Способ обнаружения пожароопасных участков лесных рубок Российский патент 2024 года по МПК G01N21/25 A62C3/02 

Способ относится к области тематического картографирования на основе обработки данных дистанционного зондирования Земли из космоса и может быть использован для обнаружения участков лесных рубок с накопленным в зимний период на местах проведения рубок пожароопасным материалом.

Проведение работ на лесных участках сопровождается появлением на них порубочных остатков (ветки, сучки, обломки стволов растений и верхушки деревьев). Очистку мест рубок от порубочных остатков регламентирует приказ Минприроды России от 17.01.2022 № 23 «Об утверждении видов лесосечных работ, порядка и последовательности их выполнения, формы технологической карты лесосечных работ, формы акта заключительного осмотра лесосеки и порядка заключительного осмотра лесосеки». Наличие на участках порубочных остатков в пожароопасный период запрещено, согласно п. 9.1 Правил пожарной безопасности в лесах [Правила пожарной безопасности в лесах [Электронный ресурс]: Постановление Правительства РФ от 30.06.2007 г. № 417 (ред. от 17.04.2019 г.). - Режим доступа: Информационно-правовой портал "Гарант.ру"].

Для обеспечения пожаробезопасности в лесах требуется проведение мероприятий по оперативному обнаружению пожароопасных участков непосредственно перед началом пожароопасного сезона.

Известен аналог заявляемого технического решения, способ контроля лесопожарной опасности по патенту России на изобретение RU 2 147 253 C1 [авторы Давыдов В.Ф., Новоселов О.Н., Харин О.А., Азметов Р.Р., Мещерякова И.А., Щербаков А.А., патентообладатель Московский государственный университет леса]. В аналоге представлен способ контроля лесопожарной опасности на основе регистрации собственного излучения подстилающей поверхности, преобразования в цифровые матрицы отсчетов зависимости амплитуды от координат, калибровки тракта зондирования по измерениям эталонных участков, вычисления характеристик матриц и расчет результирующего показателя. При этом собственное излучение регистрируют в диапазоне, соответствующем максимуму теплового ИК-излучения подстилающей поверхности. В качестве результирующего показателя используют величину влажности лесных горючих материалов (ЛГМ). Величину влажности ЛГМ внутри выделенных контуров рассчитывают по регрессионной зависимости. Перечисленные признаки обеспечивают оперативное, дистанционное отслеживание влажности лесных горючих материалов.

Общим признаком с заявленным техническим решением является формирование цифровых матриц изображений на основе получаемой информации в тепловом ИК-диапазоне.

Недостатком аналога является использование в качестве основного показателя для контроля за состоянием лесопожарной опасности влажности лесных горючих материалов. При изменении метеорологических условий пространственное положение потенциально опасных участков будет изменяться.

Известен аналог заявляемого технического решения, способ определения лесопожарной опасности по патенту России на изобретение RU 2336107 C2 [авторы Сорокин И.В., Давыдов В.Ф., Тищенко Ю.Г., Давыдова С.В., патентообладатели Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева, Московский государственный университет леса]. В аналоге представлен способ оперативного обнаружения лесопожарной опасности на обширных площадях наблюдения. Прогнозирование пожарной опасности и определение влажности лесных горючих материалов в аналоге осуществляется на основе дистанционного зондирования подстилающей поверхности в СВЧ-диапазоне.

Общим признаком с заявленным техническим решением является использование методов дистанционного зондирования Земли из космоса, что позволяет отслеживать лесопожарную опасность на обширных площадях.

Недостатком аналога является невозможность обнаружения участков лесных рубок с повышенной пожарной опасностью непосредственно перед началом пожароопасного сезона.

Известен способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности (прототип) по патенту RU 2581783 C1 [авторы Бондур В.Г., Гапонова М.В., Цидилина М.Н., Давыдов В.Ф., Корольков А.В., патентообладатель Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга «АЭРОКОСМОС» (НИИ «АЭРОКОСМОС»)].

Способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности включает ее дистанционное зондирование с получением изображений в двух независимых каналах, инфракрасном (ИК) диапазоне 8-11 мкм и восходящем СВЧ-излучении дециметрового диапазона, формирование синтезированной матрицы изображений путем попиксельного перемножения сигналов канальных матриц, нормирование синтезированных матриц в стандартной шкале 0…255 уровней квантования. Полученный результат калибруется по значениям показателя пожарной опасности эталонных площадок, пересчитываются матрицы значений пикселов суммарного канала в матрицы со значениями пикселей пожарной опасности, выделяются области классов пожарной опасности. Завершающим этапом является визуализация полученных областей с распечаткой и нанесением их на контурную карту региона.

Способ-прототип не позволяет определить прогнозируемую лесопожарную обстановку при наличии на территории наблюдения снежного покрова, что, в свою очередь, ограничивает срок реагирования и реализации соответствующих мероприятий по снижению пожарной опасности сроком, соответствующим бесснежному (летнему) периоду.

Задача заявляемого технического решения - возможность обнаружения пожароопасных участков лесных рубок непосредственно перед началом пожароопасного сезона (после схода снежного покрова).

Технический результат решения - создание и оформление тематических картосхем пожароопасных участков лесных рубок на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса.

Для обнаружения пожароопасных лесных участков используются спутниковые изображения, получаемые в инфракрасной части спектра, широко применяемые для изучения и картографирования тепловых контрастов земных покровов. Интенсивность теплового излучения определяется температурой нагрева излучающего объекта, отображенного на космическом снимке. Поверхностная радиационная температура восстанавливается с использованием известной связи [Y. Chen, D.Z. Sui, T. Fung, W. Dou “Fractal analysis of the structure and dynamics of a satellite-detected urban heat island” // International Journal of Remote Sensing, 28, № 10, 20 May 2007, 2359-2366.] на основе спектральной интенсивности излучения, зафиксированной съемочной аппаратурой в результате проведения спутниковой съемки.

В весенний период, во время интенсивного таяния снежного покрова, участки лесных рубок с наличием на них пожароопасных материалов, из-за различий температуры прогревания поверхности, распознаются на спутниковых снимках в виде тепловых аномалий.

Поставленная задача решается тем, что используя тепловой контраст снежного покрова и находящихся на его поверхности порубочных остатков, возможно обнаружение и картографирование пожароопасных лесных участков непосредственно перед началом пожароопасного сезона.

Сущность заявляемого технического решения заключается в получении спутниковых снимков из открытых источников, на основе которых в специализированном программном обеспечении производится обнаружение участков новых лесных рубок и формирование в период интенсивного таяния снега синтезированной матрицы изображений путем комбинирования разности интенсивности излучения, фиксируемой на спутниковых снимках в инфракрасных частях спектра. Для обнаружения мест нахождения новых лесных рубок используется известный метод [Пространственно-временной анализ динамики лесного покрова в Среднем Поволжье по спутниковым данным / О.Н. Воробьев, Э.А. Курбанов, Ю.А. Полевщикова, С.А. Лежнин; под общей редакцией профессора Э.А. Курбанова. - Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2019. - 200 с. - ISBN 978-5-8158-2118-7]. Матрица изображений для получения технического результата формируется с использованием комбинаций спутниковых снимков среднего пространственного разрешения в диапазонах длин волн 0,845-0,885 мкм и 2,10-2,30 мкм. В таблице 1 представлено описание используемых для создания синтезированной матрицы спектральных каналов. Схема формирования синтезированной матрицы изображений с использованием указанных спектральных каналов приведена на Фиг. 3.

Таблица 1

Спектральные каналы, участвующие в формировании синтезируемой матрицы изображений Диапазоны длин волн спектральных каналов, мкм ближний ИК
(Short Wavelength Infrared, SWIR 3) 2,100-2,300 ближний ИК (Near Infrared, NIR) 0,845-0,885

Изобретение подтверждается схемами, где:

Фиг. 1 - картосхемы обнаружения участков лесных рубок.

Для обнаружения участков лесных рубок используются разновременные спутниковые снимки на начало и конец зимнего периода, в течение которого проводятся лесные рубки. Синтезированное на основе разновременных снимков изображение позволяет картографировать места рубок и произвести расчет их площади. На Фиг. 1 обнаруженные места рубок подсвечены красным цветом.

Фиг. 2 - схема, определяющая используемый временной интервал для заявленного технического решения. На схеме представлены графики таяния снежного покрова (сплошные линии) в весенний период при повышении температуры воздуха (пунктирные линии). В качестве примера приведены графики таяния снежного покрова для территории Свердловской области (по данным метеостанции Ивдель), Томской области (по данным метеостанции Средний Васюган) и Красноярского края (по данным метеостанции Енисейск) в весенний период 2023 года. Источником информации для построения графика послужил портал RP5.RU. Красным пунктиром на схеме обозначена линия тренда температуры. В соответствии с графиком, для заявляемого технического решения, с учетом выбранных в качестве примера территорий наблюдения, необходимо использовать снимки, полученные в диапазоне дат с 27 марта по 08 апреля.

Фиг. 3 - схема формирования RGB-синтезированной матрицы изображений. Для формирования матрицы используется специализированное программное обеспечение. Заявляемое техническое решение основано на создании матрицы изображений комбинированием разности интенсивности излучения (SWIR 3 - NIR), SWIR 3 и NIR.

Фиг. 4 - подготовленные картосхемы обнаруженных пожароопасных участков лесных рубок. На картосхеме обнаруженные пожароопасные участки лесных рубок имеют желтый цвет, остальные участки лесных рубок имеют синий цвет. Подготовленные картосхемы являются техническим результатом. С использованием картосхем можно выявить количество и местоположение пожароопасных лесных участков с указанием их географических координат, а также рассчитать площади участков.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для обнаружения мест проведения лесных рубок выполняется подбор и последующий анализ разновременных спутниковых изображений. На Фиг. 1. представлен пример обнаружения лесных рубок с указанием географических координат. В период интенсивного таяния снежного покрова (на Фиг. 2 период выделен светло-красным фоном), используя тепловой контраст снежного покрова и находящихся на его поверхности порубочных остатков, проводится обнаружение и картографирование пожароопасных лесных участков непосредственно перед началом пожароопасного сезона. Для формирования синтезированной матрицы изображений, в соответствии с представленным техническим решением, используются разность интенсивности излучения в SWIR 3 и NIR по схеме Фиг. 3. Примеры подготовленных картосхем с указанием географических координат и масштабной линейкой, являющихся техническим результатом решения и подтверждающих возможность осуществления изобретения представлены на Фиг. 4.

Представленный способ обнаружения пожароопасных участков лесных рубок позволяет обнаружить участки лесных рубок прошедшего зимнего периода, не очищенные от порубочных остатков, определить границы и площади лесосек, сформировать картосхемы пожароопасных участков лесных рубок. Полученная информация может быть использована при проведении комплексного спутникового мониторинга лесных экосистем и получения оперативного прогноза пожароопасности лесных участков для обеспечения принятия необходимых мер по снижению пожароопасности в лесах непосредственно перед началом пожароопасного сезона для наблюдаемых территорий.

Практическая значимость выражается в возможности обнаружения и картографировании пожароопасных участков лесных рубок непосредственно перед началом пожароопасного сезона.

Изобретение относится к области тематического картографирования на основе обработки данных дистанционного зондирования Земли и касается способа обнаружения пожароопасных участков лесных рубок. Способ включает дистанционное зондирование средствами орбитального космического носителя с получением изображений в двух независимых спектральных диапазонах, выделение пожароопасных участков путем формирования синтезированной матрицы изображений и построение картосхемы пожароопасных участков лесных рубок. Синтезированную матрицу изображений строят на основе попиксельной разности интенсивности излучения в диапазонах 2,100-2,300 мкм и 0,845-0,885 мкм для каждого исследуемого участка лесной рубки в период таяния снежного покрова. Картосхему пожароопасных участков лесных рубок строят непосредственно перед началом пожароопасного сезона. Технический результат заключается в обеспечении возможности обнаружения пожароопасных участков лесных рубок непосредственно перед началом пожароопасного сезона. 4 ил., 1 табл.

Способ обнаружения пожароопасных участков лесных рубок, включающий дистанционное зондирование средствами орбитального космического носителя с получением изображений в двух независимых спектральных диапазонах и формирование синтезированной матрицы изображений, отличающийся тем, что выделяют пожароопасные участки путем формирования синтезированной матрицы изображений на основе попиксельной разности интенсивности излучения в диапазонах 2,100-2,300 мкм и 0,845-0,885 мкм для каждого исследуемого участка лесной рубки в период таяния снежного покрова и строят картосхемы пожароопасных участков лесных рубок непосредственно перед началом пожароопасного сезона.