ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕНИЯ СТЕПНЫХ ПОЖАРОВ (АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ И ВИЗУАЛЬНОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ)

PROBLEMS OF STUDYING OF STEPPE FIRES (ANALYSIS OF THE RESULTS OF THE AUTOMATED DETECTION AND VISUAL INTERPRETATION OF SATELLITE IMAGES)

В.М. Павлейчик

V.M. Pavleychik 

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт степи Уральского отделения Российской академии наук (ИС УрО РАН)

(Россия, 460000, г. Оренбург, ул. Пионерская, 11) 

Institute of Steppe of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (IS UB RAS)

(Russia, 460000, Orenburg, Pionerskaya St., 11)

e-mail: orensteppe@mail.ru

Приведены сведения о степени объективности и возможности использования архивных данных систем пожарного мониторинга для изучения пространственной и временной структуры степных пожаров. Фактические данные представлены изображениями, подготовленными в результате визуального дешифрирования гарей по серии космических снимков Landsat. Выявлены возможные расхождения в данных сравниваемых источников по площадным и количественным параметрам.

Provides information about the degree of objectivity and the possibility of using archival data systems of fire monitoring to study the spatial and temporal structure of of steppe fires. Actual data presented images, prepared as a result of visual interpretation burnt areas on a series of images of the satellite Landsat. Identified possible differences in data sources compared to areal and quantitative parameters. 

Пожары являются важным фактором формирования степных экосистем [1, 2], а нарастание частоты их возникновения свидетельствует о необходимости изучения последствий этого явления. Эта тенденция, наблюдаемая за последнее десятилетие, обусловлена комплексом причин, связанных с сокращением сельскохозяйственного производства и другими внешними факторами.

Традиционно внимание исследователей обращено к оценке воздействия пожаров на биотические компоненты, организации мониторинга и профилактике пожаров, проблемам накопления растительной ветоши в степных резерватах. Однако, работ, посвященных пространственному и временному анализу этого явления, необходимому для более полного понимания происходящих процессов в степных экосистемах, практически нет. Обусловлено это тем, что вплоть до недавнего времени отсутствовала возможность получения фактического материала в виде космических изображений. Особый интерес в аспекте комплексного изучения процессов антропогенной трансформации степных экосистем и их устойчивости вызывают вопросы периодичности возникновения пожаров, ландшафтно-географических и других закономерностей в их распространении.

В свою очередь, отметим отсутствие должного интереса к означенной проблеме со стороны как ученых, так и представителей органов исполнительной власти. Отчасти это объясняется неоднозначностью выводов об экологических последствиях степных пожаров, их краткосрочностью («эфемерностью»), отсутствием (?) значительного экономического ущерба и угроз населению. Все это дополняется недостаточно разработанной (практически отсутствующей) нормативно-правовой и рекомендательной документации по степным пожарам и сельскохозяйственным палам [3, 4].

Приведенные ниже результаты представляют собой первоначальный этап в исследованиях по означенным выше проблемам. Следует отметить, что при анализе ниже рассмотренных систем пожарного мониторинга использовались данные, находящиеся в открытом доступе, поэтому все выводы сделаны по имеющейся, возможно интерпретированной для интернет сервисов, информации.

В качестве основных оперативных данных системами пожарного мониторинга используются «тепловые» каналы снимков камер MODIS, установленных на спутниках Terra и Aqua. Определенная несхожесть в конечных результатах возникает из-за различий в алгоритмах детектирования пожаров (термоточек, соответствующих центрам пикселей размером 1х1 км) и картографической интерпретации полученной информации. Недостаточно объективное картографическое отображение травяных пожаров обусловлено следующими факторами: а) моментальностью съемки, связанной с периодичностью (3-4 раза в сутки) облета спутников; б) кратковременностью и быстротечностью травяных пожаров; в) неблагоприятными метеоусловиями (облачность) для детектирования.

В качестве одного из источников были рассмотрены геоинформационные ресурсы SFMS и FIRMS. ScanEx Fire Monitoring Service (SFMS) – сервис оперативного спутникового мониторинга пожарной обстановки, разработанный ИТЦ СканЭкс и Министерством природных ресурсов и экологии РФ и действующего по территории России с 2011 года [6]. В общедоступный геопортал «Космоснимки – Пожары» интегрированы результаты системы The Fire Information for Resource Management System (FIRMS) – продукт Университета штата Мэриленд и NASA, которым обеспечивается глобальное покрытие [5]. Дополнительная информация представлена границами торфяников, выгоревших территорий, заповедников, лесного покрова, административно-территориального и кадастрового деления и др. Помимо оперативной информации по пожарной обстановке на геопортале имеется возможность отображения ретроспективных (начиная с 2009 г.) данных за выбранный временной период.

Для получения объективного представления о данных систем мониторинга на контрольной территории площадью около 15 тыс. км² (13814) были сопоставлены данные SFMS (по площадям и термоточкам) с фактической (визуальное дешифрирование снимков Landsat-8) информацией по пожарам за 2014 год (таблица 1). Рассматриваемая территория охватывает холмисто-увалистые равнины Предуралья, возвышенные равнины и приречные мелкосопочники Южного Урала в пределах части Сакмаро-Уральского и Урало-Илекского междуречий. Выбор этого фрагмента обосновывался, в первую очередь, значительной долей степных экосистем, сохранившихся от распашки и частично охраняемых в пределах ООПТ.

Таблица 1

Сравнение фактических данных по гарям и результатов автоматизированного распознавания пожаров SFMS за 2014 г.

Результаты сопоставления позволяют сделать ряд заключений:

1. Алгоритмы обработки космических изображений достоверно идентифицирует пожары по значительному превышению температурного фона земной поверхности, обусловленному интенсивным горением травостоя. Быстрое прохождение огневого фронта и остывание гари способствует тому, что часть очагов пожаров и площадей их распространения не фиксируется системами мониторинга.
2. SFMS фиксирует около 87% очагов крупных пожаров. В половине случаев по отдельным пожарам данные SFMS «недооценивают» фактические площади, в среднем в 1,8-2,0 раза. При этом, чем больше площадь гари, тем более вероятно расхождение в показателях. Каждой термоточке соответствует около 1,3  км² фактической гари.
3. Значительную (по количеству) долю образуют пожары менее 1 км² (24 очага) и площадью от 1 до 5 км² (12). В совокупности они дают около 60% от общего числа гарей и около 20% (251 км²) от общей площади. При этом обе группы (средние и локальные) не фиксируются средствами SFMS.

Также не были детектированы несколько (35% от общего числа) отдельных более крупных пожаров площадью от 10 до 62  км².

4. В совокупном площадном выражении SFMS отображает около 35% от зафиксированных им пожаров (367 из 1057 км²) и 28% от площади фактических гарей.
5. При отсутствии космоснимков среднего и высокого разрешения полученные сведения можно использовать в качестве поправочных коэффициентов при подсчете количества и площадей травяных пожаров по длительным рядам ретроспективных данных сервисов пожарного мониторинга.

В качестве дополнения можно привести аналогичную информацию по отдельным пожарам. Ниже, на рисунке 1, приведены результаты детектирования термоточек системами FIRMS и SFMS на примере пожара, наблюдавшегося Уил-Илекском междуречье в августе 2014 г. При фактической площади гари в 9150 км² совокупная площадь по данным FIRMS составила 2378 км² (26%), а SFMS – чуть более, 2481 км² (27%). В совокупном выражении FIRMS и SFMS дают 3634 км², или 40% от площади гари, при этом совпадение данных составляет 1835 км² (50% от совокупной детектируемой площади).

Рисунок 1. Результаты детектирования термоточек различными автоматизированными системами мониторинга на фоне фактической границы гари. Уил-Илекское междуречье, 07-27.08.2014 г.

Более объективной представляется информация по совокупным гарям за многолетний период. Так, в сервис ИТЦ СканЭкс интегрирован слой «Следы пожаров (территории, пройденные огнем)», подготовленный по данным FIRMS, на котором отображена информация о совокупных площадях пожаров за период 2000-2014 гг. На слое отсечена (в большинстве случаев) информация, соответствующая «термоточкам», зафиксированных от постоянных техногенных источников (факела от сжигания попутного газа при разработке месторождений и на предприятиях). Принимая во внимание тот факт, что рассматриваемый слой содержит многолетние данные по детектированию пожаров, его достоверность становится достаточной для проведения анализа пространственных закономерностей развития пожаров.

С целью выявления степени соответствия данных систем мониторинга с фактической информацией о площадном распространении пожаров нами был выполнен ряд последовательных изысканий. В качестве ключевых были рассмотрены территории  двух участков – Донгузской степи и Урало-Губерлинского мелкосопочника. Ниже приведен краткий анализ по последнему участку, располагающемуся на правобережном склоне долины р.Урал и занимающему площадь 1134 км². Особенностью этой территории является практически полное отсутствие пахотных угодий, за исключением узкой террасы р.Урал и плоской возвышенной поверхности Саринского плато на юге и севере участка соответственно (рисунок 2-А). Ранее склоны эрозионно-мелкосопочные склоны долины активно использовались в качестве пастбищ (овцы, козы) и сенокосов. На современном этапе повсеместно наблюдаются восстановительные сукцессии, способствующие накоплению значительной массы растительного войлока.

На основе серии разновременных (за 1983-2014 гг.) и разносезонных космических снимков Landsat была сформирована база данных по пожарам на эти территории, позволяющая оценить пространственные и временные закономерности развития пожаров. Одним из подходов к анализу стало формирование многолетних блоков в виде картосхем, отображающих совокупную информацию о площади и частоте пожаров за периоды 1983-1999 и 2000-2014 годы.

Картосхема за последний временной промежуток (2000-2014) приведена на рисунке 2-Б, дифференциация тона окраски отражает количество (периодичность) пройденных пожаров, от 0 до 9 возгораний за 15 лет. Совмещение шкал тонов в полученном изображении и в слое «Следы пожаров» (рисунок 2-В) и по снимкам Landsat за одинаковый временной отрезок позволило сопоставить содержащуюся в них информацию (рисунок 2-Д). Более светлый тон указывает на максимальные расхождения. 

Рисунок 2. Сопоставление схем фактического состояния и автоматизированного распознавания пожаров FIRMS за 2000-2014 годы. Урало-Губерлинский мелкосопочник

37% территории имеет полное совпадение участков с одинаковым количеством пройденных пожаров за рассматриваемый 15-ти летний период, 9% – различия на 1-2 количество пожаров, территории со значительным расхождением составляют – 20% (3-4), 24% (5-6) и 11% (7-9). Аналогичное сравнение по территории Донгузской степи показывает намного более высокую идентичность данных – полное совпадение остается примерно на таком же уровне (37%), а вот различия менее существенны: на 1-2 – 53%, 3-4 – 10% от общей территории участка. Такие различия между данными по двум ключевым участкам на данный момент необъяснимы.

Исходя из полученных данных, можно сделать выводы о том, что слой «Следы пожаров» в общих чертах отображает закономерности развития пожаров. При этом часто «пропускаются» краткосрочные возгорания из-за длительной периодичности пролета спутников и вероятной облачности в дни пожара. Приведенные выше схемы подтверждают возможность вполне достоверного сопоставления данных, полученных сервисами пожарной обстановки, с частотой возникновения пожаров, что достаточно для последующего анализа по всей исследуемой территории. Контуры совокупных пожаров в целом совпадают, внутри контуров наблюдаются рассеянные (не имеющие определенной закономерности) различия.

Следует заметить, что совокупные многолетние данные сервиса FIRMS дают более детальную и объективную картину относительно палов в пределах пахотных угодий, в связи с тем, что однозначно визуальным способом выделить гари, совпадающие с контурами полей, часто не представляется возможным. Относительно пахотных угодий достоверно можно фиксировать лишь часть «приходящих», либо «исходящих» пожаров. Таким образом, для аграрно-освоенных регионов данные, полученные с «тепловых» каналов космических изображений, являются важнейшим инструментом для анализа сельскохозяйственных палов.

Нами отмечено, что несмотря на достаточно высокую степень достоверности данных FIRMS, в слое «Следы пожаров» практически не отображены контуры гарей в прилегающих к ключевому участку лесопокрытых районах Южного Урала. Для того, чтобы оценить степень объективности информации была проанализирована информация Информационной системы мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз), разработанной совместно Рослесхозом, МПР России и институтами РАН. Помимо данных с камеры Modis (Terra и Aqua) автоматизированная система собирает и обрабатывает спутниковые данные сенсоров AVHRR (спутники NOAA), Spot-VGT (Spot), HRV и HRVIR (Spot 2 и Spot 4), Ресурс ДК (Ресурс ДК) и Landsat ETM+ (Landsat) [7]. В открытом для доступа сервисе ИСДМ имеется возможность оценить контуры действующих пожаров и «накопленных» (за пожароопасный период года) гарей с распределением на «лесные» и «нелесные» по выборным датам, начиная с 2000 года. По данным ИСДМ нами составлена схема совокупных гарей за 2000-2014 годы (рисунок 2-Г), которая отображает закономерности развития степных пожаров лишь в наиболее общем приближении.

Нельзя не упомянуть систему мониторинга и анализа состояния растительности ВЕГА, разработанную ИКИ РАН, в составе которой приведены сведения о лесных и нелесных пожарах по территории РФ. Европейская система мониторинга EFFIS охватывает страны союза и прилегающие (западные) районы РФ. 

В заключение отметим, что важнейшей задачей систем пожарного мониторинга является получение оперативной информации о возникновении и распространении пожаров. По объективным причинам, используя материалы космического зондирования, эти автоматизированные системы не могут в достаточной степени полно отобразить территории, пройденные пожарами. Вместе с тем, значительный пространственных охват систем пожарного мониторинга и возможность получения совокупных многолетних данных позволяют сравнивать отдельные территории различной размерности по степени «горимости» и, таким образом, опосредованно оценивать закономерности пространственного развития пожаров. Особенно значима эта возможность в условиях отсутствия какой-либо официальной статистической информации по пожарным явлениям в степных регионах.

Визуальное дешифрирование космических изображений позволяет получить наиболее детальные для степных экосистем (за исключением участков пахотных угодий) результаты, но остается весьма трудоемким процессом. Перспективным направлением исследований по детальному картографированию гарей является использование вегетационных индексов (NDVI, SWVI), индексов гарей (CBI, NBR), о чем свидетельствуют публикации многочисленные зарубежных и российских специалистов. 

Статья подготовлена в рамках НИР ИС УрО РАН №01201351529 и конкурсного проекта УрО РАН №15-12-5-50. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Тишков А.А. Пожары в степях и саваннах // Вопросы степеведения. Оренбург, 2009. Вып. VII. С. 79-83.
2. Смелянский И. Роль степных экосистем России в депонировании углерода. URL: http://savesteppe.org/ru/archives/9051.
3. Анализ отечественного и зарубежного опыта управления пожарами в степях и связанных с ними экосистемах, в частности, в условиях ООПТ / Буйволов Ю.А, Быкова Е.П., Гавриленко В.С. и др. URL: http://www.biodiversity.ru/programs/ steppe/docs/pozhar/fires-in-steppepdf.
4. Степные пожары: профилактика, тушение, правовые вопросы. Методические рекомендации для сотрудников особо охраняемых природных территорий / авт.-сост.: Г.В. Куксин, М.Л. Крейндлин. М.: Изд-во Центра охраны дикой природы, 2014. 128 с.
5. Мониторинг пожаров на природных территориях с помощью сервиса FIRMS // URL : http://gis-lab.info/qa/firms.html
6. Система оперативного мониторинга, проект «Космоснимки – Пожары» / ИТЦ СКАНЭКС // URL: http://fires.kosmosnimki.ru/
7. Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (состояние и перспективы развития) / Барталев С.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Щетинский В.Е. // URL: http://www.aviales.ru/files/documents/2010/05/57.pdf