 10), участки поверхности с высокой температурой в данном синтезе имеют ярко-розовый цвет.

Наблюдение за лесными пожарами в засуху 2002 года на востоке Московской области по данным сканера ETM+/Landsat-7, разрешение приведено к 30 м.(http://www.scanex.ru):

Рис. 7 Состояние местности до пожаров 7 июля 2001 г., снимок в видимом диапазоне, 30 м.	Рис. 8 Общий вид пожаров с дымовыми шлейфами 5 сентября 2002 г., снимок в видимом диапазоне
Рис. 9 Выявление лесных пожаров 5 сентября 2002 г. в средней и ближней инфракрасных частях спектра	Рис. 10 Выявление подземных торфяных пожаров в тепловой, средней и ближней инфракрасных частях спектра

Жарким летом 2010 г. ИТЦ СканЭкс организовал общедоступный оперативный сервис мониторинга пожаров, где сочетаются сведения об очагах пожаров в реальном времени, получаемые на основе данных MODIS и снимков более высокого разрешения

По тепловым снимкам осуществляют также мониторинг факелов сжигания попутного газа при добыче нефти. Например, с помощью космических снимков MODIS в тепловом инфракрасном диапазоне выявлены практически все интенсивные тепловые источники на территории Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов. К тепловым источникам относятся: ТЭЦ, ГРЭС, компрессорные станции на магистральных трубопроводах, факелы сжигания попутного газа на месторождениях нефти и газа. На некоторых снимках выделяются суммарные тепловые шлейфы от таких площадных объектов как города и промышленные зоны.

Калибровка тепловых каналов сканера MODIS с длинами волн от 3,66 до 14,385 мкм в шкалу радиояркостной температуры позволила установить, что контраст между горящим газовым факелом и окружающей земной поверхностью составляет от 5 до 40 градусов Цельсия. Превышение температуры в газовом шлейфе прослеживается на расстоянии от десятков до сотен километров. Так, представленные на Рис. 11, 12 тепловые шлейфы от горящих газовых факелов Приобского месторождения НК "Роснефть" вытянуты на 300 км в северо-западном направлении. Размеры и конфигурация шлейфов связаны с мощностью выбросов и высотой труб. Шлейфы от компрессорных станций ОАО "Газпром", работающих на перекачиваемом газе, имеют конусообразную форму с углом до 30 градусов и максимальной плотностью вблизи источника. Шлейфы от Сургутской и Излучинской ГРЭС, имеющих максимальную высоту труб, представлены узкими конусами с равномерной плотностью длиной до 200 км (Рис. 11).

Анализ космических снимков MODIS за зимний период 2005-06 гг. позволил установить координаты горящих газовых факелов по сжиганию попутного нефтяного газа на месторождениях ХМАО. Координаты факелов определялись по калиброванному в шкалу радиояркостной температуры 20 каналу сканера MODIS (3,66-3,84 мкм). Всего определены координаты 280 факелов, которые использованы для исключения ложных пикселов пожаров при оперативном мониторинге возгораний в лесах на территории ХМАО в пожароопасный период.

Тепловые шлейфы на территории Западной Сибири от газовых факелов, ГРЭС и компрессорных станций по данным съемки MODIS R:G:B синтез каналов 31 (10,780-11,280 мкм):2(0,841-0,876 мкм):20(3,660-3,840 мкм).

Рис. 11 Дата съемки - 12 января 2006 г. Источник

Рис. 12 Дата съемки - 24 декабря 2008 г. Источник

Пожары в Австралии в феврале 2009 года

Летние пожары на Австралийском континенте происходят регулярно. Обычно огонь быстро распространяется на большие территории из-за сильного ветра и высокой температуры воздуха. Сильнейшие пожары с трагическими последствиями происходили в 1851, 1898, 1926, 1939, 1983 годах.

7 февраля 2009 года в австралийском штате Виктория возник самый крупный в истории лесной пожар. В результате действия стихии сожжены примерно 2 тысячи домов, еще 14 тысяч остались без электроснабжения, 7 тысяч человек остались без крова. На территории штата зарегистрированы 400 очагов лесных пожаров, часть из которых представляет реальную угрозу как для небольших населенных пунктов, так и для крупных городов.

По официальным данным, жертвами лесных пожаров в штате Виктория в 2009 году стали 208 человек. Большинство из погибших людей проживали в небольших городках к северу от Мельбурна. Погибло более миллиона диких животных.

Пожары начались во время исключительной жары в субботу 7 февраля, когда в нескольких областях Австралии, включая столицу штата Мельбурн, была отмечена самая высокая за 150 лет температура воздуха. Лесные пожары были описаны как самые сильные в Австралии, превосходящие пожары в "Черную пятницу" 1939 года, и "Пожары Пепельной среды" 16 февраля 1983 года. Горные города Кинглеке и Мэрисвилль, к северо-востоку от Мельбурна, получили серьезный урон от огня, Мэрисвилль разрушен больше чем на 80 %. Огнем уничтожено более миллиона гектаров леса.

В результате обработки материалов космической съемки, полученных в этот и последующие дни со спутника Aqua/MODIS, удалось локализовать очаги возгорания и гари, определить направление и интенсивность распространения огня и дыма. Пример результатов обработки представлен на Рис. 13-15. Снимки получены по сети Интернет с сайта http://ladsweb.nascom.nasa.gov/.

Снимки, полученные гиперспектрометром MODIS, были трансформированы в проекцию UTM, датум Australian Geodetic 1984, зона 55 средствами ENVI. Принятый со спутника Aqua "сырой" файл имеет формат *.pds. Распаковка, географическая привязка, калибровка выполнены с помощью программного пакета IMAPP (International MODIS-AIRS Program Package), разработанного Висконсинским Университетом по контракту с NASA для среды UNIX, либо варианта IMAPP, адаптированного к WINDOWS в ИТЦ СканЭкс. Выходные файлы IMAPP имеют формат HDF (Hierarchical Data Format). Дальнейшая обработка происходит средствами ГИС-пакета ENVI (EXELIS VIS). Коррекция геометрических искажений типа, а также формирование файла опорных точек для последующего трансформирования в проекцию UTM выполнялись в ENVI с помощью специальных программных модулей, разработанных в ИТЦ СканЭкс и установленных в среде ENVI. Затем проведен расчет яркостей и трансформирование в проекцию UTM, зона 55, стандартными средствами ENVI. Данные 3 и 4 каналов (исходное разрешение 500 м) приведены к разрешению 250 м. Тепловое изображение было получено путем геометрической коррекции и привязки 21 канала (3,929-3,989 мкм) (разрешение 1000 м). Были обработаны безоблачные изображения, полученные 7, 13, 16 и 22 февраля 2009 г.

На изображениях в видимом диапазоне (Рис. 13) хорошо дешифрируются дымовые шлейфы от пожаров, однако сами очаги открытого пламени на снимках не обнаруживаются. На тепловых же изображениях (Рис. 14) отчетливо выделяются очаги горения, представленные на снимках ярко белыми или более светлыми, по сравнению с окружающим фоном, точками. С помощью изображений, синтезированных в ближних и средних инфракрасных каналах при окрашивании теплового канала красным (Рис. 15), можно определить контуры гарей, отображающихся красным цветом в этом варианте синтеза.

Космические снимки на район пожаров в Австралии, полученные гиперспектрометром MODIS в 2009 г., 13 февраля (левый столбец) и 24 февраля (правый столбец):
 

Рис. 13 Снимки в натуральной цветопередаче: RGB синтез каналов 1 (0,620-0,670мкм); 4 (0,545-0,565мкм) и 3 (0,459-0,479 мкм), разрешение 250 м
Рис. 14 Тепловой канал (3,929-3,989 мкм), разрешение 1000 м
Рис. 15 RGB cинтез каналов 4(1,230-1,250 мкм), 2(0,841-0,876 мкм), 5(0,545-0,565) мкм, разрешение 250 м