автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов и технологий анализа данных в информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров

На правах рукописи

жГ

Котельников Роман Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИЙ АНАЛИЗА ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Пушкино, 2011

005004127

Диссертационная работа выполнена в ФГУ "Центральная база авиационной охраны лесов "Авиалесоохрана".

Научный руководитель - к.ф. - м.н., Саворский Виктор Петрович.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Никольский Сергей Николаевич

- кандидат технических наук Андреев Михаил Владимирович

Ведущая организация:

Учреждение российской академии наук Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН

Защита состоится "27" декабря 2011 г. В 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.01 в Московском Государственном Институте Электроники и Математики по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З

С диссертацией и авторефератом можно ознакомится в библиотеке Московского Института Электроники и Математики

Автореферат диссертации разослан" /2" ноРЕРЛ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Тема, выбранная для исследования, является актуальной для дальнейшего развития Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров (ИСДМ-Рослесхоз), созданной для -поддержки работ по борьбе с лесными пожарами и их последствиями.

Существенное расширение возможностей дистанционного мониторинга, которое произошло в последнее десятилетие, привело к разработке новых подходов и методов сбора, хранения, представления и анализа данных для реализации возможностей эффективного использования спутниковых технологий в задачах управления лесных хозяйством.

Цель работы и задачи исследования

Основной целью работы является разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора, организации хранения, а также алгоритмов обработки и оперативного представления данных пользователям Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Анализ существующих подходов к построению систем дистанционного мониторинга лесных пожаров.

2. Оценка объемов информации, используемой в Информационной системе дистанционного мониторинга.

3. Разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора и организации хранения Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).

4. Разработка архитектуры подсистемы оперативного представления данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз) для принятия управленческих решений, связанных с организацией мониторинга и тушения лесных пожаров, а также с работами по борьбе с последствиями лесных пожаров.

5. Разработка алгоритмов анализа данных для информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров, в том числе:

-. многокритериального подхода для обеспечения принятия управленческих решений;

- алгоритма интерполяции многомерных табличных функций для использования в подсистеме поддержки принятия решений ИСДМ-Рослесхоз;

- экспресс-прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей.

6. Разработка методик анализа информации дистанционного мониторинга для принятия управленческих решений при организации тушения пожаров и оценки их последствий, в том числе:

- комплексного анализа информации, полученной различными средствами дистанционного мониторинга для подтверждения факта действия природных пожаров и оценки их характеристик;

- методики автоматизированной проверки информации, предоставляемой региональными службами наблюдений по идентификации пожаров, зарегистрированных на основе данных дистанционного наблюдения для оценки качества и эффективности работы региональных служб;

- методики комплексного анализа информации о крупных пожарах, полученной на основе данных наземных и авиационных наблюдений.

Методы исследования

Исследования базируются на использовании методов и средств проектирования информационных систем, теории реляционных баз данных, теории принятия решений.

Научная новизна

1. Разработаны новые методы анализа информации, получаемой на основе данных дистанционных наблюдений для решения задач мониторинга лесных пожаров.

2. Разработана архитектура организации сбора и архивации данных и архитектура организации системы представления данных.

3. Предложен новый подход к проектированию распределенной системы мониторинга пожаров, обеспечивающий получение однородной сопоставимой информации по всей территории Российской Федерации.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Требования к информационному обеспечению дистанционного мониторинга лесных пожаров.

2. Архитектура подсистемы оперативного сбора и организации хранения данных для ИСДМ-Рослесхоз.

3. Архитектура подсистемы оперативного представления данных для ИСДМ-Рослесхоз.

4. Алгоритмы экспресс - прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей.

5. Метод классификации лесных пожаров по прогнозируемым последствиям.

6. Методики использования данных ИСДМ-Рослесхоз для мониторинга лесных пожаров.

Практическая ценность

Разработанные архитектура подсистем и методы обработки и анализа данных дистанционного мониторинга были использованы при построении и развитии Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров, и позволили повысить эффективность ее использования для решения задач мониторинга лесных пожаров и оценки их последствий.

Внедрение результатов работы

Научные результаты внедрены в процессе разработки системы ИСДМ-Рослесхоз в ИКИ РАН, ООО "ИНКОМ", а также в процессе эксплуатации системы в ФГУ "Авиалесоохрана".

Научные результаты использованы в учебном процессе при подготовке операторов ИСДМ-Рослесхоз в Авиационном учебном центре ФГУ "Авиалесоохрана", а также на курсах при Департаментах лесного хозяйства федеральных округов.

Часть разделов указанной темы разрабатывалась автором в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в ФГУ "Авиалесоохрана" и ЦЭПЛ РАН.

Их результаты вошли в отчеты по НИР (НИОКР) по темам:

- "Разработка методов прогнозирования природных пожаров и их последствий на основе геоинформационных технологий", в рамках государственного контракта №Р-9К-09/1 от 02.06.2009 между ФГУ «Рослесресурс» и ФГУ "Авиалесоохрана";

- "Научные исследования по развитию методов и технологий системы лесопожарного и лесопатологического мониторинга для оценки состояния лесов и регистрации текущих изменений в лесах", в рамках государственного контракта № Р-7К-10/11 от «13» августа 2010 г. между ФГУ «Рослесресурс» и ЦЭПЛ РАН.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях:

- II, V, VII и VIII Всероссийских открытых ежегодных конференциях "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". Москва. 16-18 ноября 2004 года, 12-16 ноября 2007 года, 16-20 ноября 2009 года и 15-19 ноября 2010 года;

- IV Международная конференция "Аэрокосмические методы и геоинформационные технологии в лесоведении и лесном хозяйстве". Москва 17-19 апреля 2007 года;

- V Научно-практическая конференция. "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций". Москва. 15-16 ноября 2005 года;

- Международная конференция "Кибернетика и технологии XXI век". Воронеж 2000 года.

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 35 научных работ, в том числе 19 в журналах, входящих в список рекомендованных изданий ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа изложена на 133 страницах, содержит 28 рисунков и список литературы из 75 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность направления исследований диссертационной работы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведена общая характеристика работы, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор текущего состояния проблемы. Выполнен анализ существующих подходов к решению задач мониторинга лесных пожаров.. В ходе анализа выявлены недостатки современных систем дистанционного мониторинга лесных пожаров и сформулированы основные требования к информационному обеспечению дистанционного мониторинга лесных пожаров. Определены основные задачи мониторинга (см. рис. 1).

Блок мониторинга

игл.м-роглрпш

Рис. 1. Задачи Блока мониторинга пожарной опасности ИСДМ-Роспесхоз в рамках

модели управления

Анализ основных проблем и особенностей организации мониторинга лесных пожаров в России позволил, с учетом основных задач и существующего уровня информационного обеспечения, сформулировать требования к построению систем сбора, хранения, представления и анализа информации в ИСДМ-Рослесхоз. Схема взаимосвязи исходных данных и выходных форм, определяющая требования к формированию системы отображения информации изображена на рис. 2.

Во второй главе проведены отбор, систематизация и оценка объема информации, которая может использоваться в ИСДМ-Рослесхоз. Обоснован а архитектура системы.

Детально рассмотрены две ключевые подсистемы сбора данных, в частности, лесопожарной информации от субъектов Российской Федерации и спутниковых данных. Сформулированы основные подходы к построению структуры представления данных, а также разработана структурно-функциональная схема интерфейсов взаимодействия с пользователями.

£

£ !

-1 е-

.1

1

8

г ирчиичи

Комплексные отчеты по региональным и

Региональные информацион

"" "ТТеемой ложяр по" крсмическим^данным-

1'агтровыр I—< информационные проду* * 1 на основе ДЭЗ

I метеомараметров )

Рис. 2. Схема взаимосвязи исходных данных и выходных форм

Архитектура системы должна обеспечивать обработку схожих по источнику, частоте поступления и по форматам данных в специализированных блоках (подсистемах), см. рис. 3, вариант 1.

При разработке архитектуры подсистемы сбора и обработки лесопожарной информации от субъектов Российской Федерации ключевым фактором стала необходимость обеспечения надежности хранения данных при соблюдении доступности информации от удаленных источников, в том числе возможность ввода через \Л/еЬ-интерфейсы и экспорта из внешних информационных систем (рис. 4).

При разработке архитектуры подсистемы сбора и обработки спутниковых данных (рис. 5) была решена задача рационального распределения вычислительных ресурсов для оптимизации затрат при сохранении надежности (часть этапов обработки вынесена на отдельные станции обработки, а часть реализована на серверном оборудовании).

Обслуживание и сопровождение А

Рис . 3. Подходы к объединению разнородной информации

субъектов Российской федерации

Рис. 5. Общая схема поступления данных и цикла их обработки

Для формирования структуры представления данных на информационных серверах была разработана схема взаимосвязи элементов системы охраны лесов от пожаров. С учетом ключевых технологических операций и соответствующих управленческих решений, которые могут приниматься с использованием данных ИСДМ-Рослесхоз, были сформулированы основные подходы к построению структуры представления данных, а также разработана структурно-функциональная схема интерфейсов взаимодействия с пользователями (рис. 6).

Предложенная архитектура системы сбора информации, а также архитектура построения системы представления информации позволяет реализовать нужную функциональность Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства.

"Холодный резерв"

Рис. 6. Структурно-функциональная схема интерфейсов взаимодействия с пользователям и

Третья глава посвящена разработке алгоритмического обеспечения для анализа информации мониторинга пожаров, которую предоставляет ИСДМ-Рослесхоз. В качестве основного выбран многокритериальный подход к обеспечению принятия управленческих решений. Разработана структурно функциональная схема подсистемы поддержки принятия решений (см. рис. 7).

Рис. 7. Функциональная схема предлагаемой системы

Детально рассмотрен один из ключевых аспектов будущей подсистемы - алгоритм подбора весовых коэффициентов .

При разработке функциональной схемы подсистемы принятия решений предусматривается процедура моделирования лесопожарной обстановки, процедура формирования решений несколькими доступными методами, а также процедура оценки эффективности каждого метода . При этом, оценка эффективности проводится с учетом длительности расчета и правильности (достоверности ) решений. Предусматривается возможность проведения адаптации выбранного алгоритма . Рассмотрен один из алгоритмов преобразования весовых коэффициентов путем понижения размерности (дискретизация части критериев) и

соответствующей корректировки коэффициентов для соблюдения

N

условия = 1.

В главе рассмотрен алгоритм экспресс - прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей, реализация которого также влияет на архитектуру системы хранения и представления данных.

Алгоритм подразумевает:

- формирование обучающей выборки (ретроспективные данные о суточном приросте площади, дополнительной атрибутивной информации о лесорастительных характеристиках и погоде в районе пожара);

- построение нескольких нейронных сетей;

- формирование информации по исследуемым пожарам (детектированные в ИСДМ-Рослесхоз данные и дополнительные атрибуты, аналогичные обучающей выборке);

- расчет прогнозных значений суточного прироста площади;

- оценку погрешности расчета и исключение значений с большой погрешностью;

- ранжирование пожаров по уровню угроз (по значению прогнозируемого прироста площади).

Разработана структурно-функциональная схема блока классификации лесных пожаров по прогнозируемым последствиям (рис. 8), для реализации указанного алгоритма.

Разработанные алгоритмы могут использоваться для анализа информации, которая поступает и обрабатывается в Информационной системе дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства.

Модуль вТАТВЛСА »тага! КсдаогЬ

Процедура формирования нейронной сети

Л

Процедура расчета среднего прироста площади

Процедура классификации лесных пожаров

Модуль формирования контрольной выборки

Процедура импорта детектированных пожаров

Пожары из архива ИСДМ-Рослесхоз

Модуль геопространственной интерполяции

Процедура оценки рельефа н ЛШ

Результат прогноза в карточку пожара

I

Метео из архива ИСДМ-Рослеож

Рис. 8. Блок классификации лесных пожаров по прогнозируемым последствиям

Четвертая глава посвящена разработке методик использования данных ИСДМ-Рослесхоз. В работе приведены:

- методика детального анализа информации об отдельных пожарах;

- методика формирования стандартных реакций на информацию о крупных пожарах, полученную по данным дистанционного мониторинга;

- методика сопоставления информации о крупных пожарах, полученной по данным региональных наблюдений и данным дистанционного зондирования;

- методика сопоставления интегральной региональной статистики и данных, полученных на основе информации дистанционного зондирования.

За основу методики детального анализа информации об отдельных пожарах взят анализ наличия основных признаков, подтверждающих факт пожара:

- "горячие точки" в зоне пожара;

- устойчивая динамика развития пожара;

- дымовые шлейфы в зоне пожара;

- визуально заметная гарь на месте пожара;

- информация по алгоритму оценки повреждений, используемому в ИСДМ-Рослесхоз;

- тип и вид территории, на которой действует лесной пожар.

В связи с тем, что большая часть признаков не поддается однозначной количественной оценке, в работе приведены характерные примеры и детальные рекомендации по решению, является ли зарегистрированная тепловая аномалия лесным пожаром.

Для разработки методики идентификации данных космического мониторинга был проведен анализ информации от региональных лесопожарных подразделений о характере горения в районе зарегистрированных тепловых аномалий. Разработан классификатор очагов горения (обнаруженных дистанционными методами), которые не являются лесными пожарами. Для реализации возможности удобного доступа к необходимым данным, а также ввода результатов идентификации, был разработан пользовательский интерфейс (форма 12-ИСДМ), в основу которого положен реестр лесных пожаров, с возможностью перехода в картографический интерфейс (на нужную территорию в заданное время актуальности данных).

При разработке методики сопоставления информации о крупных пожарах, полученной по данным региональных наблюдений и данным дистанционного зондирования, за основу взяты следующие основные положения:

- из-за организационных особенностей обнаружения и представления данных региональными лесопожарными службами, а также из-за технических ограничений по минимальной площади регистрации пожаров космическими методами, дата обнаружения (регистрации) может отличаться в обе стороны в среднем от 3 до 5 дней;

- ошибки координат наземного обнаружения пожаров в среднем достигают 10 км;

- в качестве дополнительной информации, по которой можно контролировать правильность сопоставления - название лесничества;

- при разработке интерфейса сопоставления предусмотрена возможность отображения схемы в районе сопоставляемого пожара (с соответствующей актуальностью данных), отображение основной атрибутивной информации, а также возможность быстрого запроса дополнительной информации (открытия карточки нужного пожара).

При разработке методики оценки интегральной региональной статистики и данных, полученных на основе информации дистанционного зондирования, за основу взяты следующие положения:

- сравнение данных производится по суточному приросту и с нарастающим итогом;

- из-за особенностей формирования отчетности региональных лесопожарных служб, суточная статистика по ДЗЗ формируется по каждому субъекту с учетом часовых поясов;

- из учета исключаются детектированные с космоса тепловые аномалии, которые по результатам идентификации

классифицированы как "не лесфонд", "сельхоз пал", "профвыжигания", "техногенный объект".

Предложенные методики были использованы для подготовки аналитических отчетов для Федерального агентства лесного хозяйства о деятельности региональных лесопожарных подразделений на основании информации, обрабатываемой в ИСДМ-Рослесхоз, включая данные дистанционного зондирования Земли.

В заключении приводятся основные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора и организации хранения данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).

2. Разработка архитектуры подсистемы оперативного представления данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз) для принятия управленческих решений, связанных с организацией мониторинга и тушения лесных пожаров, а также с работами по борьбе с последствиями действия лесных пожаров.

3. Разработка алгоритмов анализа информации для информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров, в том числе:

- многокритериального подхода для обеспечения принятия управленческих решений в ИСДМ-Рослесхоз;

- алгоритма интерполяции многомерных табличных функций для использования в подсистеме поддержки принятия решений ИСДМ-Рослесхоз;

- экспресс - прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей.

4. Разработка методик анализа информации дистанционного мониторинга для принятия управленческих решений при организации тушения пожаров и оценки их последствий, в том числе:

- комплексного анализа информации, полученной различными средствами дистанционного мониторинга, для подтверждения факта действия природных пожаров и оценки их характеристик;

- методики автоматизированной проверки результатов проверки информации предоставляемой региональными службами наблюдений по идентификации пожаров, зарегистрированных на основе данных дистанционного наблюдения, для оценки качества и эффективности работы региональных служб;

- методики комплексного совместного анализа информации о крупных пожарах, полученной на основе данных наземных и авиационных наблюдений.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ В РЕЦЕНЗИРУЕМЫХ ИЗДАНИЯХ ВХОДЯЩИХ В СПИСОК ВАК РФ

1) Котельников Р.В. - ИСДМ-Рослесхоз как инструмент поддержки принятия решений в области охраны лесов // Безопасность труда в промышленности. 2010 г, М., 2010. № 11 с 26 -29.

2) Коршунов H.A., Котельников P.B. - Борьба с лесными пожарами: проблема информационного обеспечения авиа средствами и ее решение // Пожарная безопасность, М., № 1, 2008 г. с.125-129.

3) Котельников Р.В., Коршунов H.A. - Метеообеспечение в ИСДМ-Рослесхоз: Проблемы и перспективы II Пожаровзрывобезопасность. с 34-37, № 1 - 2010 год;

4) Барталев С.А., Бурцев М.А., Егоров В.А., Ефремов В.Ю., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Мазуров A.A., Матвеев А.М., Щетинский В.Е. - Организация работы со спутниковыми данными высокого пространственного разрешения в информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (ИСДМ Рослесхоз) II Пожарная безопасность, М., с.50-56, № 8 - 2009 год;

5) Радченко М.В., Балашов И.В., Ефремов В.Ю., Котельников Р.В., Мазуров A.A., Миклашевич С.Э., Прошин A.A., Флитман Е.В. Аппаратные комплексы для обработки, хранения и представления данных центральных узлов ИСДМ-Рослесхоз II Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2011. Т.8. № 3. С.167-174.

6) Флитман Е.В., Балашов И.В., Бурцев М.А., Галеев A.A., Егоров В.А., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Мазуров A.A., Матвеев А.М., Прошин A.A. Построение системы работы с данными прибора MODIS для решения задач мониторинга лесных пожаров и их последствий // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2011. Т.8. № 1. С.127-138.

7) Ефремов В.Ю., Балашов И.В., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Мазуров A.A., Прошин A.A., Толпин В.А., Уваров И.А., Флитман Е.В. Объединенный картографический интерфейс для работы с

данными ИСДМ-Рослесхоз // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2011. Т.8. № 3. С.129-139.

8) Галеев A.A., Ершов Д.В., Ефремов В.Ю., Крашенинникова Ю.С., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Мазуров A.A., Прошин A.A., Флитман Е.В. - Система оперативного доступа удаленных пользователей к информационным ресурсам информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы Всероссийской конференции. Москва, ИКИ РАН, Выпуск № 3 (2006). Т. I. С. 351-358.

9) Барталев С.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Щетинский В.Е. - Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агенства лесного хозяйства РФ (состояние и перспективы развития) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы Всероссийской конференции. Москва, ИКИ РАН, Выпуск 5. Т. II. С.419-429.

10) Барталев С.А., Бурцев М.А., Егоров В.А., Ефремов В.Ю., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Мазуров A.A., Матвеев А.М., Щетинский В.Е. - Использование данных высокого пространственного разрешения в информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (ИСДМ Рослесхоз) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы Всероссийской конференции. Москва, ИКИ РАН, Выпуск 6. Т. I. С.88-95 - 2009 год.

11) Котельников Р.В., Флитман E.B. - Технология идентификации спутниковых данных о лесных пожарах с данными наземного и авиационного мониторинга с использованием ИСДМ -РОСЛЕСХОЗ И Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы Всероссийской конференции. Москва, ИКИ РАН, Выпуск 4. Т. I. С.162-166-2007 год.

12) Галеев A.A., Котельников Р.В., Крашенинникова Ю.С., Лупян Е.А.,Сементин В.Л., Флитман Е.В., Щербенко Е.В Сопоставление информации о лесных пожарах по данным спутниковых, наземных и авиационных наблюдений ИСДМ -Рослесхоз И Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы Всероссийской конференции . Москва, ИКИ РАН, Выпуск 5. Т.Н. С.458-468 - 2008 год.

13) Галеев A.A., Ершов Д.В., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Мазуров A.A., Прошин A.A., Флитман Е.В.- Автоматизированная система формирования оперативной отчетности о действующих лесных пожарах на основе спутниковых данных // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли" из космоса. Материалы Всероссийской конференции. Москва, ИКИ РАН, Выпуск 3. T.I. С .359-365-2006 год.

14) Барталев С.А., Беляев А.И., Егоров В.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Коршунов H.A., Котельников Р.В., Лупян Е.А. - Валидация результатов выявления и оценки площадей, поврежденных пожарами лесов по данным спутникового мониторинга 2005 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из

и

космоса. Материалы Всероссийской конференции . Москва, ИКИ

РАН , том 2 с. 343-353 - 2005 год.

15) С.А. Барталев , Д.В. Ершов, Г.Н. Коровин, Р.8. Котельников, Е.А. Лупян, В.Е. Щетинский.- Основные возможности и структура информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства РФ (ИСДМ Рослесхоз ) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Материалы Всероссийской конференции. Москва, ИКИ РАН . Сборник научных статей . Том 7. № 2. С.97-105.

16) Галеев A.A., Котельников Р.В., Мазуров A.A., Прошин A.A., Флитман Е.В. "Построение архивов спутниковых данных и результатов их обработки в ИСДМ Рослесхоз ". С.77.-2009 год.

17) Азметов Р.Р., Галеев A.A., Ершов Д.В., Котельников Р.В., Московенко В.М., Прошин A.A., Флитман Е.В. "Использование информации о регистрации молниевых разрядов в ИСДМ -Рослесхоз С .65-2009 год;

18) Барталев С.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Котельников Р.В., Лупян Е.А., Щетинский В.Е. "Развитие информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства С.271 -2009 год;

19) Барталев С.А., Беляев А.И., Егоров В.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Коршунов H.A., Котельников Р.В., Лупян Е.А. "Валидация результатов выявления и оценки площадей, поврежденных пожарами лесов по данным спутникового мониторинга. 16-18 ноября 2004 г" Материалы научной конференции . Стр.215.

Подписано в печать 16.11.2011 г. Формат 60x901/16 Печать на ризографе . Тираж 100 экз. Заказ № 5772. Объем: 1,0 усл.п.л.

Отпечатано е типографии ООО "Алфавит 2000", ИНН -.7718532212, г. Москва, ул. Маросейка, д.6/8, стр.1, т.623-08-10, www.alfavit2000.ru

Введение

ГЛАВА 1. Специфика и основные требования к информационному обеспечению дистанционного мониторинга лесных пожаров

1. Современные возможности дистанционного мониторинга лесных пожаров.

2. Основные задачи информационного обеспечения мониторинга и тушения лесных пожаров.

3. Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ - Рослесхоз).

4. Требования к построению систем сбора, хранения, представления и анализа информации в ИСДМ-Рослесхоз.

Вывод

ГЛАВА 2. Построение архитектуры системы сбора, хранения и представления информации в ИСДМ-Рослесхоз

1. Анализ основных видов информации, использующейся в ИСДМ-Рослесхоз.

2. Архитектура системы сбора и архивации информации ИСДМ-Рослесхоз.

3. Основные требования к организации принятия оперативных решений в диспетчерской службе охраны лесов России.

4. Архитектура построения системы представления информации ИСДМ-Рослесхоз.

Вывод

ГЛАВА 3. Разработка алгоритмического обеспечения для анализа информации дистанционного мониторинга лесных пожаров

1. Разработка многокритериального подхода для обеспечения принятия управленческих решений в ИСДМ-Рослесхоз

2. Разработка алгоритма подбора весовых коэффициентов.

3. Алгоритм экспресс - прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей

Вывод

ГЛАВА 4. Разработка методик использования информации дистанционного мониторинга для принятия управленческих решений.

1. Методика детального анализа космических данных об отдельных пожарах

2. Методика идентификации данных космического мониторинга

3. Методика сопоставления информации о крупных пожарах, полученной по данным региональных наблюдений и данным дистанционного зондирования

4. Методика оценки интегральной региональной статистики и данных, полученных на основе информации дистанционного зондирования

Вывод

Для повышения эффективности борьбы с лесными пожарами необходимо не только обеспечить лиц, принимающих управленческие решения [1], всей необходимой информацией, но и представить её в нужном наглядном и структурированном виде.

Главная особенность применяемой сейчас в лесном хозяйстве Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (далее ИСДМ-Рослесхоз) - использование большого объема разнородной информации. Применение классических методов консолидации данных не позволяет в полной мере использовать все потенциальные возможности системы. Приведение данных в единые форматы хранения часто затруднительно из-за существенных различий в порядке их поступления. Дополнительную сложность придает и различие точности данных, а также частота их обновления.

Резкий скачок в объемах и значительное расширение перечня поступающей информации, привели к необходимости радикального изменения подхода к дальнейшей модернизации системы.

Для повышения эффективности применения ИСДМ-Рослесхоз в первую очередь необходимо:

- модернизировать подсистемы ИСДМ-Рослесхоз, связанные со сбором, хранением и представлением информации;

- разработать алгоритмы и методы анализа данных ИСДМ-Рослесхоз.

Цель предлагаемой работы: разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора, организации хранения, а также алгоритмов обработки и оперативного представления данных пользователям Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).

Предложенные решения закладывают основу развития ИСДМ-Рослесхоз не только в части анализа и прогнозов, но и для формирования рекомендаций лицам, принимающим решения.

Используя, в том числе и новые возможности подсистемы представления данных, в работе предлагаются методики анализа информации дистанционного мониторинга.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения.

Вывод

За основу методики детального анализа информации об отдельных пожарах взят анализ наличия основных признаков, подтверждающих факт пожара:

- "горячие точки" в зоне пожара;

- устойчивая динамика развития пожара;

- дымовые шлейфы в зоне пожара;

- визуально заметные гари на месте пожара;

- информации по алгоритму оценки повреждений, используемому в ИСДМ-Рослесхоз;

- вид территории, на которой действует лесной пожар.

В связи с тем, что большая часть признаков не поддается однозначной количественной оценке, в работе предложены характерные примеры и детальные рекомендации по принятию решения является ли зарегистрированная тепловая аномалия лесным пожаром.

Для разработки методики идентификации данных космического мониторинга, был проведен анализ информации региональных лесопожарных подразделений о характере горения в районе зарегистрированных тепловых аномалий. Разработан классификатор очагов горения (обнаруженных дистанционными методами), которые не являются лесными пожарами. Для реализации возможности удобного доступа к необходимым данным, а также ввода результатов идентификации, был разработан пользовательский интерфейс (форма 12-ИСДМ), в основу которого положен реестр лесных пожаров, с возможностью перехода в картографический интерфейс (на нужную территорию в заданное время актуальности данных). Разработана методика и представлены примеры.

При разработке методики сопоставления информации о крупных пожарах по данным региональных наблюдений и данным дистанционного зондирования, за основу взяты следующие тезисы:

- из-за организационных особенностей обнаружения и представления данных региональными лесопожарными службами, а также из-за технических ограничений по минимальной площади регистрации пожаров космическими методами, дата обнаружения (регистрации) может отличаться в обе стороны в среднем от 3 до 5 дней;

- ошибки координат наземного обнаружения пожаров в среднем достигают 10 км;

- в качестве дополнительной информации, по которой можно контролировать правильность сопоставления - название лесничества; при разработке интерфейса сопоставления предусмотрена возможность отображения схемы в районе сопоставляемого пожара (с соответствующей актуальностью данных), отображения основной атрибутивной информации, а также возможность быстрого запроса дополнительной информации (открытия карточки нужного пожара).

При разработке методики оценки интегральной региональной статистики и данных, полученных на основе информации дистанционного зондирования, за основу взяты следующие тезисы:

- сравнение данных производится по суточному приросту и с нарастающим итогом; из-за особенностей формирования отчетности региональных лесопожарных служб, суточная статистика по ДЗЗ формируется по каждому субъекту с учетом часовых поясов;

- из учета исключаются детектированные с космоса тепловые аномалии, которые по результатам идентификации классифицированы как "не лесфонд", "сельхоз пал", "профвыжигания", "техногенный объект".

Предложенные методики существенно упростят использование информации, обрабатываемой в ИСДМ-Рослесхоз, включая данные дистанционного зондирования, в том числе и для принятия управленческих решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены новые подходы и методы анализа информации, получаемой на основе данных дистанционных наблюдений для решения задач мониторинга лесных пожаров.

Предложенные в работе архитектура организации сбора и архивации данных и архитектура организации системы представления данных позволили создать распределенную систему мониторинга пожаров, обеспечивающую получение однородной сопоставимой информации по всей территории Российской Федерации. Именно предложенные подходы позволили создать систему, которая сегодня является самой крупной в мире в своем классе по уровню автоматизации и охвату территории,

Разработанные методики и подходы, внедренные в ИСДМ-Рослесхоз, впервые позволили эффективно использовать данные дистанционного мониторинга для контроля работ по обнаружению лесных пожаров и борьбе с ними, а также применить для оценки последствий пожаров на всей территории страны. Это позволило значительно повысить эффективность управления этими работами в области охраны лесов. Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора и организации хранения данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ- Рослесхоз).

2. Разработка архитектуры подсистемы оперативного представления данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз) для принятия управленческих решений, связанных с организацией мониторинга и тушения лесных пожаров, а также с работами по борьбе с последствиями действия лесных пожаров.

3. Разработка алгоритмов анализа информации для информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров, в том числе:

- многокритериального подхода для обеспечения принятия управленческих решений в ИСДМ-Рослесхоз;

- алгоритма интерполяции многомерных табличных функций, для использования в подсистеме поддержки принятия решений ИСДМ-Рослесхоз;

- экспресс-прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей.

4. Разработка методик анализа информации дистанционного мониторинга для принятия управленческих решений при организации тушения пожаров и оценки их последствий, в том числе:

- комплексного анализа информации, полученной различными средствами дистанционного мониторинга для подтверждения факта действия природных пожаров и оценки их характеристик;

- методики автоматизированной проверки результатов проверки информации, предоставляемой региональными службами наблюдений по идентификации пожаров, зарегистрированных на основе данных дистанционного наблюдения для оценки качества и эффективности работы региональных служб;

- методики комплексного совместного анализа информации о крупных пожарах, полученной на основе данных наземных и авиационных наблюдений.

Научные результаты внедрены в процессе разработки системы ИСДМ-Рослесхоз в ИКИ РАН, ООО "ИНКОМ", а также в процессе эксплуатации системы в ФГУ "Авиалесоохрана".

Научные результаты использованы в учебном процессе при подготовке операторов ИСДМ-Рослесхоз в Авиационном учебном центре ФГУ

Авиалесоохрана", а также на курсах при Департаментах лесного хозяйства федеральных округов.

Часть разделов указанной темы разрабатывались автором в рамках научно исследовательских работ, проводимых в ФГУ "Авиалесоохрана" и ЦЭПЛ РАН.

Их результаты вошли в отчеты по НИР (НИОКР) по темам:

- "Разработка методов прогнозирования природных пожаров и их последствий на основе геоинформационных технологий", в рамках государственного контракта №Р-9К-09/1 от 02.06.2009 между ФГУ «Рослесресурс» и ФГУ "Авиалесоохрана";

- "Научные исследования по развитию методов и технологий системы лесопожарного и лесопатологического мониторинга для оценки состояния лесов и регистрации текущих изменений в лесах", в рамках государственного контракта № Р-7К-10/11 от « 13 » августа 2010 г. между ФГУ «Рослесресурс» и ЦЭПЛ РАН.

Благодарности

Автор выражает благодарность Лупяну Е.А. за неоценимую помощь в изучении темы и оформлении работы.

Автор также глубоко признателен своим коллегам, работникам ФГУ "Авиалесоохрана": Ковалеву H.A. и Щетинскому В.Е.

Эта работа не могла бы быть выполнена без сотрудничества с организациями, разрабатывавшими элементы системы ИСДМ-Рослесхоз. Автор особенно благодарен Коровину Г.Н., Ершову Д.В., Флитману Е.В., Мазурову A.A., Прошину А. А., Комлеву А.Н., Семыкину C.B.

1. Коршунов Н.А., Котельников Р.В., "Борьба с лесными пожарами: проблема информационного обеспечения авиасредствами и ее решение," Пожарная безопасность, № 1, с 125-129, 2008.

2. Авиационная охрана лесов / Г.Н. Коровин, Н.А. Андреев Москва "Агропромиздат", 1988.

3. Охрана лесов от пожаров. / М.Г., Червонный. Москва Лесная промышленность, 1973.

4. Roman Kotelnikov, Serghey Stelmakhovich Waldbrandbekampfung in Russland Organisation und Praxis. // Brand Die Feuerwehren der Welt.- c. 112-131.

5. Лесные пожары на территори России: Состояние и проблемы. / Воробьев Ю.Л., Акимов Ю.А., Соколов Ю.И. Москва ДЭКС-ПРЕСС, 2004.

6. Дистанционное зондирование в лесном хозяйстве. / Данюлис Е.П., Жирин В.М., Сухих В.И., Эльман Р.И. МоскваИздательство "Агропромиздат", 1989.- с. 223

7. Егоров В.А., Барталев С.А., Лупян Е.А., Уваров И.А Мониторинг повреждений растительного покрова пожарами по данным спутниковых наблюдений. // Известия вузов: геодезия и аэрофотосъемка.- с. 98-109, 2006.

8. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ланшафтном строительстве: Учебник. / Сухих, В.И.- Йошкар-Ола. Издательство МарГТУ, 2005.- с. 392.

9. Аэрокосмические методы в охране природы и в лесном хозяйстве. /

10. B.И.Сухих, С.Г. Синицын, Ю.С., Апостолов и др. Москва. Лесная промышленность, 1979.- с. 288.

11. Аэрокосмические методы географических исследований. / Л.Е., Смирнов. Ленинград Издательство ЛГУ, 1975.- с. 303.

12. Космические системы дистанционного зондирования Земли. / Гарбук

13. C.B., Гершензон В.Е. -Москва Издательство А и Б, 1997.- с. 296.

14. Аэрокосмический мониторинг лесов. / A.C. Исаев, В.И. Сухих, E.H. Калашников и др. Москва. Издательство "Наука", 1991.- с. 241.

15. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. / Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Москва. Издательство Логос, 2001.- с. 264.

16. Введение в космическое природоведение и картографирование. / Ю.П., Киенко. Москва Издательство Картгеоцентр - Геоиздат, 1994.- с. 212.

17. Лурье И.К., Косиков А.Г., "Теория и практика цифровой обработки изображений." Дистанционное зондирование и географическиеинформационные системы., 176, 2003.

18. Bartalev S.A., Egorov V.A., Loupian Е.А. and Uvarov I.A. Multi-year circumpolar assessment the area burnt in boreal ecosystems using SPOTVegetation. // Submitted to International Journal of Remote Sensing, 2005.

19. Котельников Р.В. Коршунов H.A., "Метеообеспечение в ИСДМ-Рослесхоз: Проблемы и перспективы.," Пожаровзрывобезопасность, № 1, 34-37, 2010.

20. Барталев С.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Котельников Р.В., Лупян Е.А.,

21. Пушкино (МО) ФГУ "Авиалесоохрана".- с. 140

22. Котельников Р.В., Коршунов H.A., "Космический мониторинг лесных пожаров.," Авиапанорама, № 2, pp. 14-17, 2008.

23. Применение систем глобального позиционирования в лесном хозяйстве. Учебно-методическое пособие. / Н.Б. Гусев, Е.А. Щетинский, Р.В. Котельников. Москва, ООО "А-Принт", 2006.

24. Рекомендации по пользованию Карманным компьютером лётчика-наблюдателя (KKJIH-MCP) при выполнении авиалесоохранных работ. Учебно-методическое пособие. / Н.Б. Гусев, Е.А. ГЦетинский, Р.В. Котельников.-Пушкино, ООО "А-Принт", 2005.

25. Коршунов H.A., Котельников Р.В., Лесные помощники летающие роботы., Лесной бюллетень, № 2.

26. Коршунов H.A., Котельников Р.В., "Перспективы применения беспилотной авиации в лесном хозяйстве.," Лесное хозяйство, по. № 3, рр. 39-40, 2009.

27. Коршунов H.A., Котельников Р.В., "Роботы над лесом.," Лесная Россия, по. № 2, рр. 34-38., 2006.

28. Котельнико Р.В. Возможность применения ИАС НЕВОД в системах поддержки управленческих решений авиалесоохраны. // Сборник научных трудов ВятГТУ, Рубрика "Управление и обработка информации".

29. Котельников Р.В. Информационная поддержка оперативных решенийпри авиалесоохраиных работах. // Сборник материалов ежегодной региональной научно-технической конференции ВятГТУ «Наука -производство технология экология», № 2.- с. 85-87, 2001.

30. Котельников Р.В., "Поддержка принятия решений диспетчера авиалесоохраны.," Открытые системы., по. № 10, Октябрь 2003, рр. 6773.

31. Системы поддержки принятия решений: основные понятия и вопросы применения. / Синюк В.Г., Котельников А.П.- БелградБелГТАСМ, 1998.-с. 78

32. Ларичев О.И., Петровский А.Б. Системы поддержки принятия решений: современное состояние и перспективы развития. // Итоги науки и техники. Техническая кибернетика, 21.- с. 131 165, 1987.

33. Котельников Р.В. Учёт психологического аспекта при проектировании систем поддержки принятия решений. // Сборник материалов ежегодной региональной научно-технической конференции ВятГТУ «Наука -производство технология экология»,ТII.- с. 97-98, 2000.

34. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. / Кини Р.Л., Райфа Х.-МоскваРадио и связь., 1981.

35. Ю.В., Подрезов, Методологические основы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций. //Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. Выпуск № 3. Москва: ВИНИТИ, 2000.

36. Методологические основы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций. / Подрезов Ю.В., Шахраманьян М.А.-МоскваВНИИ ГОЧС, 2001.

37. Многомерный статистический анализ в экономике. / JI.A. Сошникова, В.Н. Тамашевич, Г. Уебе, М. Шеффер.-1999Москва, Юнити-Дана.- с. 598

38. STATISTICA, искусство анализа данных на компьютере. / Боровиков В.П.-Питер., 2003.

39. Нейронные сети: обучение, организация и применение. / Головко., В.А.Москва ИПРЖР ,2001.

40. The MODIS fire products. Remote Sensing of Environment / Justice, С. O, Giglio, L., Korontzi, S., Owens, J., Morisette, J. T., Roy, D., Descloitres, J., Alleaume, S., Petitcolin, F., and Kaufman, Y.-, 2002.

41. Algorithm Technical Background Document MODIS FIRE PRODUCTS / Yoram Kaufman, Chris Justice.-(Version 2.2 Nov. 10 1998).

42. Энциклопедия. Вероятность и математическая статистика. / Прохоров, Ю.В. Гл.ред.-МоскваБолыпая Российская Энциклопедия, 1999.

43. Программа "Статистика тушения лесных пожаров". / Солодовников Н.И., Трейвус С.С.-СпбНИИЛХ, 1996.

44. Теория вероятностей, случайные процессы и математическая статистика. / Ю.А., Розанов.-Наука., 1985.