СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕСОПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ Российский патент 2008 года по МПК A62C3/02 A01G23/00 

Изобретение относится к лесному хозяйству, в частности к дистанционной оперативной оценке состояния влажности лесных горючих материалов (ЛГМ) на обширных площадях.

Лесные пожары были и остаются доминирующим фактором, определяющим структуру и динамику бореальных лесов. По масштабу воздействия на лесной фонд они превышают все другие факторы. Своевременный прогноз лесопожарной опасности позволяет заблаговременно сосредотачивать имеющиеся ресурсы и вводить режимы в лесопожарных зонах.

Известен способ пирологической оценки лесов по комплексному показателю (КПО) горимости В.Г.Нестерова (см., например, Лесопожарные показатели засухи, в сборнике «Пирологическое районирование в таежной зоне» Софронов М.А., Волокитина А.В., АН СССР, Сибирское отделение, Наука, Новосибирск, 1990 г., стр.37-38 - аналог). В способе - аналоге расчет КПО проводится на основе данных наземных метеопунктов по следующей зависимости:

где Т° - температура воздуха на 12 часов местного времени, °С,

t_p - температура точки росы, °С,

∑ - сумма разности температур за все дни τ_i сухого периода со дня наблюдения до дня выпадения осадков более 3 мм.

После выпадения осадков более 3 мм счет обнуляется, а расчет КПО начинается заново со дня установления бездождевой погоды. По полученной сумме КПО устанавливаются классы пожарной опасности по В.Г.Нестерову: I класс - до 300; II класс - 300...1000; III класс - 1000...4000; IV класс - 4000...8000; V класс чрезвычайной опасности - более 8000.

Выделенные участки различных классов наносят на карту лесхоза (лесничества) по укрупненным выделам и закрашивают красным цветом различной насыщенности.

Недостатком известного аналога являются:

- существенные ошибки результирующих оценок при неравномерном выпадении осадков на площади наблюдения,

- невысокая достоверность при редкой сети метеопунктов,

- неадекватность (косвенность) самого критерия, характеризующего засушливое состояние погоды, а не пожарную зрелость лесных горючих материалов.

Восприимчивость лесного отпада и подстилки к огню напрямую зависит от их влажности. Самым надежным способом прогнозирования пожарной опасности явился бы способ непосредственного измерения влажности ЛГМ.

В большинстве национальных систем мониторинга лесов для прогноза лесопожарной опасности используют данные дистанционного зондирования аэрокосмическими средствами в ИК-диапазоне.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым техническим решением является «Способ контроля лесопожарной опасности». Патент RU №2.147.253, кл. А62С, 3/02, 2000 г.

Способ ближайшего аналога включает регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в ИК-диапазоне, соответствующего максимуму теплового излучения (9-12 мкм), калибровку тракта зондирования по измерениям эталонных участков, преобразование зарегистрированной функции электрического сигнала в цифровые матрицы отсчетов зависимости амплитуды А(х, у) от пространственных координат, выделение методами пространственного дифференцирования контуров на двумерных изображениях лесных массивов, расчет влажности (W) лесных горючих материалов внутри выделенных контуров по регрессионной зависимости:

где

а - поправочный коэффициент, учитывающий параметры тракта зондирования, географическую зону, тип лесов;

σ², L² - мощность переменной и постоянной составляющей сигнала участка изображения внутри анализируемого контура.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- зависимость интегрального показателя от типа лесов, т.е. необходимость введения поправочного коэффициента (а), значения которого неизвестны;

- поскольку ИК-излучение экранируется древесным пологом, то оно содержит лишь косвенную информацию о влажности ЛГМ;

- неадекватность используемой регрессионной зависимости физическому процессу нарастания пожарной зрелости ЛГМ.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в оперативном обнаружении и отслеживании лесопожарной опасности на обширных площадях путем зондирования лесов в СВЧ-диапазоне космическими средствами с широкой полосой захвата на длине волны, обеспечивающей прохождение восходящего излучения через поверхностный слой из лесных горючих материалов и древесный полог.

Технический результат достигается тем, что в способе определения лесопожарной опасности, включающем зондирование подстилающей поверхности леса космическими средствами для определения и анализа показателя лесопожарной опасности - влажности лесных горючих материалов, с получением изображений подстилающей поверхности в виде матриц зависимости амплитуды сигнала А(х,у) восходящего излучения от пространственных координат, и обработкой матриц для выделения границ контуров лесопожарной опасности в зависимости от параметров сигнала, дополнительно зондирование осуществляют в СВЧ-диапазоне на длине волны, обеспечивающей прохождение электромагнитного излучения через поверхностный слой лесных горючих материалов, для формирования матриц используют многолучевую антенну с регулируемой дискретизацией отсчетов в полосе сканирования и с индивидуальным трактом приема в каждом луче, а влажность (W) лесных горючих материалов внутри границ контуров находят из соотношения:

W,%=S_p/S_o·exp(-M₁/σ)·100%, где

S_p - площадь рельефа сигнала матрицы изображения;

S₀ - геометрическая площадь матрицы изображения;

M₁ - математическое ожидание сигнала;

σ - среднеквадратическое отклонение сигнала;

геометрическая площадь матрицы изображения равна произведению числа строк на число столбцов и на площадь одного пикселя, а площадь рельефа сигнала матрицы изображения вычисляется как интеграл из соотношения:

где

m - число строк сигнала матрицы изображения;

n - число столбцов сигнала матрицы изображения;

х, у - текущие координаты функции сигнала А(х, у);

σ - среднеквадратическое отклонение сигнала.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - зависимость влажности лесных горючих материалов от комплексного показателя (КПО) способа ближайшего аналога;

фиг.2 - зависимость потока восходящего излучения от комплексного показателя;

фиг.3 - калибровочная функция зависимости влажности ЛГМ от параметров сигнала матрицы;

фиг.4 - распечатка с границами классов лесопожарной опасности на контурной карте региона;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем. Известные методы и средства измеряют косвенные признаки лесопожарной опасности, а именно - нарастание метеотемпературы приповерхностного слоя, к тому же ИК-излучение экранируется древесным пологом. Радиоволны СВЧ-диапазона могут проникать под полог растительного покрова и в глубину почвенного слоя [см. например, Крапивин В.Ф., Кондратьев К.Я. «Глобальные изменения окружающей среды: экоинформатика», СПбГУ, Санкт-Петербург, 2002 г., Теоретические основы радиофизического зондирования, стр.666-670]. Поэтому, восходящее СВЧ-излучение содержит информацию непосредственно о влажности лесных горючих материалов: мхов, лишайников, травяной ветоши, отмершей хвои, листьев, отпада, кустарников. Использование СВЧ-диапазона обеспечивает контроль самого процесса нарастания пожарной зрелости ЛГМ. Наряду с очевидным преимуществом, СВЧ-диапазон имеет существенный недостаток, ограничивающий его техническую применимость - малую мощность восходящего излучения. В соответствии с законом Планка мощность излучения при одной и той же температуре объекта убывает обратно пропорционально пятой степени длины волны (˜1/λ⁵) [см., например, «Физический энциклопедический словарь» под редакцией А.М.Прохорова, Сов. энциклопедия, 1983 г., Планка закон излучения, стр.544]. Следовательно, при переходе в СВЧ-диапазон возникают трудности в обеспечении необходимого энергетического потенциала радиоканала зондирования. Как следует из размерности мощности восходящего излучения [Вт/м²], энергетический потенциал радиоканала можно обеспечить, осуществляя прием излучения с большой площади. Например, при разрешении одного пикселя в 10 км, энергетический потенциал радиоканала увеличивается в (10·1000)²≈10⁸ раз. Однако, при увеличении размера пикселя измерений, возникает проблема формирования матрицы изображения подстилающей поверхности, адекватной измеряемому физическому процессу в полосе сканирования.

В заявляемом способе перечисленные противоречивые условия реализуются путем использования многолучевой антенны, каждый луч которой, для повышения чувствительности, подключен к отдельному тракту приема. При этом, сканирование подстилающей поверхности, для формирования измерительной матрицы отсчетов, осуществляют: вдоль трассы - за счет движения носителя (измерителя) путем регулирования интервала дискретизации отсчетов, а поперек трассы - многолучевой антенной, как это иллюстрируется фиг.5. Скрытая информация о влажности ЛГМ содержится в сигнале регистрируемой матрицы отсчетов. Подсыхание горючих материалов сопровождается следующими физическими явлениями:

- уменьшение влажности приводит к увеличению кажущейся температуры и излучательной способности горючих материалов, что эквивалентно увеличению амплитуды постоянной составляющей сигнала M₁ (M₁ - математическое ожидание сигнала матрицы);

- рост средней температуры приповерхностного слоя сопровождается уменьшением разброса температур между элементами подстилающей поверхности, находящихся в различных пирологических условиях (возвышенность, низина, солнце, тень), что эквивалентно уменьшению амплитуды переменной составляющей сигнала σ (σ - среднеквадратическое отклонение сигнала матрицы);

- засуха, как правило, охватывает большие пространственные территории, что сопровождается уменьшением скорости флюктуаций сигнала по пространственным координатам, т.е. снижением степени изрезанности (шероховатости) сигнала матрицы и уменьшением площади его рельефа (S_p).

Процесс нарастания пожарной зрелости ЛГМ определяется совокупным, одновременным изменением всех трех перечисленных факторов. Функция изменения потока восходящего излучения от комплексного показателя пожарной опасности иллюстрируется графиками фиг.2. Зависимость влажности лесных горючих материалов от параметров сигнала матрицы изображения (M₁, σ, S_p/S₀) (калибровочная функция) иллюстрируется фиг.3. Количественную оценку влажности ЛГМ по измерениям СВЧ-радиометра осуществляют по калибровочной функции переходного процесса. Из математики известно [см., например. Пискунов Н.С., «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», том 1, 5-е издание. Наука, М., 1964 г., стр.457-458], что сама функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспонента. Начальные условия для решения дифференциального уравнения находят из статистических данных, представленных в табл.1 [см., например, аналог, стр.106-117]

Зависимость между КПО и влажностью ЛГМ

Таблица 1Класс пожарной опасностиКПО По НестеровуВлажность ЛГМ,%Горимость ЛГМЗеленые мхиПодстилкаI
II
III
IV
Vдо 300
300...1000
1000...4000
4000...8000
более 800068-70
50-60
35-40
17-20
10-1350-55
35-40
25-30
15-20
7-10Не горят
Горят слабо,
неустойчиво
Горимость
средняя
Горимость
высокая
Горимость
чрезвычайно
высокая

+Из данных табл.1 следует, что предельно опасный уровень горимости ЛГМ соответствует влажности 7-10%, а уровень негоримости ≈70%. Представляя функцию переходного процесса подсыхания ЛГМ в виде экспоненты: W=k·ехр(-х), выражая показатели (k, x) через параметры сигнала матрицы отсчетов, при начальных условиях табл. 1, получена калибровочная характеристика для расчета влажности ЛГМ в виде:

W,%=S_p/S₀·ехр (- M₁/σ)·100%.

S₀ - геометрическая площадь матрицы |m×n|, равная произведению числа строк на число столбцов и на площадь одного пикселя;

S_p - площадь рельефа сигнала матрицы отсчетов, вычисляемая как интеграл из соотношения:

Интегральную площадь вычисляют программным методом, по расчетной величине дисперсии сигнала σ² [см., например, «Способ определения площади рельефа». Патент RU №2.255.357, G01V, 9/01, G01C 7/00, 2005 г.].

Пример реализации

Заявляемый способ может быть реализован по схеме фиг.5. Функциональная схема системы фиг.5 содержит орбитальную станцию 1 (типа МКС) с установленным на ней СВЧ - радиометром 2 (типа РК-21-8), осуществляющим прием восходящего излучения подстилающей поверхности в полосе сканирования 3 многолучевой антенной 4, каждый остронаправленный луч 5 которой подключен на вход отдельного приемного тракта 6. С выхода тракта 6 сигнал каждого луча, проквантованный в стандартной шкале 0...256 уровней, в цифровом виде, синхронно записывают на отдельную дорожку бортового видеомагнитофона 7 (типа «Нива»). Включение СВЧ-радиометра в режим сканирования над заданными регионами планеты осуществляют по программам или разовым командам, закладываемым в бортовой комплекс управления (БКУ) 8 посредством радиолинии 9 из центра управления полетом (ЦУП) 10. Последовательность отснятых радиометрическим комплексом 2 изображений подстилающей поверхности в сеансах видимости МКС с наземных пунктов передают телеметрической системой 11 (типа БИТС-2) по автономному радиоканалу 12 на пункты приема информации (ПИИ) 13, где записывают на видеомагнитофон 14 (типа «Арктур»). По запросам потребителей или согласованным протоколам обмена информацию изображений лесопожарных регионов вместе со служебной информацией (время съемки, регион, виток орбиты, метки бортового времени) перегоняют в региональные центры 15, где создают долговременный архив 16 из всех отснятых кадров. Тематическую обработку получаемых изображений осуществляют на персональных ЭВМ 17 в стандартном наборе элементов: процессора 18, оперативного запоминающего устройства 19, винчестера 20, дисплея 21, принтера 22, клавиатуры 23, графопостроителя 24. Радиотехнический комплекс РК-21-8 позволяет регулировать интервал дискретизации отсчетов от 0,1 до 1 сек. В таблице 2 представлены результаты контрольных замеров и программной обработки матриц изображений, полученные при наземной отработке радиотехнического комплекса на самолетном носителе.

Таблица 2РегионМестный КПОХарактеристики сигналаВлажность ЛГМ, %M₁σS_p/S₀Приморский край
Читинская обл.
Респ. Бурятия400
2000
400085
120
14493
79
601,9
1,7
1,368
37
14

Выделение границ контуров лесопожарной опасности осуществляют программным методом, с использованием стандартных процедур вычисления операторов пространственного дифференцирования Робертса или Собела [см., например, Дуда P.O., Харт П.Е. «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ., М., Мир, 1976 г., § 7.3 Пространственное дифференцирование, стр. 287-288]. Результат программного выделения границ контуров классов лесопожарной опасности иллюстрируется фиг.4.

Эффективность заявляемого способа характеризуется такими показателями, как оперативность, достоверность, точность, глобальность. Осуществляя ежедневное обновление информации и ее автоматизированную обработку, представляется возможным адекватно, достоверно и точно отслеживать состояние ЛГМ на обширных площадях.

Для оперативного обнаружения лесопожарной опасности на обширных площадях определяют влажность лесных горючих материалов (ЛГМ) путем: зондирования подстилающей поверхности в СВЧ-диапазоне на длине волны, обеспечивающей прохождение электромагнитного излучения через поверхностный слой ЛГМ; формирования матрицы изображения многолучевой антенной с регулируемой дискретизацией отсчетов в полосе сканирования и индивидуальным трактом приема в каждом луче; расчета параметров сигнала матрицы изображения: M₁ - математического ожидания, σ - среднеквадратического отклонения, S_p - площади рельефа. S₀ - геометрической площади обрабатываемой матрицы; выделения контуров на изображении методами пространственного дифференцирования и определения влажности (W) ЛГМ внутри контуров по калибровочной функции: W,%=S_p/S₀·exp(-M₁/σ)·100%, где S_p - площадь рельефа сигнала матрицы изображения; S₀ - геометрическая площадь матрицы изображения; M₁ - математическое ожидание сигнала; σ - среднеквадратическое отклонение сигнала. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Способ определения лесопожарной опасности, включающий зондирование подстилающей поверхности леса космическими средствами для определения и анализа показателя лесопожарной опасности - влажности лесных горючих материалов, с получением изображений подстилающей поверхности в виде матриц зависимости амплитуды сигнала А(х,у) восходящего излучения от пространственных координат и обработкой матриц для выделения границ контуров лесопожарной опасности в зависимости от параметров сигнала, отличающийся тем, что зондирование осуществляют в СВЧ диапазоне на длине волны, обеспечивающей прохождение электромагнитного излучения через поверхностный слой лесных горючих материалов, для формирования матриц используют многолучевую антенну с регулируемой дискретизацией отсчетов в полосе сканирования и с индивидуальным трактом приема в каждом луче, а влажность (W) лесных горючих материалов внутри границ контуров находят из соотношения

W,%=(S_p/S₀)ехр(-M₁/σ)100%,

где S_p - площадь рельефа сигнала матрицы изображения;

S₀ - геометрическая площадь матрицы изображения;

M₁ - математическое ожидание сигнала;

σ - среднеквадратическое отклонение сигнала.

где m - число строк сигнала матрицы изображения;

n - число столбцов сигнала матрицы изображения;

х,у - текущие координаты функции сигнала А(х,у);

σ - среднеквадратическое отклонение сигнала.