автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Алгоритмы оценки пожарной опасности леса по данным дистанционного зондирования



на правах рукописи

ЯКИМОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ

АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЛЕСА ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

05.13.16 - "Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 1996 г.

Работа выполнена н Красноярской Государа не! а юй тсы юлсн-ичсской академии при поддержке Красноярского фонда науки, грант 4Н)230.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.А. Доррер

д.биол.н., профессор В.И.Харук д.т.н., профессор А.П. Шевырногов

Ведущая организация:

Томский Государственный университет

Защита состоится 1996 г. в ' часов ш заседали

специализированного сонета К064.54.01 при Красноярском Государственном техничесюж университете по адресу: 660074. г. Красноярск, ул Киренекого 26

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Красноярского Государствен! юр технического университета.

Автореферат разослал

г

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических тук

Н.Г. Кузьменко

Актуальность темы:

С. начала 70-х годов нашего столетия дистанционное зондирование Земли стало ыстро развиваться как единое многодисциплинарное направление прикладных и еоретических научных исследований. Дистанционные измерения применяются сегодня при ешении многих задач в геологии, географии, лесном и сельском хозяйстве, океанологии, кеанографии, строительстве, ледовой разведке и т.д. В настоящее время неуклонно озрастает их роль в решении экологических проблем, при построении экологических и кологоэко! юмических моделей, синтезе систем сбора и обработай информации об кружшощей среде (систем мониторинга).

Одним из наиболее перспективных направлений практического использования [етодов дистанционного зондирования является проблема определения состояния лесных есурсов (степени антропогенных воздействий (Харук В.И., 1993), уровня фунтовых вод, ысоты древостоя, биомассы (Борисов АН., Кашкин В.Б., Хлебопрос Р.Г., 1984) и т.д.)

целью прогнозирования динамики их развития и планирования использования. В оследние годы работы по использованию дистанционных методов в интересах лесного эзяйства и экологии заметно активизировались в связи с развитием международных мп-актов и созданием в России сети станций приема дшпых с экологических спутников ■юа ЫОАА/ЛУНИИ. В рамках конверсии ведутся разработай специализированных тупиковых систем для пожарного мониторинга лесов (Азметов Р.Р, 1995). Для сработай обоснованных и рациональных требований к техническим характеристикам химических средств наблюдения необходима разработка прикладных моделей, тисывающих процессы пожарного созревания лесов, методов и алгоритме» оценки эжарной опасности (ПО) по данным дистанционных измерений.

Среди задач, которые могут бьггь решены с использованием дистанционных метода, особо выделяется проблема оценки ПО в лесу. Под термином "пожарная опасность" знимается угроза возникновения пожара, выраженная его вероятностью (Н.П. Курбат-кй, 1972). Определение классов ПО является одной из наиболее ответственных операций практике охраны лесов от пожаре®, поскольку от нее зависит объем весьма дорого-оящих работ по авиационному патрулированию. Применяемые в настоящее время методы ¡енки класса ПО, основанные на данных метеостанций и ретроспективной статистике )жаров, достаточно грубы, особенно в условиях Сибири и Дальнего Востока, где сеть гтеостанций редка, вследствие чего класс ПО оценивается для больших территорий, без 1ета разнообразия местных условий. Использование дистанционных методов позволило бы шить проблему более подробной и достоверной оценки ПО на охраняемой территории.

Исследования (Э.Н. Валендик, АИ. Сухинин, 1980) показали, что дистанционная £енка непосредственно влагосодержания лесных горючих материалов (ЛГМ) связана со [ачигельными трудностями, которые вызваны экранирующим влиянием крон деревьев на лучение слоя (Чухланцев АА, Шутко АМ., 1982), большим разнообразием и малой ученностыо электрофизических свойств лесной растительности. В то же время, наблюде-и показывают, что с ростом пожарной зрелости слоев ЛГМ изменяются статистические рактеристики полей излучения лесных массивов. Поэтому возникает проблема косвенной ;енки пожарной зрелости лесного горючего по статистическим характеристикам радио-

тепловых полей. Исследованию ряда задач, связанных с данной проблематикой, посвящена настоящая работа.

Цель работы состоит в разработке, исследовании и практическом использовании мс тодов и алгоритмов тематической обработки результатов дистанционного зондирования ле сов для оценки опасности возникновения пожаров и создании на этой основе специали зированного программного комплекса. При этом рассматривались следующие задачи:

1). Статистическое исследование пространственной структуры полей собсгеенног излучения лесных массивов на различных частотах радиодиапаэона для определени состояния лесных горючих материале».

2). Исследование особенностей палей радиотеплового излучения лесных массивов различные периоды пожарной зрелости ЛГМ с целью разработки способов определени текущей ПО лесов и диагностических параметров лесных пожаров с летательных аппаратоЕ

3). Разработка метода, позволяющего выбирать оптимальные с точки зрени соотношения затрат на получение информации и ее ценности, характеристики разрешен» бортовой аппаратуры и маршруты движения летательных аппаратов при зондировали полей природных объектов.

4). Разработка, исследование и практическое использование математического I программного обеспечения наземной и бортовой автоматизированных систем мониторинг! ПО леса;

Научная новизна.

В результате проведенных исследований решен комплекс вопросов по проблем* мониторинга состояния лесных ресурсов.:

1). Разработан и защищен авторским свидетельством способ определения текущей ПО леса, включающий прием и регистрацию радиотеплового излучения лесной территории распознавание аномально влажных элементов лесного ландшафта, анализ получения результатов измерений;

2). Разработан и защищен авторским свидетельством способ определение диагностических параметров лесных пожаров с летательных аппаратов;

3). Разработана рекуррентная процедура нелинейной фильтрации, позволяющая надежно распознавать участки теплового шля лесного массива, соответствующие заведомс негорючим элементам лесного ландшафта, участкам различных уровней пожарной зрелости и местам возгораний;

4). Получены необходимые условия выбора маршрутов движения летательного аппарата, огпимальных с точки зрения минимума затрат и максимальной точности восстановления параметров теплового поля лесного массива;

Практическая ценность и реализация результатов исследования: Предлагаемые в работе алгоритмы позволяют осуществлять тематическую обработку и интерпретацию результатов дистанционного зондирования лесов.

Настоящая работа выполнялась в рамках проекта "АСНИ-ЛЕС" подсистемы "ПРОГНОЗ" целевой комплексной научно- технической программы ГКНТ, Госплана СССР и АН СССР 0.ц.027 (постановление от 12.12.1980 г. № 474/250/132), вошла в нее в качестве отдельного блока и была принята в опытную эксплуатацию в ИЛиД СО АН СССР, была продолжена в проекте № 3.13 "Разработка математических методов,

лгоригмов и программных средств для региональных систем управления охраной лесов от южаров" Государственной научно-технической программы "Российский лес". Работа была юддержана Красноярским фондом шуки (гршгг 4Р0230).

Практическое применение разработанных алгоритмов при создании серийной шпаратуры позволит повысить эффективность авиационной охраны лесов и создаст >еальные предпосылки для оперативного обнаружения пожароопасных участков с целью гроведения профилактических мероприятий. Некоторые результаты работы могут оказаться юлезными также при создании систем зондирования тепловых шлей различных объектов. 3 частости, для контроля и прогноза динамики состояния ледовых полей, торфяников, еотермальных процессов, сельскохозяйственных угодий и т.п.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

- на Всесоюзной выставке достижений народного хозяйства, 1986 г., Москва;

- на Всесоюзном научно-техническом совещании по оперативному управлению охра-юй лесов, август 1984 г., Красноярск;

- на Всесоюзных научно-технических совещаниях в Петрозаводске (апрель 1985 г., Енгябрь 1986 г.);

- на Всесоюзном научно-техническом совещании по механике реагирующих сред, [эевраль 1988 г., Красноярск;

Т/" и о ит Т и и

- на Краевой научно-техническои конференции Научный поиск молодежи - лесной 1ромышленности края", апрель 1984 г., Красноярск;

- на Всесоюзной школе- семинаре "Анализ и моделирование эколого- экономических истем, 1991 г., Иркутск;

- на Международной научной конференции "Сопряженные задачи физической меха-шки и экология", февраль 1994, г. Томск.

- на ежегодных научно-технических конференциях КГТА, 1980-93 гг.

- на Межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона", ноябрь .995 г., Красноярск;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 статей, получено два авторских видетельсша.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пята глав, включения и трех приложений. Работа изложена на 155 страницах, сопровождается 37 исунками, библисх-рафия содержит 179 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

о

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ работы рассматриваются основные положения методов ^станционного зондирования, исследуется принципиальная возможность его использования (ЛЯ решения проблем мониторинга состояния природных объектов.

Дистанционное зондирование земных покровов основано на регистрации собствен-юго или отраженного и рассеянного исследуемым объектом электромагнитного излучения. \эрокосмические съемки проводят обычно тремя методами: фотографическим, телевизион-ым и сканерным. Методы огггико-механичсского сканирования в настоящее время является главными методами дистанционного зондирования, и их значение постоянно возрастает I связи с необходимостью получения информации в тепловом диапазоне (0.8+14 мкм).

Названные способы аэрокосмических съемок считают пассивными. Кроме пассивны) широкое распространение получили активные методы, работающие в микроволновой области излучения, создаваемого искусственным источником направленного действия. В соответспз№ с этим радиотехнические приборы также делятся на два класса: приборы активного зондирования - радиолокаторы (скаттерометры, альтиметры, радиолокаторы подпоиерхностногс зондирования, радиолокаторы бокового обзора и радиолокаторы с синтезированной аппертурой), и приборы пассивные - различные типы радиометров.

Основное преимущество радиоволи перед волнами оптического и инфракрасного диапазонов заключается в их высокой проникающей способности. Волны радиодиапазона слабо поглощаются и рассеиваются в атмосфере, облаках, в связи с чем радиа|>изичсскис методы являются практически всепогодными, что немаловажно, например, для ледовой разведки (Никитин ПА., Спиридонов Ю.Г., Трапезникова Н.Б., 1987) в условиях

« О Т^ /«ОС*

полярной ночи и плохой видимости. Кроме того, для спутниковых наблюдении земной

и V />

поверхности серьезной помехой является облачность, не позволяющая веста непрерывные наблюдения в видимом и инфракрасном диапазоне электромагнитного излучения. Растительные покровы для радиоволн являются прозрачной или полупрозрачной средой (Чухланцев АА-, Шутко АМ., 1982), что дает возможность исследовать характеристики почвофунгов при наличии растительности. Наконец, радиоволны проникают внутрь почвсхрунгов на глубину от нескольких сантиметров до нескольких метров в зависимости от длины электромагнитной волны. К существенным недостаткам радиометров следует отнести низкую разрешающую способность.

Энергия, излучаемая Солнцем или источником искусственного происхождения, достигая поверхности Земли, проходит через слой воздуха (атмосферы), частично отражается, частично поглощается поверхностью планеты и расположенными на ней объектами. Возможность получения информации о свойствах земных покровов связана с тем обстоятельством, что характер собственного (теплового) излучения, механизмы рассеяния и отражения тесно связаны со свойствами зондируемой поверхности (Башаринов АЕ, Гурвич АС., Егоров С.Т., 1974).

Яркосшая температура Тя радиотеплового излучения объекта определяется коэффициентом излучения а и равна

Т„=<хГ, (1)

где Т - термодинамическая температура. Измерение интенсивности радиотеплового излучения позволяет определить коэффициент излучения тела, что позволяет оценить электрофизические свойства объекта исследования и связанные с ними параметры. На атом основаны измерения влажности груша, концентрации различных веществ в воде, термодинамической температуры и т.д.

В работах Пелевина В.Н., Соломахи В_Л. (1989), Валендика Э.Н., Сухинина АИ. (1980) Арманда НА, Мкртчяна ФА (1989) и др. приведено обоснование возможности применения методов СВЧ- радиометрии для определения состояния лесных ресурсов, в частности, идентификации текущей ПО в лесу. В частности, в открытых местах

Тя = а(х, ю) Тп( 1 - + Тяп^М", (2)

где ОС(А, го) и гу)- коэффициенты излучения и поглощения, соответственно, зависящие от электрофизических свойств объекта; Я - длина волны; го - влагосодержание среды; Н -толщина излучающего слоя; Тш - яркостная температура почвы. Соотношение (2) демонстрирует зависимость интенсивности радиотеплового излучения элемента лесного ландшафта от его алагосодержания, но непосредственное использование данного уравнения для решения обратной задачи- определения алагосодержания элементов лесного ландшафта по яркосшой температуре вряд ли возможно из-за чрезвычайной мозаичности данных об электрофизических свойствах лесных горючих материалов.

Таким образом, приведенный обзор подтверждает принципиальную возможность определения состояния природных объекте® вообще и лесов в частости дистанционными методами. Практическое решение этой проблемы тормозится не техническими средствами, а отсутствием адекватных моделей и эффективных алгоритмов сортировки, классификации и тематической обработки^данных.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрен ряд задач, связанных с описанием пространственной структуры слоев ЛГМ и оценкой параметров этой структуры на основе методе® дистанционного зондирования, имеющих принципиальное значение при решении задачи определения ПО в лесу. Несмотря на кажущуюся простоту соотношения (2) непосредственное использование его для определения алагосодержания ЛГМ тредстааляется весьма проблематичным. Из-за высокой сложности объекта исследований тосгроить удовлетворительную детерминистскую модель, связывающую состояние лесного массива и его собственное радиотепловое излучение до настоящего времени не удалось, юэтому, видимо, неизбежен переход к статистическим методам.

В п. 2.1 предлагается следующая модель описания расположения лесных горючих татериалов. Каждый из параметров, характеризующих свойства слоя горючих материале», а акже комплексы этих параметров рассматриваются как случайные кусочно-стационарные оля на плоскости. Предполагается, что участок случайного поля, соответствующий сдельно взятой фации (простейшей единице ландшафта) является стационарным в мроком смысле. Понято, что эта поля тесно взаимосвязаны, поскольку порождаются тлим и тем же биогеоценозом. При этом, чем глубже расположен слой, тем большей даны волна требуется для его исследования.

В п. 22 рассмотрены общие методические вопросы организации тематической обра-ггки результатов дистанционного зондирования: калибровка аппаратур»!; учет факторов, ияющих на точность измерений; распознавание аномалий и случайных выбросов; етификация изображений природного объекта на карте местности и на снимке.

Параметры, характеризующие состояние леса в силу ряда объективных причин, как авило, не могут быть измерены непосредственно. При исследовании природных объекте® гганционными методами приходится применят косвенные измерения, использование торых сопряжено с проблемой идентификации результатов косвенных измерений (Вапник, 34). Во многих случаях она сводится к калибровке радиометрической аппаратуры в шкале есгоенных единиц измерения исследуемого параметра радиотеплового излучения пример, в единицах Кельвина).

Для решения этой задачи в настоящее время довольно широко используется ритм приближенного решения переопределенных систем линейных уравнений,

предложенный Бородиным Л.Ф., Мамотаным В.И. и др. (1982 г.) и дшощий решение, оптимальное в смысле минимума дисперсии оценки корней. Нами установлена связь данного алгоритма с обобщенным методом наименьших квадратов. С этой целью переопределенная система линейных уравнений, составленная по результатам калибровочных измерений была представлена в матричном виде:

ВХ = Т = У + Н, (3)

где В - ПХГП матрица (п^ш) известных коэффициентов линейных уравнений; У -детерминированная составляющая п-мерного вектора результатов измерений; Е - случайная составляющая п-мерного вектора измерений с нулевым средним и ковариационной марицей 2, имеющей размеры П X Ш; X - вектор неизвестных калибровочных коэффиц иентов.

Необходимо найти такую оценку X* вектора X, чтобы элементы вектора X* обладали минимальной дисперсией и их средшс значения совпадали с точным решением системы (3). В результате решения переопределенной системы уравнений в матричной форме были получены следующие оценки:

X* = (Вт£~1В)~1ВгЕ~1Т. (4)

Равенство, аналогичное выражению (4) следует из фундаментальной теоремы Гаусса-Маркова (Бард И., 1979) и известно в литературе как "обобщенный метод наименьших квадратов".

Среди факторов, оказывающих влияние на точность дистанционных измерений случайного поля наибольшее значение имеет эффект пространственного усреднения, напрямую связанный с разрешающей способностью радиометрической аппаратуры. В работе исследована связь между параметрами исходного и усредненного случайного поля. Показано, что при наличии периодичности в структуре слоя горючих материалов, может возникнуть апуация, когда при увеличении интервала осреднения § выше некоторого дисперсия будет увеличиваться, то есть возможно существование таких § и , чтс

при Обосновывается возможность использования усредненных

значений для оценки характеристик случайного ноли.

Другим источником ошибок при дистанционных измерениях являются геометрические искажения, возникающие из специфики условий съемки во время полета. Перепады высот, осевое смещение, изменения в направлении и скорости движения носителя приводят к тому, что дистанционные изображения объектов существенно отличаются от изображения их на карте местосги. Они имеют несовпадающие в продольном и попереченом направлениях масштабы, а также случайную ориентацию относительно картографических осей, определяемую курсом летательного аппарата.

В силу названных причин одним из первых этапов обработки данных должна быть привязка изображений либо непосредственно к карте местности, либо к аэрофотос! имку, играющему роль карты. В предположении, что аэрофотоснимок связан с картой местности через аффинное преобразование нами разработан способ определения и прогноза диагностических параметров пожаров, (направление и скорость движения фронта, параметры индикатриссы нормальной скорости и та) (авторское свидетельство № 1504850).

Информация о структуре лесных горючих материалов, полученная с помощью бор-то1юй измерительной аппаратуры может быть сущсспзешо засорена. Неизбежные и уело-

иях самолет! юго эксперимента сбои измерительного тракта, различного рода шумы и инер-^юнность аппаратуры, неоднородности исследуемого объекта приводят к необходимости онграля поступающей информации, ее предварительной обработки и, по возможности, оррекции в реальном масштабе времени непосредственно на борту летательного аппарата. 5 работах Бородина Л.Ф., Гординой АИ. (1993 г.) описан метод рандомизированной инейно- ломаной аппроксимации (алгоритм Бородина- Гординой), основывающийся на редпаложении о том, что случайная компонента возникает только на этапе измерений. /1етод неплохо зарекомендовал себя при исследованиях природных объектов однородных о своей структуре (сельскохозяйственные насаждения, водные поверхности и пр.).

На основе алгоритма Бородина- Гординой и известного привила "трех сигм" была иработаш рекуррентная процедура нелинейной фильтрации, заключающаяся в оценке араметров распределения измеряемой величины и проверке результатов измерения на Хнородностъ. Процедура реализована программно и апробирована в условиях самолетного «слеримента

В п. 2.3. излагается методика, дающая возможность на основе реализации шля (х,у) оценивать характеристики горизонтальной структуры слоя горючих материалов, »изводить масштабную коррекцию сканерных снимкоа Эта методика по мере изложения ииострируется расчетным примером. Для обработки был взят фрагмент снимка лесного астка (Кас-Енисейская равнина травянистого типа, горючий материал - отмеривая трава, >емя проведения съемок - июнь 1980 г.), полученный при съемке с помощью крракрааюго сканера (см. рис. 1).

1). Проводится сканирование и аналога- цифровое преобразование изображения с ггервалами дискретности Ах и Лу' по каждой из координат снимка, что соответствует ггервалам дискретности

У,

а) б)

Рис. 1. Аэроснимок лесной территории, выполненный в ПК диапазоне

электромагнитных воли: исходный снимок, полученный непосредственно со сканера; снимок после коррекции по коэффициенту аинзотуюпии в масштабе ".тности

Ах = Мх Ах', (5;

Ау=МуАу', (6;

на местности. Здесь Мх и М„ - масштабы снимка. Полученное цифровое изображение I виде двумерного массива Тц = Т(х[, у^) используется для дальнейших расчетов.

2). Проверяется гипотеза об однородности поля Т(х,у) в пределах выборки Ту Для этой цели при проведении расчетов использовался Р-кригерий сравнения дисперсий сечений шля в различных направлениях.

3). Если гипотеза об однородности не отвергается, то строится поле оцени нормированной автокорреляционной функции = Г* {ЬАх',шАу1) (см. рис. 2). Е том случае, когда гипотеза об однородности шля отвергается, выборку следует разбить к рад областей, каждая из которых могла бы считаться однородной, и в дальнейшел рассматривать каждую область отделы ю. Для этого используется алгоритмом нелиней«* фильтрации, предложенный выше.

4). Оценивается изотропность поля Т(х',у). Для этого вычисляется так называемы? коэффиц иент анизотропии:

где (I - уровень значимости корреляционной функции; рц(ф) - интервал корреляции в направлении ф, то есть расстояние, на котором нормированная автокорреляционная функция рассматриваемая в полярных координатах уменьшается от 1 до (X. Здесь ф0 - направление оси От. Если 7сц(ф) статистически не отличается от 1 на всей области определения, то гипо-

ь У

0.9-1.0 0.8-0.9 0.5-0.8

И 0.2-0.5 Ш 0.1-0.2 И 0.095-0.1

х 0

Ш 0.09-0.095

Ш 0.085-0.09

Ш 0.07-0.085

б)

Ц

□

0.05-0.085 <0.05

Рис. 2. Автокорреляционная функция случайного поля

а) для исходного снимка, полученного непосредственно со сканфа;

б) для снимка после коррекции по коэффициенту анизотропии

Рис.3. График аппроксимации автокорреляционной функции изотропного

объекта

пеза об изотропности поля Т(х',у') для заданного уровня значимости ¡Л не отвергается. При иличии априорной информации о том, что в геометрию дистанционного снимка не были ¡несены искажения масштабов по осям координат (типа "растяжение", "сжатие", "смеще-шс") можно сделать вывод об изотропности поля Т(х,у) и самого исследуемого объекта

Если имеет форму вытянутого аллипса не следует исключать наличия

ккажения масштабов по осям координат. Если пи к/гсза об изотропности ноля объекта Г(х,у) принимается (априорно или на основании других исследований), то значения оа<]х|)ицие1П'а анизотропии может быть использовано для коррекции маспп'абои снимка ((хриплым преобразованием (см. рис. 16).

5). Автокорреляция шая фу|кция аппроксимируется типовым выража ием (см- рис.

)•

6). Вычисляется оценка функции пространственной нормированной спектральной лотности поля Т(х',у') (см. рис. 4).

Описанная методика реализована программно и проверена на реальных эксперимента

льных данных. Следует отмстить, что предлагаемый подход может применяться при исследовании случай 1ых 1 юлей самой различной природы. В частности, в главе 3 рассмотрю с|х> приложение для (ЭеШСПИЯ задачи ел ц>елслс| в-ш 1 ю-жарной зрелости леса по радиотеплоному нзлуче-

I , I-г——1-1 I-1 I-1-1-ПИЮ.

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 ф 4. График автоспектральной функции изотропного объекта

ТРЬТЬЯ ГЛАВА посвящена разработке метода оценки ПО участков леса 1 характеру их собственного радиотеплового излучения,

В п. 3,1 приводится обзор основных отечественных и зарубежных метод! определения ПО в лесу: комплексный показатель Нестерова, местные шкалы П( методика, разработанная в ЛенНИИЛХе, Национальная система оценки ПО в лес (МНЖЗ), канадская система управления борьбой с лесными пожарами РМЭ. Важнеши-компонентом пожарной опасности является способность лесного горючего поддерживав горение. Такое состояние называют пожарной зрелостью участков. Очевидно, пожарн зрелость в значительной степени зависит от влагосодержания лесного горючего. Недостапх существующих методик в том, что они либо не учшьшает реального влагосодержа» лесных горючих материалов, либо расчет его среднего значения даже на сравнителы небольшой лесной территории связан с необходимостью проведения большого количесп дорогостоящих наземных измерений трудно поддающихся автоматизации в услоши удаленности объекта исследований и бездорожья.

Весьма перспективным с этой точки зрения для мониторинга пожарной зрелост лесов представляется пассивное зондирование параметров собственного (тепловой излучения участка леса в диапазоне сверхвысоких радиочастот. Экспериментальнь исследования подтвердили факт наличия связи между влагосодержанием лесных 1х>рюч} материалов и интенсивностью радиотеплового излучения (Валендик Э.Н., Кисиляхоа Е.К Сухинин АИ., 1980). Однако, удовлетворительно восстановить характер этой зависимост не удается. Тем не менее, даже визуальный анализ записей радиояркоспюй температур (см. рис. 5) показывает, что юггенсивность радиотецлового излучения леса в значигельнс мере определяется пожарной зрелостью горючих материалов.

В п. 3.2 анализируются результаты измерений интенсивности собственного радис теплового излучения леса, предоставленные Институтом леса и древесины (ИЛиД) С( РАН. Измерения проводились в натурных условиях в районе рек Енисей и Вакрушиха и прямолинейном фиксированном маршруте с помощью пассивного СВЧ-радиометр (изделие Института радиотехники и электроники РАН) в различные^ периоды пожарно зрелости лесных горючих материалов на различных длинах волн. Класс ПО определяла! п шкале Нестерова. Радиометр был установлен в надир на боргу самолета ИЛ-18. Скоросг полета при проведении экспсрима пш выдерживалась в пределах 240+260 км/ч, иысоп 200 м. Протяженность трассы, но которой велись исследования составила 18 км. Дл выявления характера зависимости между влагосодержанием лесных горючих материалов интенсивностью собственного радиотеплового излучения леса в ряде эксперименте параллельно с синхронными радиометрическими измерениями в диапазонах волн 0,80; 1,35 2,25; 10,00; 20,00 см велись наблюдения за влагосодержанием горючих материалоЕ которое косвенно оценивалось по уровню грунтовых вод.

Качественный анализ эксперимиггалыюго материала показал, что интснсишост излучения неодинаково изменяется на различных длинах волн. Тем не менее, во представленные реализации имеют некоторые общие черты. На всех реализациях ест совпадающие по расположению на местности участки, на которых радиояркосша температура резко уменьшает свое значение. Это присуще тем участкам лесной территории где по трассе движения самолета встречается река, озеро, болото или любой друш

Рис. 5. Радиояркостный портрет местности по трассе полета в различные периоды пожарной опасности па волне 2,25 см.

триродный или искусственный объект с аномально высоким илагосодержанием. При атом юименьшес значение среднего и самый низкий разброс относительно среднего имеет запись и волне длиной 2,25 см.

График на рис. 5 демонстрирует характер зависимости радиотсплового излучении .еса на волне длиной 2,25 см от увлажненности лесных горючих материалов. Нижняя егастрограмма представляет собой радиояркостный портрет лесного массива в период изкой ПО. Запись была сделана после снеготаяния, когда напочвенный покров был ильш увлажнен. На верхней регистрограмме портрет той же местности, но в засушливый сриод высокой ПО, когда уровень грунтовых иод существенно понизился. Как видно из исунка, последняя кривая значительно сглажена, средняя радиояркостная температура амнош выше, чем на первом графике. При наземных наблюдение было установлено, что а участках с повышенной интенсивностью излучения горючие материалы пересохли и тособны поддерживать горение. Переувлажненные участки остались только в поймах учьев, рек, микропонижаиях рельефа местности.

Аналогичная зависимость наблюдается на всех других волнах диапазона 0,8+20 см.

Исследования и качественный анализ записей родиагенлового излучения леса сказали, что имеется реальная возможность оценить ПО заболоченных и болотных лесов учетом реального влагосодержания растительного покрова и верхнего слоя почвы, эименяя зондирование собственного радиогсплового поля леса в диапазоне 0,8+20 см, [рименение более коротких волн нецелесообразно, так как радиометр будет реагировать •лько на влагосодержаше крои деревьев, которое в пожароопасный период почти не щяется. Использование же длинных волн ведет к потере точности, вызванной влиянием

глубинных слоев почвы. Сделанные в результате качестве! того анализа выводы хорои согласуются с моделью структуры лесных горючих материалов, предложенной в п. 2.

На основании выводов, полученных в предыдущем параграфе, предлагаете следующий подход к проблеме разработай системы мониторинга ПО.

1). На первом этапе осуществляется выбор одной или нескольких базовых чаете работы бортового СВЧ-радиометра- Диапазон 0,8-ь20 см полностью находится в ою прозрачности атмосферы. Поэтому выбор конкретного значения частоты работы СВЧ радиометра с точки зрешш методики проведения измерений не принципиален и полпосты определяется особенностями исследуемого объекта и экономическими соображениями. 1 настоящей работе все численные расчеты проведены для измерений на волне 2,25 см.

2). Накопление информации для обучающей выборки. В качестве элемента обучающей выборки предлагается использовать записи радиотеплового излучения леса н базовых частотах в различные периоды пожарной зрелости горючих материалов. Так ка уровень ПО оказывает существенное влияние на характер собственного излучения леса, т в качестве диагностических признаков, идешифицирующих класс ПО, рекомендуете использовать различные статистические характеристики случайного процесса изменени интенсивности радиотеплового излучения по трассе полета летательного аппарат, математическое ожидание, дисперсия и так далее.

3). Размерность пространства признаков пожарной зрелости, полученных н предыдущем этапе может оказаться большой, что неизбежно ведет к усложнениь распознающей системы, увеличению ее стоимости. Поэтому необходимо по эозможиосп сокращать размерность исходного пространства признаков до минимального, в которо включаются только наиболее ш крорматиш пме, позволяющие осуществлять процео классификации с минимальными издержками.

4). В пространстве информативных признаков находятся уравнения границ межд; классами ПО. В дальнейшем эти уравнения используются в системе мониторинга дл идешификации класса ПО.

Использование данной методики для рассматриваемого примера реального лееноп массива, позволило выделить минимальное пространство информативных диагностически: признаков, в которое вошли математическое ожидание М* и стандартное отклонение о записи радиояркоспюй температуры участка лесной территории. В найденном пространств« признаков в классе линейных функций было найдено уравнение границы между классам» низкой и средней ПО

М* - 7,2514а * - 249,876 = 0 (8:

и сформулировано соответствующее решающее правило:

- если

М* >7,2514ст*+249,876, (9;

то исследуемый участок леса обладает средней или более высокой ПО;

- если

АГ< 7,2514а*+249.876, (10)

то участок леса обладает низкой ПО.

При проведении расчетов постоянных коэффициетгтов в соотношениях (8 - 10) использовались результаты реальных измерений. Были приняты следующие предположения:

1) потери, возникающие при неправильном распознавании классов равны между обой и не равны 11улю;

2) потери при правильном распознавании класса ПО равны нулю;

3) апостериальные вероятности появления классов средней (и более высокой) и изкой ПО равны 0,5.

Результаты распознавания обучающей выборки представлены на рисунке 6.

Для практического использования признаков и уравнения границы между классами вычисление статистических характеристик поля радиотеплового излучения леса при мониторинге ПО должно происходить в реальном масштабе времени. Основная трудность заключается в необходимости рекуррентного распознавания фаниц между участками леса, обладающими различной пожарной зрелостью, а так же негорючих элементов лесного ландшафта. Для этого исполь-чс. 6. Нахождение границы между классами ПО зовался алгоритм нелинейной 1) низкая ПО; 2) повышенная ПО фильтрац ии, описанный в а

32.

и

В ЧЬ1ЫЕРТОИ ГЛАВЕ рассматриваются проблемы, связанные с особенностями сведения трассовых дистанционнывх измерений: выбор маршрутов движения летательных парагов, количества и способов установки датчике®. При распределенном контроле (ГА эррер, СА Арупонян, 1975) состояния природных объекте® с помощью трассовых мерений на параллельных маршрутах тепловое поле без введения существенных эаничений может быть представлено как реализация одномерного случайного поля г(х,€), ачения которого измеряются в точках X,-, г= 0, 1, ..., п (см. рис. 7). Здесь <Х<Ьх, 0 <у = Vt<Ly = ЬТ, 0<í<T, V- скорость и Т - время движения зетеля по трассе. Зшчення х. определяют относительное расположение 71+1 параллель-ос трасс движения датчиков на интервале [0, Ьх]. Под термином "трасса движения дат-<а" здесь и в дальнейшем тексте понимается непрерывная линия, состоящая из тех точек зерхности исследуемого объекта, в которых проводились измерения. Так как на борту аггеля может располагаться несколько однотипных различно ориентирюванных датчиков, и каждому его маршруту может соответствовать несколько трасс движения датчике®.

Таким образом, поле ¿(х,£) идагтифицируется выборочной совокупностью случай-х функций /¿(£), характеризующих изменение теплового поля вдоль 7-й трассы движения ■чика.

7 8 9 10 ст,°К

Рис. 7. Трассовые измерения теплового поля ва параллельных маршрутах

При проведении реального измерительного эксперимента неизбежно имеет месте неполнота информации о параметрах, характеризующих исследуемый объект. Эгс происходит в первую очередь вследствие того, что измерения носят выборочный характер.

Для восстановления значений теплового поля в тех точках, где измерения не проводились, предлагается использовать интерполяцию полиномиальным сплайном степей п дефекта п+1 на разбиении

А : 0 = ао <а] < ... <аь =ЬХ. (И)

На интервале между соседними узлами [а^ ,а;+1] отрезок сплайна

представляет собой интерполяционный полином Лагранжа степени П, построенный по 71+ узлу интерполяции

о-] ^ эсцп+1) < < ... < аг;(„+1)+„ < а3+1. (12)

Здесь п+1 может быть количеством синхронно работающих однотипных датчиков установленных на борту носителя.

От выбора узловых точек зависят точность восстановления значений поля г(х,£) затраты на получение и обработку информации: чем ближе расположены друг к другу узлы сплайна, тем меньше дисперсия ошибки интерполяции, а, следовательно, и потери от неправильного восстановления поля, но тем больше будут затраты на получение информации и ее обработку. Расположение трасс движения датчиков внутри интервала [а.. о;+1] также оказывает влияние на точность интерполяц ионного сплайна.

Таким образом, задача выбора экономически обоснованных маршрутов движения носителя в представленной постановке имеет два аспекта:

1), Определение оптимального с точки зрения минимума потерь разбиения Д;

2). Определение оггтмального расположения точек Xi между соседними узлами из (ЭА Ицкович, 1963 г.).

Известно, что наилучшее приближение для сплайнов рассматриваемого пои даст июмерная сетка Д (Н.П. Корнейчук, 1984):

Iai -a01 = Iо2 - ai | = ... = |afc -aJc-i | =5, (13)

Здесь 5 равно расстоянию между соседними маршрутами летательных аппаратов.

Это позволяет рассматривать не всю совокупность юггервалов [а,., а,+1], г= О, 1,..., ■1, а только один из них, распространив все полученные при этом выводы на остальные, качестве такого интервала удобно рассматривать отрезок [а,, ,а,] , положив в (12) j=(У.

а0 = 0 <х0 <Xi < ... <хп <а] =8. (14)

При этом, чем больше Ô, тем больше величина ошибки интерполяции, с сны пением же 5 растут затраты, связанные с получением измерительной информац>т и обработкой. Кроме того, величина средней квадратической ошибки шгтерполяции зависит взаимного расположения узлов Xt внутри интервала S, которые определяются ■ici ггацией датчиков на борту летательного аппарата. В предположении -о стациа юрности в [роком смысле поля z(x,t) и с учетом результатов, полученных Э.Л. Ицковичем (1963 , нами выведены следующие соотношения, позволшощие оцентъ ошибку штгрполяции:

- для равномерного расположи ия точек а",

Op <

(l , n + lf Idfl 5n+1 x 1 x 3 x ... x (2n +1) I 6 ~0i + Q.bJ 2n+1 (n + l)n+1 (n +1)!

Vf-iKi

'rr—T +an2-«Il . ,

1/2

(15)

- для расположения в узлах полинома Чебышева соответствующей степени: V \

1+fL

|di

S ¿=о 1 -

(2i+l)n

5

n+1

2n+1(n +1)!

2(n+l) ■ n

1=0 j/!

О-

(23'+1)ДА 2

cosWhTJ

1/2

(16)

>/471 + 5 " ( (2?+1)д _ Я111> ) 1

V иь 2(п+1) 2(п+1) )

где а, - среднеквадратическая ошибка измерений, в.. - отклонение действительного ;11оложения точки Х{ от расчетного, К*г- оценка корреляционнолй функции поля, ||К*||

и

юрма этой ф>т и<ции, 1ус- частота ее среза.

В качестве базового расположения точек Х- ш :утри иш-ервала 8 следует брать то, торое дает наименьшую среднеквадратическую ошибку интерполяции при прочих равных ловиях.

При выборе величины 8 должны учитываться как потери, возникающие вследствие шбки интерполяции, так и расходы на получение и1к|юрмацци и ее обработку. В

О.. <

представленной постановке задача выбора оптимальных маршрутов при зондиров,

О __g О - о и

случайного поля имеет много общего с аналогичной проблемой, рассматриваемой Teq поиска (Б.О. Купмен, 1956; С.М. Псллок, 1971). Для определения оптимального знач( 5 на основе теории статистических решений строится функция среднего риска. Виг определяется целями, преследуемыми при исследовании объекта В случае, когда реша задача отнесения точек объекта к одному из двух непересекающихся классов iîj и ! образующих полную группу событий по известному решающему правилу

a:(i) е fii при z(x,t) е Zi x(t) еП2 при z(x, t) е Z i где Zi ^ 7j2 = Z - множество значений поля z(x,t), Z\ ГЛ Z2 — 0, функция средне риска имеет вид

_ 5

R(8) = |J[P(z е Zi)c,,i +P(z е Z2)c2,2+

■Kci.2 -ci,i)P(z* eZ2,ze Zbx)+ Hc2,i-c2,2)P(z* e Zi,2 e Z2,x)]da: + c(Ô), (1

где с, j и Су - потери, связанные с правильным отнесением точек шля к классам ÎÎ, и соответственно, с1Д и сы - с ошибками первого и второго рода, С (8) - функц характеризующая затраты на проведение измерений и обработку их результатов, z*(x) значение интерполяционного выражения в точке X.

Отсюда вытекает необходимое условие оптимальности 5 с точки зрения минимум средних потерь

' -Ц = ((с1>2 - CU)р(г* € Z2,2 e Zi,ô) + +(с2,1 -c2|2)p(z* e Zi,z e Z2,б))/5-

-||[(ci,2-ci,i)p(2* eZ2,zeZi,x) +

+ (c2,i -c2t2)p(z* eZltze Z2)x)]dcc}/ô2 + = 0. (19)

Если имеющаяся априорная информация о поле z(x,t) позволяет оценить досгаточн точно все включенные в выражение (18) вероятности, то данное соотношение можно непосредственно использовать для оценки 50ПТ. Так, для степенной функции стоимости эксперимента

с (S) = сб"1 (20)

при 71=0 получаем:

Р(г* е г2,г е Zl,80пт)

Зонт

| Р(г* ег2>ге о

^опт ~

(21)

1е с1с определяет соотношение затрат на проведение измерительного эксперимента и лигрыша в случае правильного распознавания:

д,с = т-7-г. (22)

В предположении, что 501ГГ превышает юггераал корреляции 5№р мож!ю получить рхнюю оценку:

? < 5кор , / ^кор , _¿с_

допт - 4 + V 16 + Р(2* е г2)Р(2 е го •

Для оценки 50ПТ при больших п предлагается использовать следующий иближеннный алгоритм.

1). Путем решения соотношения (23) оценивается б^,,,, и для него находят дости-мую при этом величину ст0 - дисперсию ошибки восстановления значений поля

2). В предположении С70пт » Сто , с учетом условий проведения эксперимента клонения действительных трасс от расчетных, ошибки измерений) численно решаются юсителыю 8 уравнения (15) и (16) для требуемого значения п. В качестве оптимального положения трасс на интервале 50ПТ следует брать то, для которого сф) минимально.

Модельные расчеты, проведенные в соответствии с предлагаемой методикой азали, что значения штрафных функций, расчиганные с учетом корреляционных связей и них различаются не существенно за исключением аномальных случаев, когда оятность ошибки чрезвычайно мала (Р(2* 6 2г)Р(2! 6 Zl) —> 0 ) или когда ери от принятия какой- то одной гипотезы существенно меньше потер» от принятия той независимо от того ошибки какого рода при этом возникают (| с!с | —> со).

Полученные результаты позволяют оценить качественно экономическую целесооб-юсть использования дистанционных методов для мониторинга ПО в лесу. Исследова-(А.М. Шутко, 1983) показали, что для полей собственного излучения природных ектов есть величина порядка нескольких сотен метров. Естественно, авиалесоохрана в зримом будущем ¡к в состоянии обеспечить такую густую маршрутную сетку. Исполь-ние авиационных дистанционных измерений для непосредственного поиска очаге® воз-¡ных возгораний следует признать нецелесообразным. Гораздо более эффективно их ис-вование для исследования особенностей электрюмапютных полей с целью выявления не-рых статистических закономерностей, позволяющих решить проблему поиска нотенци-о опасных в пожарном отношении участков лесной территории, особенно в сочетании с иционными подходами (см. п. 3), а так же для исследования динамики уже обнару-ых лесных пожаров (см. а 2). В первом случае использование дистанционных измере-эффектиию, так как не требует исследования всех значений поля, а только некоторой сборочной совокупности; во втором не решается дорогостоящая задача поиска.

___ о

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведено описание разработанного программного обеспечени системы оценки ПО в лесу. В состав комплекса программ вошли следующие модули:

FATION - программа, предназначенная для определения класса ПО, рабогающа в режиме реального времени и предназначенная для эксплуатации на борту летательног аппарата.

KLASS - программа, предназначенная для расчетов коэффициентов границ межд классами ПО в выбранном информативном пространстве признаков.

HAST - программа, предназначенная для расчета статистических характерное реализации трассовых дистанционных измерении.

SCANER - просрамма, предназначенная для расчета статистических характериот реализаций сканерных дистанционных измерений, коррекции результатов измерений г коэффиц иенту анизотропии.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ приведены результаты расчетов по реальным и модальны д анным, акт »ведомственной комиссии по приемо-сдаточным испытаниям АСНИ-ЛЕС.

ВЫВОДЫ

1). Предложен метод нелинейной фильтрации, позволяющий проводил} предвар тельный анализ результатов измерений, выявлял» аномальные измерения на началь» стадии эксперимента.

2). Предложена методика оценки пространственной струетуры слоев лесных гор* чих материалов по их крупномасштабным аэрокосмическим снимкам.

3). Разработан и защищен авторским свидетельством способ определения диагност ческих параметров лесных пожаров с летательных аппаратов.

4). Разработан рекурреншый способ классификации лесных территорий по их п жарной зрелости с использованием методов пассивной СВЧ-радиометрии.

5). Получены соотношения, позволяющие оценить среднеквадратическую ошиб восстановления значений случайного поля одномерного объекта и учитывающие гехрешнс та практической реализации системы распределенного контроля.

6). Выведены необходимые условия оптимального выбора маршрутов движения j тательных аппаратов с точки зрения минимума затрат и максимальной точности воссп нетления значений одномерного случайного поля.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Якимов С.П. Об одном методе решения задачи поиска опорных точек при прогнозировании лесных пожаров. //Научный поиск молодежи-лесной промышленности края: Тез. докл. Краевой научно-техн. конференции (13 мая 1982 г.).- Красноярск: 1982, С. 321-322

2. Якимов С.П., Брикоренко О.И., Доррер ГА., Арупонян СА Оценка пожарной зрелости леса на основе методов распознавания образов. //Научный поиск молоде-жи-лесной промышленности края: Тез. докл. Краевой научно-техн. конференции (24 апреля 1984 г.).- Красноярск: 1984, С. 181.

3. Доррер ГА., Рождественский В.В., Якимов С.П. Система оперативного моделирования процессов распространения лесных пожаров на базе микро- ЭВМ. //Оперативное управление охраной лессе: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. совещания. -Красноярск: 1984, С. 17-19.

к Арупонян СА, Доррер ГА, Якимов С.П. Оценка пожарной зрелости лесного ландшафта на основе методов распознавания образов. //Оперативное управление охраной лесов: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. совещания.- Красноярск: 1984, С. 48-49.

Доррер ГА, Валендик Э.Н., Якимов С.П. и др. Система оперативного прогнозирования распространения лесных пожаров на базе микро-ЭВМ: Проспект ВДНХ СССР.-Красноярск: СибТИ, 1986, 2с.

. Арупонян СА, Бородин АФ., Валендик Э.Н., Якимов С.П. и др. Способ определения пожарной опасности леса. Авторское свидетельство 1247020. Бюллетень изобретений, № 28, 1984, 4 с.

. Доррер ГА, Мамедов Ш.Г., Якимов С.П. Способ определения диагностических параметре® лесных пожаров с летательных аппаратов. Авторское свидетельство 1504850 (СССР) Бюллетень изобретений, № 24, 1986, 4 с.

Доррер ГА, Сухинин АИ., Бакач М.Н., Елагин АН., Калинина НА, Латынцев АП., Рождественский В.В., Хребтов ВА, Якимов С.П. Программное обеспечение системы оперативного прогнозирования лесных пожаров. //Повышение эффективности производства в лесной промышленности и лесном хозяйстве на основе АСУ. Тез. докл. Всесоюзного научно-техн. совещания (30 сентября -1 октября), Москва: 1986, С. 56-58.

Якимов С.П. Решение переопределенных систем линейных уравнений при обработке результатов косвенных измерений.- Красноярск, 1987. 6 с. (Рукопись деп. в 03.03.87, № 1539-В87)

. Якимов С.П. Расчет маршрутов летательных аппаратов при дистанционной оценке пожарного созревания лесов.//В сб.: Лесные пожары и борьба с ними. Сборник научных трудов,- М.: ВНИИЛМ, 1988, С.33-43

11. Якимов С.П. Применение алгоритма рандомизированной линейно- ломанот аппроксимации при решении зад ач оперативного контроля пожарной зрелости лесньо территорий. //Совещание по механике реагирующих сред: Тез. докл. краевогх совещания (23 февраля- 3 марта 1988 г.), Красноярск: 1988, С. 144-147

12. Якимов С.П. Выбор оптимальных маршрутов движения летательных аппаратов щ» мониторинге природных полей. //Совещание по механике реагирующих сред: Тез докл. краевого совещания (23 февраля- 3 марта 1988 г.), Красноярск: 1988, С 147-149

13. Доррер Г.А, Ушанов C.B., Якимов С.П. Экспертная система для оценки пожарнш опасности в лесу: методология и принципы разработки. //Лесные пожары и борьба < ними. Сб. научных трудов. Красноярск: ВНИИПОМлесхоз, 1991, С. 159-172.

14. Доррер ГА, Ушанов C.B., Якимов С.П. Принципы построения экспертной системь ЭСПОЛ //Сб. трудов Всесоюзной научно-техн. конференции "Использование i восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона", Красноярск, Лесосибирск 1991, С. 50-52.

15. Якимов С.П., Кислицын С.С. Модель пространственной структуры лесных горючи: материалоа //Анализ и моделирование эколого-экономических систем: Тез. докл Всесоюзной школы- семинара, 12- 18 июня, б. Песчаная), Иркутск: СО Ah СССР ИВЦ, 1991, С. 31.

16. Якимов С.П. Математическая модель структуры лесного ландшафта. //Тез. докл Международной научной конференции "Сопряженные задачи физической механики i экологии", Томск: 1994, с. 177-178.

17. Yakimov S.P. Mathematical model of the forest arrea structure. / /Thesises of Internationa Conference- Seminar "Conjugate problems of phisical mechanics and ecology", Tomsk

1994, p. 90.

18. Якимов С.П. Задачи синтеза системы распределенного контроля собственны: радиотепловых полей природных объектов. / /Тез. докл. Межрегионально! конференции "Проблемы информатизации региона", Красноярск: 1995.

19. Якимов С.П. Определение отимальных маршрутов движения летательных аппарата при дистанционном контроле радиотепловых полей природных объекте«. //Тез. докл Межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона", Красноярск

1995.