автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система оценки и снижения природной пожарной опасности южно-таежных лесов Восточной Сибири

На правах рукописи

□0306ЭБ35

Золотухина Любовь Прокопьевна

СИСТЕМА ОЦЕНКИ И СНИЖЕНИЯ ПРИРОДНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЮЖНО-ТАЕЖНЫХ ЛЕСОВ ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

05 13 01 - Системный анализ, управление, обработка информации (технологии химико-лесного комплекса)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2007

003069635

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» и ФГУ «Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной охраны лесов и механизации лесного хозяйства».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Доррер Георгий Алексеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Цибульский Геннадий Михайлович,

кандидат технических наук, доцент Якимов Сергей Петрович

Ведущая организация

Институт леса им В Н Сукачева СО РАН

Защита состоится 23 мая 2007 года в 16 часов на заседании диссертационного совета К 212 253.01 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу. 660049, г Красноярск, Марковского, СибГТУ, корп «АБВ», ауд А-102

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан «_» апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, к т н, доцент

С В Ушанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальн ость

Охрана лесов от пожаров является важнейшим направлением государст-вешюй политики, обеспечивающим экологическую безопасность страны и сохранение ресурсного потенциала лесов Одним из важных направлений реализации этой политики является противопожарная профилактика и противопожарное устройство лесов По мнению специалистов ущерб от пожаров может быть значительно снижен за счет совершенствования работ в данном направлении [Курбатский, 1972]

Профилактика включает в себя мероприятия, направленные на снижение природной пожарной опасности в лесах, предупреждение возникновения, распространения, развития лесных пожаров и создание условий для их тушения на ограниченной площади Противопожарное устройство лесов предполагает формирование в лесах системы противопожарных разрывов и барьеров, создание устойчивых к огню насаждений и ряд других мероприятий, затрудняющих возникновение и распространение пожаров

Указанные проблемы носят системный характер и требуют дтя своего решения проведения научных исследований, в том числе разработки математических моделей, а также создания современных информационных систем и систем поддержки принятия решений, осуществляющих планирование, назначение, оргашгзацию и проведение работ по профилактике лесных пожаров

Ядром указанных систем должны стать лесопирологические геоинфор-мациопные системы, позволяющие проводить подробный (до уровня отдельного выдела) анализ пирологических характеристик лесов, оценку вероятных видов лесных пожаров и их последствий, выбор и назначение мероприятий по предупреждению возникновения, распространения, развития лесных пожаров и способствующих их оперативному тушению

В пастоящее время разработка подобных систем является актуальной задачей

Цель II задачи работы

Цетью работы является создание комплекса математических моделей, информационных и программных средств для управления природной пожарной опасностью лесов и разработка на этой основе системы мероприятий по ее снижению применительно к южно-таежным лесам Восточной Сибири Основными задачами исследования являются

- разработка методики и алгоритма создания лесопирологических описаний лесов на основе трансформации таксационных и картографических данных лесоустройства,

- построение моделей пирологических типов лесов, природной пожарной опасности и видов вероятных лесных пожаров,

- разработка технологии выбора и назначения мероприятий по снижению природной пожарпой опасности участков лесного фонда,

- создание ГИС-ориентировашюш программного комплекса для реализации перечисленных выше задач

Научная новизна

1 Впервые разработана морфологическая карта базовых элементов (компонентов вектора состояния) системы на основе политомической классификации Состояние участка леса предлагается определять вектором со следующими компонентами

• категория земель (РК1),

• возраст насаждения (РК2),

• тип напочвенного покрова (РКЗ),

• экспозиция и уклон местности (РК4),

• преобладающая древесная порода (РК5),

• сопутствующая древесная порода (РК6),

• полнота насаждений (РК7),

• наличие пожароопасного подроста (РК8),

• наличие пожароопасного подлеска (РК9)

• наличие пожароопасного сухостоя (РК10),

• наличие захламленности (PKI 1)

2 Разработан алгоритм трансформации таксационных данных в лесопиро-лошческие, с детальностью описания до отдельного выдела

3 В 11-мерном пространстве базовых элементов разработаны математические модели пирологических типов леса, классов природной пожарной опасности, видов вероятных лесных пожаров по периодам пожароопасного сезона, правил управления природной пожарной опасностью

4 Создана ГИС-ориентированная система для оценки вектора состояния и реализации моделей лесопирологической системы

Практическая значимость

Полученные модели учитывают особенности участков лесного фонда, их экологическую, хозяйственную ценность, они позволяют повысить эффективность профилактики лесных пожаров Разработанная ГИС-ориентированпая система позволяет создавать эффективные проекты противопожарного устройства лесов При некоторой модификации система может быть использована в других регионах Российской Федерации Реализация результатов

Результаты исследований испотьзованы при выполнении плана НИР по 18 темам во Всероссийском НИИ пожарной охраны и механизации лесного хозяйства (ВНИИПОМлесхозе) Разработанный подход использован в 13 проектах противопожарного устройства лесов, прилегающих к поселкам и объектам экономики Красноярского края Проекты переданы администрациям районов для практического внедрения Личпый вклад автора

В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат разработка методики и алгоритма трансформации таксационных описаний и его программная реализация, логико-лингвистические модели лесопирологической системы, средства для создания и сопровождения электронной базы данных, анализа расчетных данных, разработка ГИС-ориентированной системы для создания проектов противопожарного устройства лесов

4

Апробация работы

Основные материалы диссертационной работы были представлены на всероссийских конференциях «Химико-лесной комплекс - проблемы и решения» (Красноярск СибГТУ, 2002), «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003), 5-ая Международная конференция «Природные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003), Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск, 2004), - Всероссийская научно-практическая конференция «Лесной и химический комплекс» (Красноярск, 2005), 6-ая Международная конференция «Лесные и степные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2005)

Защищаемые положения

1 Для эффективного управления 1гриродной пожарной опасностью лесов оценку пир о логической структуры лесов и их противопожарное устройство следует проводить с использованием лесных ГИС на уровне вплоть до таксационного выдела

2 Специализированная лесопирологическая ГИС - ориентированная система является эффективным инструментом оценки природной пожарной опасности лесов и проектирования противопожарных профилактических мероприятий

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ Из них 1- в изданиях по списку ВАК

Структура работы. Диссертация изложена на 136 страницах, состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, четырех приложений Работа содержит 18 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 122 наименований, из них 25 на иностранном языке Общий объем приложений составляет 14 страниц

Основное содержапне работы

Во введении показана актуальность разработки таких систем для планирования мероприятий для профилактики лесных пожаров Выделены цели и задачи диссертационной работы, раскрыта научная новизна полученных результатов, практическая значимость и апробация представленного подхода Также во введении сформированы положения, выдвигаемые на защиту, определен непосредственный вклад автора в решаемые задачи

В главе 1 рассматривается проблема управления пожарной опасностью лесов Проанализированы составляющие пожарной опасности в лесах, а именно пожарная опасность по условиям погоды, антропогенный фактор и природная пожарная опасность Показано, что экологическая безопасность и сохранение лесных ресурсов напрямую зависят от эффективности охраны лесов от пожаров Рассматривается опыт моделирования пожарной опасности зарубежных, и отечественных ученых Проводится аналитический обзор пирологических характеристик лесных участков в американской системе NFDRS, канадской системе Forestry Canada и др Снижению пожарной опасности и горимости лесов

посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых (Нестеров, 1945, Колесников, 1956, Мелехов, 1947, Анцышкин, 1956, Davis, 1959, Курбат-ский, 1972, Арцыбашев, 1984, Софронов 1988, Волокитина, 1988, Матвеев, 1992, Brown, 1994, Фуряев, 1996, Валендик, 1996, Душа-Гудым, 1998, Цветков, 1998 и другие)

Н П Курбатский рекомендовал часть необходимых для пирологического описания характеристик брать прямо из таксационных данных экспозиция и крутизна склона, возраст, высота и полнота древесных ярусов, тип леса, захламленность, напочвенный покров, подрост и подлесок, валежник и сухостой, хвоя и листва в поло1 е древостоя Для целей профилактики пожаров снижение пожарной опасности участков лесного фонда возможно через снижение одной из ее компонент, а именно, природной пожарной опасности

В главе 2 задача делится па подзадачи [Джефферс, 1981], причем они решаются последовательно Декомпозиция завершается при получении результата, не требующего дальнейшего разложения Лесопирологическая система (JIC) состоит из трех подсистем трансформация, пирологическая структура и снижение природной пожарной опасности лесов

Измерения в JIC проводятся в шкале наименований и носят качественный характер Каждый объект а, обладает значениями признаков х, ==( x¡0,x,i, , х,„) 6 {ХвХь i=l,М, где п - число признаков, М ~ число объектов в А

Признак характеризует конкретное свойство объекта, поэтому такой протокол называют таблицей «объект-свойство» [Перегудов и др , 1989] При обработке данных в номинальной шкале выполняется только операция проверки на совпадение или несовпадение

Определяются 11 базовых элементов системы категория земель лесного фонда (katz), возраст насаждения (vozr), тип напочвенного покрова (парр), уклон и экспозиция местности (eksp), состав преобладающих (prep) и сопутствующих пород (sopp), полнота древостоя (polrí), подтесок (podl), подрост (podr), валеж (val) и сухостой (sux) Компоненты вектора состояния ЛС задаются значениями этих пирологических характеристик Для гененирования альтернатив используется морфологический анализ, который заключается в выделении всех независимых элементов JIC, перечислении всех возможных значений этих переменных и генерирования альтернатив перебором всех возможных сочетаний этих значений Этот метод расширяет область поиска решений и гарантирует, что пи одно возможное решение проблемы не будет упущено (таблица 1)

Особенности лесного пожара значительно зависят от характера и состояния лесных горючих материалов Их таксационное описание насчитывают до 140 элементов и по ним трудно судить о виде вероятного пожара или природной пожарной опасности А для структурирования системы требуется, как правило, не более 20 элементов [Джонс, 1986] Поэтому цель трансформации заключается в том, чтобы на основе таксационных данных получить пирологиче-ские характеристики участков, измеренных в шкале наименований Для этого определяются классы, исходя из «близости», «похожести» или «различия» описаний объектоа Отбрасываются второстепенные, выбираются и группируются существенные

Таблица 1

Морфологическая карта лесопирологической системы _

Элемент Обозначение Программ- Значение элемепта Код

системы элемента ный код значения

Катего- katz PKI Насаждения, 1101

рия Лесные культуры, 1108-1207

земель Гари 1503

Редипы 1401

итд

Группа voir PK2 Культуры несомкнувпшеся Ml

возраста Культуры сомкнувшиеся М2

Молодняка M

Средневозрастные, приспевающие, С

спелые и перстойные

не задано -1

Напоч- парр РКЗ Лишайниковые ЛШ

венный Мертв опокровпые МП

покров Разнотравные РТ

Крупнотравные КТ

Зелйномошные зм

Долгомопгао-сфагновые ДМСФ

Травяно-болотные ТБЛ

не задано -1

Экспози- eksp РК4 Теневая т

ция Равнинная и когда пе задана Р

Световая с

Преобла- prep РК5 Кедр с

дающая Сосна Л

порода Лиственница к

Пихта, ель п

Береза, осипа Б

нет древостоя -1

Сопутст- sopp РК6 Нет, когда чистые древостоя H

вующая Темпохвойпые т

порода Светлохвойные с

Лиственные, включая л

лиственницу

нет древостоя -1

Группа poln РК7 0-0,2 или не задано 0

полнот 0,3-0,6 низкая полнота 1

0,7-1,0 высокая полнота 2

Характе- podl РК8 Нет ити не задало H

ристика Есть Е

подлеска

Характе- podr РК9 Нет или пе задано H

ристика Хвойный непожароопасный X

подроста Хвойный пожароопасный п

Листвепиый л

Валеж val РК10 Нет (до 20 м'Уга), или не задан H

Есгь (20 и более м3/га) Е

Сухотой sux РКП Нет (до 20 м3/га), или не задан H

Есть (20 и более м'/га) Е

Далее описывается технология трансформации лесотаксационных данных в лесопирологические Приводятся результаты трансформации системы на примере Мининского лесничества Мининского лесхоза Красноярского края (таблица 2) На 3098 выделах лесничества из 345600 альтернатив реализуется только 572 альтернативы (векторов состояния) лесопирологической системы

Таблица 2

Компоненты вектора состояния системы на выделе с номером ГО (фрагмент)

GIR KV SKNK Ш - РК1 FK2 РКЗ РК4 РК5 РКб РК7 РК8 РК9 PKI0 РКП

4 1 11 400111 1101 С PT Р Б н 2 Н Л н н

4 12 400112 1107 С РТ Р Б н 1 Н л н н

4 13 400113 1107 с РТ Р Б н 1 Н л н н

4 14 400114 1108 М2 РТ р л н 2 Н н н

4 15 400115 1101 С РТ р Ь II 2 II л н

4 16 400116 2102 -1 РТ р -1 -1 0 н н н

4 17 400117 1101 С РТ р Б н 2 н л н н

4 18 400118 1101 С РТ р Б н 1 н л н н

4 19 400119 1108 M2 РТ р Л н 2 н н н н

4 20 400120 1101 С РГ р Б н 2 н л н н

4 21 400121 1101 С РТ р Б н 2 н л н н

4 22 400122 1101 с РТ р Б н 1 н п н н

4 23 400123 1101 с РТ р Б с 1 н л н н

4 24 400124 1101 с РТ р Б с 1 н л н н

В главе 3 строятся логико-лингвистические модели видов вероятных лесных пожаров Управление сложными объектами, каковым является лес, принципиально невозможно без привлечения качественной информации Традиционные методы теории управления оказываются неэффективными или непригодными, когда в сферу автоматизации вовлекаются объекты сложной природы Системы управления сложными объектами должны строиться как логико-лингвистические [Поспелов, 1981] В логико-лингвистических моделях управления используются предикатные языки и логические средства обработки для преобразования данных, представленных в лингвистической форме [Ершов, 1979] Условием, при котором реализуются модели вероятных пожаров, является достаточный запас лесных горючих материалов на участке и достижение его пожарной зрелости

Лесопирологическая система обладает эмерджентностью, то есть при объединении частей в целое возникает нечто качественно новое такое, чего не было и не могло быть без этого объединения Новые свойства системы возникают благодаря конкретным связям между конкретными элементами В результате агрегирования некоторых элементов системы появляется общее свойство -лесной пожар определенного вида В представленной работе используется классификация видов вероятных лесных пожаров (таблица 3), учитывающая классификации лесных пожаров в действующей инструкции по обнаружению и тушению лесных пожаров [Михалев, 2003] Дополнительно вводятся еще 3 элемента, обозначающие виды пожаров по периодам пожароопасного сезона пожар весной, КРи_Ь -пожар летом, КРи_0 - пожар осенью

Виды вероятных лесных пожаров

Таблица 3

Вид вероятного лесного пожара Код значения

Нет пожара 0

Низовой напочвенный пожар 1

Низовой валежно-напочвенный пожар 2

Низовой подлесно-напочвенный пожар 3

Низовой подоесно-валежнонапочвенный 4

Почвенный (торфяной) пожар 5

Пожары в культурах 6 1

Верховые (распространение) 62

Верховые (возникновение и распространение) 63

Почвенно-верховой пожар 7

«Низовой напочвенный пожар» описывается одноместным предикатом

3 паррР(парр), (1)

где rtappeNAPP, ЫАРР={лш,мп,рт,кт,зм,трбл}

«Низовой валежпо-папочвеппый пожар» как результат агрегирование дв}х элементов системы напочвенного покрова и валежа, и описывается как двухместный предикат

P(napp,val), (2)

где rtappeNAPP, МАРР={лш,мп,рт,кт,зм,трбл}, vale VAL, VAL={E} «Низовой подлсспо-папочвепныи пожар» описывается четырехместным предикатным утверждением вида P(napp,poln,podl,podr) После означивания полноты и подроста приходим к формуле предикатов

Р(парр, l,podl,TI) V Р(парр, 2,podlJí), (3)

где nappeNAPP, МАРР={лш,мп,рт,кт,з.и,трбл}, podl е PODL, PODL={E}

Пожар в культурах описывается как предикатное утверждение

P(katz,voz, парр,prep), (4)

где katz е KATZ, КАТ2={кучьтуры}, voz <е VOZ, VOZ=f\fI}, nappeNAPP, NAPP={nui, ип,рт,кт,зм,трбл}, prep e PREP, PREP {C,II,K,j

Верховой пожар (код пожара 6 3) может возшпеать и распространяться в выделах с хвойными молодняками и культурами при условиях (таблица 4) В средневозрастных, приспевающих, спелых и перестойных насаждениях верховой пожар может возникать и распространяться как результат агрегирования 10-ти элементов системы, значение которых записаны в первой строке таблицы 4 и описывается предикатным утверждением

G(katz,vozr, парр,prep, sopp.poln,podl,podr, val, sux), (5)

где katz е KATZ, KATZ= {естественные насаждения, культуры}, voz г с VOZR, VOZR={MM2}, nappeNAPP, АгАРР={лш,мп,рт,кт,зм,трбч}, prep ePREP, PREP -{К,II j,

sopp eSOPP, SOPP ={H,T,C}, poln 6 POLN, P0LN={2}, podl e PODL, PODL={H,E}, podr e I'ODR, PODR={HXn,JI}, val eVAL, VAL={H,E}, sux <eSUX, SUX={H,E}

Таблица 4

Условия возникловепия и верхового пожара в молодняках и культурах

prep sopp poln podl podr val SUX

Кедр или штата (ель) Т емнохвойные, светлохвойные, нет высокая любой любой любой любой

средняя густой другие есть есть

пожароопасный

Сосна Течнохвойпая, светлохвойная, нет средняя, высокая густой другие есть есть

пожароопасный

В средневозрастных, приспевающих, спелых и перестойных чистых насаждениях возникает и распространяется верховой пожар (код пожара 6 3) Такой пожар является результатом агрегировашы 8-ми элементов системы, значение которых записаны во второй строке таблицы 5, и описывается предикатным утверждением

G(katz, vozr,napp,prep, sopp,poln,podl,podr), (6)

где katz e KATZ, КАТ2={естественные насаждения, культуры}, vozreVOZR, V07Jl-{C}, napp e NAPF, ЫАРР={лш,мп,рт,кт,зм,трбл}, prep ePREP, PREP ={K,C }, sopp eSOPP, SOPP {T}, poln e POLN, POLN={2}, podl e PODL, PODL {Uli}, podr sPODR, PODR={ü} Всего в работе построено 22 математические модели видов вероятных лесных пожаров, из которых приведено только 6 моделей

Таблица 5

prep sopp poln podl podr

Ель, пихта Течнохвойные, Светлохвойные, Нет высокая любой любой

Кедр, сосна Течнохвойпая высокая любой пожароопасный

Кедр, сосна Сосна или нет высокая любой пожароопасный

Хвойные, кроме лиственницы (ель,пихта, кедр,сосна) Хвойные, кроме лиственницы низкая любой пожароопасный

В главе 4 строятся логико-лингвистические модели пирологических типов и классов природной пожарной опасности Теоретической основой, определяющей возможность пирологического анализа участков лесного фонда, является схемы пирологической классификации на примере лесов Восточной Сибири [Михалев, 2005] и шкала оценки их природной пожарной опасности (таблица 6)

Таблица 6

Схема классификации пирологических типов леса Восточной Сибири

Класс ппо Индекс пирологических типов Характеристика пирологических типов земель леспого фонда

1 2 3

I 1 1 Несомкнувшиеся культуры хвойных пород

12 Сомкнувшиеся культуры хвойных пород, хвойные молодняки

13 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные сосновые насаждения с потнотой 0,7-1,0 и пожароопасным подростом

14 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные насаждения темнохвойных пород с полпотой 0,7-1,0

1 5 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные сосновые насаждения с полнотой 0,7-1,0

21 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные лиственничные насаждения с полпотой 0,7-1,0 и пожароопасным подростом

22 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные хвойные насаждения с полнотой 0,3-0,6 и пожароопасным подростом

23 Смешанные (4-5 ед лиственных) и лиственные насаждения с пожароопасным подростом

3 1 Торфяники и насаждения на заторфовапных почвах

II 4 1 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные лиственничные насаждения с полнотой 0,7-1,0

42 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные светлохвойные насаждения с полнотой 0,3-0,6

43 Средневозрастные, приспевающие, спелые и перестойные теч-нохвойные насаждения с полнотой 0,3-0,6

44 Смешанные (4 -5 ед лиственных) и лиственные насаждения без пожароопасного подроста

III 5 1 Не покрытые лесом категории земель лесного фонда

IV 6 1 Участки с отсутствием или недостаточным количеством лесных напочвенных горючих материалов

Пирологические группы типов (элемент системы PTIP) объединяют участки лесного фонда по степени снижения их экологической и хозяйственной ценности Множество альтернатив состояний лесопирологической системы запишется в общем случае 11-местным предикатом

Q(katz,vozr,napp,eksp,prep, sopp,poln,podl,podr, val, sux), (7) где используются обозначения, приведенные в таблице 1

Всего выделено 15 пирологических типов леса, для которых составлены логико-лингвистические модели Ниже приведены предикатные утверждения для некоторых из них

Пирологический тип 1.1 запишется как предикатное утверждение

P(katz,vozr,napp), (8)

где katz е К ATZ, KA TZ - {несомкнувишеся культуры},

vozre. VOZR, VOZR={Ml}, napp 6 NAPP, МАРР={лш,мп,рт,кт,зм,трбл}

Пирологический тип 2.1 описывается после означивания возраста, преобладающей породы, полноты и подроста как предикатное утверждение

Р (katz,vozr,napp,prep,poln,podr), (9)

где katz e KATZ, KA TZ= ¡естественные насаждения}, vozr e VOZR, VOZR={C}, napp e NAPP, ЫАРР={лш,мп,рт,к>п,зм,трбл}, prep 6 PREP, РШР={Л},

poln ePOLN, POLN {2}, podr e POOR, PODR- {11}

Пирологический тип 3.1 после озпачивания напочвенного покрова как «долгомошно-сфагновый» описывается предикатным утверждением

Р (katz,vozr,дмсф), (10)

где katz е KATZ, KATZ= {естественные насаждения}, vozre VOZR, VOZR={MI№2,M,C}

Пирологический тли 4.1 после означивания возраста, преобладающей породы и полноты описывается как предикатное утверждение

P(katz,vozr,napp, prep,poln), (11)

где katz е KATZ, KATZ= {естественные насаждения}, vozr «Е VOZR, VOZR={C}, napp e NAPP, ЬТАРР={лш,мп,рт,кт,зм,трбл}, prep € PREP, РШР={Л}, poln ePOLN, POLN={2},

Пирологический тип 5.1 описывается как предикатное утверждение

P(katz,napp), (12)

где katz е KATZ, KATZ={1401,1503,1504,1507,1509,1510,1511,2103,2548,3000}, napp Е NAPP, NAPP - {лги,лт,рт,кт, -ш,дмсф,трб71}

Пирологический тип 6.1 описывается как предикатное утверждение

P(katz), (13)

где katz б KATZ, KATZ={2108,2109,2110,2111,2112,2113}

В целях профилактики лесных пожаров выделяются 4 класса природной пожарной опасности (ППО) 1 класс 111 Ю- воздействие огня лесного пожара недопустимо, 2 класс ШТО-воздействие огня допустимо, 3 класс ППО- воздействие огня желательно, 4 класс ППО-возникновепие огня невозможно Классы ППО (элемент системы РРО), как и пирологические типы, определяются посредством операции агрегировашы Математические модели классов ППО описываются также языком предикатов

Первый класс природной пожарпой опаспоста (таблица 6), где пожар недопустим, описывается предикатным выражением

G(pUp), (14)

гдеptipePTIP, РТП>-{1 1,1 2,1 3,1 4,1 5,2 1,22,23,3 1}, второй класс природной пожарпой опасности, где пожар допустим, при ptip^PTIP, РТ1Р={4 1,4 2,4 3,4 4}, третий класс природной пожарной опасности, где пожар желателен, при pttpzPTIP, PTIP={5 1}, четвертый класс природной пожарной опасности, где пожар невозможен, при ptipePTIP, РТ1Р{6 1}

В главе 5 оценивается природная пожарная опасность, и предлагаются математ1яеские модели по ее снижению Для выявления связи между наблюдаемыми переменными используются корреляционный анализ Знание взаимозависимостей отдельных элементов системы дает возможность предвидеть, управлять развитием ситуации при изменении конкретных элементов объекта исследования Корреляционный анализ состоит в определении степени связи между двумя случайными величинами Для оценки степени взаимосвязей наибольшее распространение получили коэффициенты линейной корреляции Пирсона

Для этого проводится перекодировка рассчитанных пирологических характеристик из номинальной шкалы в порядковую Для вычисления корреляционной матрицы используется процедура MS Excel В работе эти коэффициенты вычислялись по выборке, содержащей 3098 значений (таблица 7) В таблице выделены коэффициенты, значение которых превышает по модулю величину 0 4 Эти связи мы считаем наиболее существе1шыми

Дополняющими друг друга способы выражения одной и той же системы взаимосвязей являются матрицы и сети Но более легкое восприятие связи между элементами дается через построение сети в виде конфигурации лилий Используя матрицу взаимодействий для определения взаимосвязанных пар элементов, вычерчивается граф в виде кругов (представляющих элементы), со-единешплх линиями, изображающими связи между элементами Положение элементов изменяется так, чтобы свести к минимуму число пересечений и более отчетливо выявить структуру сети (рис 1)

Структура системы ограничивается совокупностью необходимых и достаточных отношений между элементами для достижения цели работы, а именно, снижения природной пожарной опасности Поскольку категорию земель (katz) и возраст (vozr) изменить невозможно, задача снижения природной пожарпой опасности сводится к снижению и регулированию видов лесных горючих материалов напочвенный покров (парр), породный состав древостоя (prep), (юрр), полнота насаждений (poln), подрост (podr) Знание структуры природной пожарной опасности дает возможность снижать ППО, а именно, выбирать и назначать противопожарные профилактические мероприятия

Таблица 7

Корреляционная матрица элементов лесопирологической системы

РК1 РК2 РКЗ РК4 РК5 РК6 РК7 РК8 РК9 РК10 РК11 KPU V KPU L KPU О PCAR РРО PTIP

Элементы системы категория земель возраст напочвенный покров экспозиция преобладающая города сопутствующая порода полнота подлесок подрост ва-леж сухостой пожар весной пожар летом пожар осенью вектор состояния класс ппо пирологи-чес-кий тип

РК1 1,00

РК2 fo.öd. 1,00

РКЗ Ш 0,27 1,00

РК4 0,10 -0,02 -0,13 1,00

РК5 Ф.6Я 0,25 0,31 -0,15 1,00

РК6 026 0,27 -0,01 0 05 1,00

РК7 (0.69 ÎWÎ 0,39 -0,12 Ь',43 0,19 1,00

РК8 -0,10 0,01 0,31 -0,07 0,03 0,08 0,00 1,00

РК9 -ОМ 0,06 0,34 -0,06 0,30 0,23 0,25 0,11 1,00

РК10 -0,05 0,00 0,10 -0,01 0 05 0,00 0,00 0,09 0,05 1,00

РК11 -0,03 -0,01 -0,01 0,04 0,04 -0,02 -0 02 -0,03 -0,01 |Ь,48 1,00

KPU V -0,31 0,20 -0,06 -0,10 0,02 0,05 0,33 -0,07 0,02 -0,02 0,02 1,00

KPU L -0,12 0,01 ш -0,12 0,01 0,02 0,14 0,32 0,19 0,15 -0,03 -0,38 1,00

KPU О -0,40 0,21 ш -0,19 0,02 0,07 P.4-S 0,18 0,17 0,09 0,00 Р,63 bAÎ 1,00

PCAR 0,03 0,10 0,05 0,05 -0,16 0,19 -0,19 0,26 -0,07 0,37 0,26 -0,06 0,08 0,00 1,00

РРО кч £0,49 0,13 -0,33 -0,38 fco, -0,10 ИЗ,42 -0,05 0,00 -0,38 -0,27 «>,59 0,05 1,00

PTIP Kl,48 шм 0,11 -0,06 -0,31 -0,08 -0,30 -0,04 0,02 -0,37 -0,33 rí>¡?í -0,02 0 95 1,00

Рис 1 Сеть взаимосвязей элементов лесопирологической системы

Сформирован список противопожарных профилактических мероприятий (таблица 8)

Таблица 8

_Список противопожарных профилактических мероприятий_

Предикатный символ * М1 > , М2 3 XI3 М4 * Л/5 Мб Л/7 Противопожарное профилактическое мероприятие Создание барьеров Устройство дорог противопожарного назначения Коды всех существующих мероприятий 1-15 исключая 3 Снижение густоты хвойного молодняка на поносе 30 м по границам выделов Уста нов га плакатов противопожарного назначения Участки, нуждающиеся в усиленном патрулировании Создание сети противопожарных водоемов и заборов воды

Л/8 Снижеше Г)стоты противопожарного подроста на полосе 30 м по границам выделов

М9 Поднятие низкоопущепкыч крон деревьев на полосе 30 м. по границам выделов

M1Q Уборка захламленности и мусора на полосе 30 м по границам выделов

ми Уборка сухостоя на полосе 30 м по грапицам выделов

М12 Снижение густоты подлеска на полосе 30 м по границам выделов

М13 ми 'mis Увеличение доли лиственных пород на полосе 30 м по границам выделов до 4 единиц состава Снижение полноты насаждений на потссе 30 м. по границам выделов Создание минерализованных полос в культурах с возрастом меньше 10 лет

В логико-лингвистических моделях мероприятий по снижению природной пожарной опасности используются одноименные предикатные символы

Ниже приводятся краткое описание некоторых мероприятий и их модели из 15 имеющихся

Снижение г}стоты хвойного молодняка до 6 единиц состава по границам выдслов па полосе 30 метров Это мероприятие проводится в выделах с высокополнотными молодняками сосны, кедра, пихты естественного происхождения и описывается четырехместным предикатом

M4(katz,vozr,prep,poln), (15)

где katz&KATZ, КЛ'¡7. ^{естественные насаждения}, vozreVOZR, VOZR={M}, prep ¡в PREP, PREP {С,К,Щ, polnePOLN, POLN={2}

Поднятие пизкоопущепных кроп деревьев на полосе 30 м. по границам выделов. Для участков с преобладающей породой «пихта» при отсутствии или наличии темночвойной сопутствующей породы, для сосны, лиственницы, кедра при наличии темнохвойной сопутствующей породы Модель мероприятия описывается двухместным предикатом M9(prep,sopp) и после означивания запишется в виде формулы предикатов

М9 (prep.T) vM9 (II.sopp), (16)

гдеprepePREP, PREP={C,IlJif, sopp eSOPP, SOPP={H,Tj

Снижение полноты насаждений до 6 единиц состава по границам выделов па полосе 30 метров. Мероприятие назначается на участках с высокополнотными преобладающими породами сосны, кедра, пихты, где нет сопутствующей породы Модель мероприятия описывается трехместным предикатом

M14(prep,sopp,poln), (17)

где prep е PREP, PREP {С,К,II}, sopp eSOPP, SOPP {Ii}, polnePOLN, POLN={2}

В главе 6 приводится схема создания ГИС-ориентированного программного комплекса и результаты его функциошфования Ориентация на исследование средствами машинного эксперимента, позволяет добиваться высокой степени подробности при выборе переменных и параметров модели Совокупность компьютерных программ и алгоритмов, создана в среде приложения MS Access и реализована на языке Visual Basic Исходные и расчетные данные хранятся в файлах формата dBASE с целью их картографирования в приложении Arc View GIS 3 2 Рассчитываются значение 11 базовых элементов системы (компоненты вектора состояния) ддя выдела, виды вероятных пожаров по 3 периодам пожароопасного сезона, а именно, на весну, лето и осень Приводится фрагмент карты распределения видов вероятных пожаров на весну по кварталу № 6 объекта на (рис 2)

По математическим моделям рассчитывается пирологический тип насаждений выдела На объекте, как правило, реализуются меньше 15 типов

Например, на объекте с 309В выделами реализуется 572 вектора состояния системы и 14 пирологических типов.

Условные обозначения: /\/ Граница кварта г ов ! I Граница выделав

Нет пожара Нютой напочвенный Ниэвой аалежно-капочвенный Ниэвой подлесно-иапочвенн31й Ниэвой по д л есн о-ва л ежно-нэ почвенный Почвенный (торфяной) ..__„г, Пожар в несомкну вши хся культурах I Верховой {распространение; ■Р Верховой (возникновение и распространение; Почзенно-верховой

Рис. 2. Фрагмент карты видов вероятных пожаров в весенний период пожароопасного сезона но вы делам

Совокупность участков, агрегируемых по критерию опасности возникновения различных видов вероятных лссных пожаров и их последствий, определяет классы природной пожарной опасности (4 класса), которые позволяют оценить допустимость воздействия огня на различных участках леса (рис. 3).

Условные обозначения;

Л/Граница кварталов \ j Граница выдегюв Классы природной пожарной опасности ЩН пожар недопустим ВШ8 пожар допустим fSx'i пожар желателен \ | пожар невозможен

Рис. 3, Фрагмент карты природной пожарной опасности лесов Средствами приложения Arcview объединяются смежные выдела с одинаковыми классами природной пожарной опасности. После агрегирования формируются новые полигоны с площадью до нескольких кварталов. Такая карта может служить информационной поддержкой при планировании маршрутов авианатрулирования, при оценке необходимости и/или очередности тушения лесного пожара (рис, 4),

Факторы внешнего воздействия задаются набором мероприятий, которые описываются соответственно предикатами Ml, М2,.... М15. Программа рассчитывает рекомендуемые мероприятия па выделе с учетом вектора состояния

системы, вида вероятного пожара, экологической и хозяйственной ценности насаждений на выделе (рис. 5).

Рис. 4. Карта классов НПО с учетом агрегирования выделов

Рис. 5. Визуализация мест проведения противопожарных профилактических мероприятий в квартале 6 лесохозяйственного объекта Выбором и назначением мероприятий достигаются цели лесоштрологической системы: снижение природной пожарной опасности участка лесного фонда, предупреждение возникновения, содействие процессу тушения лесных по-

А/ Граница кварталов Г_! Граница выделов

Места проведения противопожарных мероприятий Х///4 Создание минерализованны к полос

Снижение густоты пожароопасного подроста Снижение полноты каса>едений Увеличение доли лиственных порея щ Установка плакатов противопожарного назначения

Условные обозначения:

жарой. I lo результатам расчета ЛС проводятся различные выборки распределения площади (рис. 6)._

Рис, 6. Выборка распределения площади объекта по векторам состояния системы, видам вероятных лесных пожаров, пирологаческим типам, классам природной пожарной опасности В главе 7 проводится экспортная оценка адекватности моделей видов вероятных лесные Йожаров. Статистическая оценка расхождений, наблюдаемых между эмпирическими (экспертными) и теоретическими или ожидаемыми частотами вариационного ряда, производилась с помощью критерия согласия % 2 (хй-квадрат). На множестве выделов случайным образом выбраны 32 выдела со средневозрастными, приспевающими, спелыми и перестойными естественными насаждениями. 11ервая выборка представляла оценки экспертов видов вероятных пожаров по таксационным данным. Вторая выборка представляет про-[раммно рассчитанный вид вероятного пожара весной (рис. 7). Так как фактическая величина критерия хи-квадрат 0.67 не превосходит его критическою значения 6.0 при уровне вероятности 0.95, нулевая гипотеза сохраняется; небольшие расхождения между частотами экспертными и вычисленными следует признать случайными (Лакин, 1973|

Опытво-производственная проверка в Мининском опытном лесхозе Красноярского края также показала, что компьютерная оценка пиролошческих характеристик участков и назначения профилактических противопожарных мероприятий отличается высокой стспеныо соответствия. В диссертации акт проверки прилагается.

щь

япй,. ILjjr

fft^S'äm: ■ vi: л

Рис. 7. Форма повыдельпого анализа расчетов лесолирологической системы

В заключении представлены следующие научные результаты:

- создана морфологическая карта для генерирования альтернатив состояний лесопирологической системы;

- разработан алгоритм трансформации лесотаксациошшх данных в лесо-нир о логические;

- созданы математические модели пир о логических типов лесов, природной пожарной опасности, видов вероятных лесных пожаров и модели снижения природной пожарной опасности для таксационного выдела;

- создан ГИС-ориентированный программный комплекс для реализации трансформации таксационных данных в лесопирологические, анализа пи-рол огичес кой структуры и планирования снижения природной пожарной опасности лесов.

Основные результаты исследований по теме диссертационной работы представлены в следующих работах

3, Михалёв, Ю.А. Лесопиро логическая информационная система / Ю.А. Михалёв, Л.М. Ряполова, E.H. Фёдоров, А.Н. Борисов, Л.П. Золотухина // Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: мат. межд. науч.-пр. конф. / Изд-во Том. ун-т-Томск, 2003. -С. 150-151.

2. Михалёв, Ю.А. Лесопирологическая информационная система / Ю.А. Михалёв, Л.М. Ряполова, А.Н. Борисов, E.H. Фёдоров, Л.П. Золотухина //Охрана лесов от пожаров, лесовосстановление и лесопользование: сб. науч. ст. / ФГУ «ВНИИПОМлесхоз», ИТТЦ КГГУ.- Красноярск, 2063. - С. 69-79.

3 Михалев, Ю А Классификация лесных территорий по видам вероятных пожаров / ЮА Михалев, JIM Ряполова, ЕН Федоров, ЛП Золотухина //Охрана лесов от пожаров, лесовосстановление и лесопользование сб науч ст /ФГУ «ВНИИПОМлесхоз»,ИЩК1ТУ-Красноярск, 2003-С 79-83

4 Ряполова, JIM Противопожарное об>стройство лесов, примыкающих к населенным пунктам и другим объектам в лесу / JIМ Ряполова, Ю А Михалев, JIП Золотухина // Охрана лесов от пожаров, лесовосстановление и ле-сопользовашге сб науч ст / ФГУ «ВНИИПОМлесхоз» ИПЦ КГГУ - Красноярск, 2003 -С 94-97

5 Ряполова, JI М Лесопирологические ГИС - основа проектирования противопожарных профилактических мероприятий / Л М Ряполова, Ю А Михалев, Л П Золотухина // Современные методы математического моделиро-вашга природных и антропогенных катастроф Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера тр научных конференций, т 1/ИВМ СО РАН-Красноярск, 2003 -С 207-213

6 Золотухина, Л П Оценка и моделирование природной пожарной опасности лесов / Л П Золотухина, Ю А Михалев, Л М Ряполова // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии мат межд конф / Изд-во Том унта - Томск, 2004-С 104-105

7 Михалев, Ю А Пирологаческая классификация при лесоустройстве/ Ю А Михалев, Л M Ряполова, А H Борисов, Л П Золотухина // Лесн такс и ле-соустр - 2004 - №1 - С 70-75

8 Борисов, А Н Оценка пожарной зрелости напочвенного покрова на базе ле-сопирологической ГИС /АН Борисов, Ю А Михалев, Л П Золотухина, В Б Марецкий //Лесные и степные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия мат 6-й межд конф / Изд-во Том yir-та -Томск, 2005 - С 22-23

9 Михалев, Ю А Защита лесных поселков от огня с использовшшем ГИС-технологий /ЮА Михалев, Л M Ряполова, А H Борисов, Л П Золотухина // Лссиые и степные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия мат 6-й межд конф / Изд-во Том ун-та -Томск,2005 -С 79-80

10 Михалев, 10 А Оценка природной пожарной опасности участков лесного фонда на основе ГИС-техно тогий / 10 А Михалев, Л П Золотухина //Лесной и химический комплекс всерос науч практич конф / СибГТУ -Красноярск, 2005-т 2-С 272-277

11 Михалев, Ю А Принципы пирологической классификации земель лесного фонда с использовшшем лесных ГИС /ЮА Михалев, Л М Ряполова, А H Борисов, Л П Золотухина// Лесн хоз-во - 2006 - № 2 - С 44-45

12 Золотухина, Л П Учет антропогенной нагрузки при подготовке территории лесною фонда к пожароопасному сезону / Л П Зототухина, Ю А Михалев, А II Борисов, В Б Марецкий// Охрана лесов от пожаров, лесовосстановление и лесопользование сб науч -техн ст / ФГУ «ВНИИПОМлесхоз» -Красноярск, 2006 - С 25-33

Золотухина Любовь Прокопьевна

Система оценки и снижения природной пожарной опасности южно-таёжных лесов восточной Сибири

Автореферат диссертации

Подписано в печать 18 04 2007г Формат 60x84/16 Уч год листов 0,95 Тираж 100 экз

Отпечатано в типографии «ДарМа-печать» Заказ № 262

660036 г Красноярск, Академгородок, 50/28, офис 156

Золотухина Любовь Прокопьевна

Система оценки и снижения природной пожарной опасности южно-таёжных лесов восточной Сибири

Автореферат диссертации

Подписано в печать 18 04 2007г Формат 60x84/16 Уч изд листов 0,95 Тираж 100 экз

Отпечатано в типографии «ДарМа-печать» Заказ № 262

660036 г Красноярск, Академгородок, 50/28, офис 156

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Пожарная опасность лесов.

1.2. Зарубежный и отечественный опыт моделирования пожарной опасности.

2. ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛЕСОТАКСАЦИОННЫХ ДАННЫХ ВЛЕСОПИРОЛОГИЧЕСКИЕ

2.1. Декомпозиция системы.

2.2. Номинальная шкала системы.

2.3. Морфологический анализ базовых элементов системы.

2.4. Трансформация лесотаксационных данных в лесопирологические.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИДОВ ВЕРОЯТНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ.

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИРОДНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ.

4.1. Логико-лингвистические модели пирологических типов.

4.2. Логико-лингвистические модели классов природной пожарной опасности.

5. ОЦЕНКА И СНИЖЕНИЕ ПРИРОДНОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ.

5.1. Сеть взаимодействий.

5.2. Логико-лингвистические модели мероприятий по снижению природной пожарной опасности.

6. ГИС - ОРИЕНТИРОВАННЫЙ ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС.

6.1. Схема создания программного комплекса.

6.2. Блок трансформации лесотаксационных данных в лесопирологические.

6.3. Блок определения видов вероятных лесных пожаров.

6.4. Блок оценки пирологических типов леса, природной пожарной опасности.

6.5. Блок выбора и назначения противопожарных профилактических мероприятий.

7. ЭКСПЕРТНАЯ ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИ.

Актуальность

Охрана лесов от пожаров является важнейшим направлением государственной политики, обеспечивающим экологическую безопасность страны и сохранение ресурсного потенциала лесов. Одним из важных направлений реализации этой политики является противопожарная профилактика и противопожарное устройство лесов. По мнению ведущих специалистов [Н.П. Курбатский, 1972], ущерб от пожаров может быть значительно снижен за счет совершенствования работ в данном направлении.

Профилактика включает в себя мероприятия, направленные на снижение природной пожарной опасности в лесах, предупреждение возникновения, распространения, развития лесных пожаров и создание условий для их тушения на ограниченной площади. Противопожарное устройство лесов предполагает формирование в лесах системы противопожарных разрывов и барьеров, создание устойчивых к огню насаждений и ряд других мероприятий, затрудняющих возникновение и распространение пожаров.

Указанные проблемы носят системный характер и требуют для своего решения проведения научных исследований, в том числе разработки математических моделей, а также создания современных информационных систем и систем поддержки принятия решений, осуществляющих планирование, назначение, организацию и проведение работ по профилактике лесных пожаров.

Ядром указанных систем должны стать лесопирологические геоинформационные системы, позволяющие проводить подробный (до уровня отдельного выдела) анализ пирологических характеристик лесов, оценку вероятных видов лесных пожаров и их последствий, выбор и назначение мероприятий по предупреждению возникновения, распространения, развития лесных пожаров и способствующих их оперативному тушению.

В настоящее время разработка подобных систем является актуальной задачей.

Цель и задачи работы

Целью работы является создание комплекса математических моделей, информационных и программных средств для управления природной пожарной опасностью лесов и разработка на этой основе системы мероприятий по ее снижению применительно к южно-таежным лесам Восточной Сибири. Основными задачами исследования являются:

- разработка методики и алгоритма создания лесопирологических описаний лесов на основе трансформации таксационных и картографических данных лесоустройства;

- построение моделей пирологических типов лесов, природной пожарной опасности и видов вероятных лесных пожаров;

- разработка технологии выбора и назначения мероприятий по снижению природной пожарной опасности участков лесного фонда;

- создание ГИС-ориентированного программного комплекса для реализации перечисленных выше задач.

Научная новизна

1. Впервые разработана морфологическая карта базовых элементов (компонентов вектора состояния) системы на основе политомической классификации. Состояние участка леса предлагается определять вектором со следующими компонентами:

• категория земель (РК1),

• возраст насаждения (РК2),

• тип напочвенного покрова (РКЗ),

• экспозиция и уклон местности (РК4),

• преобладающая древесная порода (РК5),

• сопутствующая древесная порода (РК6),

• полнота насаждений (РК7),

• наличие пожароопасного подроста (РК8),

• наличие пожароопасного подлеска (РК9).

• наличие пожароопасного сухостоя (РК10),

• наличие захламленности (РК11).

2. Разработан алгоритм трансформации таксационных данных в лесопиро-логические с детальностью описания до отдельного выдела.

3. В 11-мерном пространстве базовых элементов разработаны математические модели: пирологических типов леса; классов природной пожарной опасности; видов вероятных лесных пожаров по периодам пожароопасного сезона; правил управления природной пожарной опасностью. ^

4. Создана ГИС-ориентированная система для оценки вектора состояния и реализации моделей лесопирологической системы

Практическая значимость

Полученные модели учитывают особенности участков лесного фонда, их экологическую, хозяйственную ценность, они позволяют повысить эффективность профилактики лесных пожаров. Разработанная ГИС - ориентированная система позволяет создавать эффективные проекты противопожарного устройства лесов. При некоторой модификации система может быть использована в других регионах Российской Федерации. Защищаемые положения.

Для эффективного управления природной пожарной опасностью лесов оценку пирологической структуры лесов и их противопожарное устройство следует проводить с использованием лесных ГИС на уровне вплоть до таксационного выдела.

Специализированная лесопирологическая ГИС - ориентированная система является эффективным инструментом оценки природной пожарной опасности лесов и проектирования противопожарных профилактических мероприятий. Реализация результатов.

Результаты исследований использованы при выполнении планов НИР по 18 темам во Всероссийском НИИ пожарной охраны и механизации лесного хозяйства (ВНИИПОМлесхозе). Разработанный подход использован в 13 проектах противопожарного устройства лесов, прилегающих к поселкам и объектам экономики Красноярского края. Проекты переданы администрациям районов для практического внедрения.

Личный вклад автора. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат: разработка методики и алгоритма трансформации таксационных описаний и его программная реализация; логико-лингвистические модели ле-сопирологической системы; средства для создания и сопровождения электронной базы данных, анализа расчетных данных; разработка ГИС -ориентированной системы для создания проектов противопожарного устройства лесов.

Апробация работы.

Основные материалы диссертационной работы были представлены на всероссийских конференциях: «Химико-лесной комплекс - проблемы и решения» (Красноярск: СибГТУ, 2002); «Проблемы защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (Красноярск, 2003); 5-ая Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003); Международная конференция «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск, 2004); - Всероссийская научно-практическая конференция «Лесной и химический комплекс» (Красноярск, 2005); 6-ая Международная конференция «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2005).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них 1- в центральной печати, 5- в сборниках материалов международных конференций.

Структура работы. Диссертация изложена на 136 страницах, состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, четырех приложений. Работа содержит 18 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 122 наименований, из них 25 на иностранном языке. Общий объем приложений составляет 14 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе разработана морфологическая карта базовых элементов (компонентов вектора состояния) системы на основе политомической классификации. Состояние участка леса предлагается определять вектором со следующими компонентами:

• категория земель (РК1),

• возраст насаждения (РК2),

• тип напочвенного покрова (РКЗ),

• экспозиция и уклон местности (РК4),

• преобладающая древесная порода (РК5),

• сопутствующая древесная порода (РК6),

• полнота насаждений (РК7),

• наличие пожароопасного подроста (РК8),

• наличие пожароопасного подлеска (РК9).

• наличие пожароопасного сухостоя (РК 10),

• наличие захламленности (РК 11).

Разработан и реализован алгоритм трансформации лесотаксационных данных в лесопирологические, с детальностью описания до отдельного выдела. В 11-мерном пространстве базовых элементов разработаны математические модели: пирологических типов леса; классов природной пожарной опасности; видов вероятных лесных пожаров по периодам пожароопасного сезона; мероприятий по снижению природной пожарной опасности. Созданы средства для создания и сопровождения электронной базы данных, анализа расчетных данных. Разработана ГИС - ориентированная система для оценки вектора состояния и реализации моделей лесопирологической системы. Экспертная оценка и опытно производственная проверка подтвердили адекватность моделей ЛС.

Лесопирологическая система учитывает особенности участков лесного фонда, их экологическую, хозяйственную ценность. Специализированная лесопирологическая ГИС - ориентированная система является эффективным инструментом оценки природной пожарной опасности лесов и проектирования противопожарных профилактических мероприятий для южно-таежных лесов Восточной Сибири. При некоторой модификации JIC может быть использована и в других регионах Российской Федерации.

Адекватность моделей по видам вероятного пожара подтверждена критерием согласия (хи-квадрат). Наземные полевые работы по проверке соответствия компьютерных оценок пирологических характеристик участков леса натурным в 2003 году совместно со специалистами лесного хозяйства Мининского лесхоза Красноярского края также подтвердили правдоподобие моделей.

Результаты исследований использованы при выполнении плана НИР по 18 темам во Всероссийском НИИ пожарной охраны и механизации лесного хозяйства (ВНИИПОМлесхозе). Разработанный подход использован в 13 проектах противопожарного устройства лесов, прилегающих к поселкам и объектам экономики Красноярского края. Проекты переданы администрациям районов для практического внедрения.

1. Антропов, В. П. Пожарами нужно управлять/ В. П. Антропов // Байкал.-2002.-№1.-С. 58-59.

2. Анцышкин, С. П. Противопожарные мероприятия в лесу / С. П. Анцыш-кин // Изд-во Министерства коммун, хоз-ва РСФСР 1956 - 75 с.

3. Арманд, Д. JI. Наука о ландшафтах /Д.Л. Арманд // Мысль 1975. - 141 с.

4. Архипов, В. А. Пирологическая характеристика ландшафтовых зон Казахстана /В. А. Архипов //Лес. хоз-во.-1988 № 8.-С. 50-52.

5. Арцыбашев, Г. С. Основные задачи лесной пирологии /Г. С. Арцыбашев //Горение и пожары в лесу. Красноярск, 1984. - С. 5-7.

6. Астафьев, А. А. Факторы лесных пожаров, методы профилактики и тушения /А. А. Астафьев //Охрана лесов от пожаров в современных условиях: мат. межд. научн.-практ. конф. /Изд-во краев.психиатр. больницы Хабаровск, 2002-С. 13-16.

7. Бешелев, С.Д. Математико-статистические методы экспертных оценок /С.Д. Бешелев, Ф.Г. Гурвич // Статистика- 1980 262 с.

8. Валендик, Э.Н. Борьба с крупными лесными пожарами /Э.Н. Валендик// Наука-Новосибирск, 1990.- 193 с.

9. Валендик, Э.Н. Условия развития пожаров /Э.Н. Валендик // Крупные лесные пожары: сб. науч. тр./Наука. -Москва, 1979. С. 4-26.

10. Валендик, Э.Н. Стратегия охраны лесов Сибири от пожаров /Э.Н. Валендик //Лесное хозяйство 1996 - №3 - С. 12-15.

11. Волокитина, А. В. Автоматизированное составление пирологических описаний по материалам лесоустройства / А. В. Волокитина, Т.М. Тартаков-ская, Э.Г. Шевчук, О.И. Левкина // Лесные пожары и борьба с ними: сб. науч. тр/ ВНИЛМ- Москва,1988- С. 44-55

12. Вонский, С.М. Определение природной пожарной опасности в лесу/ С.М. Вонский и др.//Методические рекомендации-Л.: ЛенНИИЛХ, 1975 38 с.

13. Выводцев, Н.В. Критерии для определения зон первоочередной охраны лесов от пожаров/ Н.В. Выводцев// Охрана лесов от пожаров в современных условиях: мат. межд. научн.-практ. конф. /Изд-во краев.психиатр. больницы Хабаровск, 2002 - С. 27-31.

14. Гельман, В.Я. Решение математических задач средствами Excel / В.Я. Гельман. СПб.: Питер, 2003.- 237 с.

15. Горстко, А.Б. Модели управления эколого-экономическими системами/ А.Б. Горстко, Ю.А. Домбровский, Ф.А. Сурков-М. : Наука, 1984.-117 с.

16. Гришин, A.M. Общие математические модели лесных и торфяных пожаров и их приложения / A.M. Гришин //Успехи механики 2002 - Т.1.-№4- С.41-89.

17. Гришин, A.M. Природные пожары в XXI веке: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия/ A.M. Гришин // материалы 5-й Международной конференции /Изд-во Том. ун-та.-Томск, 2003,- С. 85-86.

18. Джефферс, Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии/ Дж. Джефферс -М.: Мир, 1981.-256 с.

19. Джонс, Дж. К. Методы проектирования/ Дж. К. Джонс -М.: Мир, 1986326 с.

20. Доррер, Г.А. Математические модели динамики лесных пожаров / Г.А. Доррер.-М.: Лесная промышленность, 1979 181 с.

21. Доррер, Г.А. Модель суточной динамики влагосодержания проводников горения / Г.А. Доррерв //Лесные пожары и их последствия Красноярск: ИЛ и ДСОАН СССР, 1985.—С. 110-124.

22. Душа-Гудым, С.И. Системы противопожарного устройства лесов на территориях с естественным радиационным фоном и в условиях радиоактивного загрязнения/ С.И. Душа-Гудым // Автореферат на соискание уч. степени доктора с.-х. наук Москва, 1998. - 77 с.

23. Егармин, П.А. Система детальной оценки пожарной опасности лесной территории /П.А. Егармин // Автореферат канд. диссертации Красноярск, 2005. - 21 с.

24. Ершов, Ю.Л. Математическая логика/ Ю.Л.Ершов, Е.А. Палютин М.: Наука, 1979.-320 с.

25. Загоруйко, Н.Г. Алгоритмы обнаружения эмпирических закономерностей/ Н.Г. Загоруйко, В.Н.Елкина, Г.С. Лбов Новосибирск: Наука, 1985

26. Заде, Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений/ Л. Заде.-М.: Мир, 1976 165 с.

27. Золотухина, Л.П. Оценка и моделирование природной пожарной опасности лесов / Л.П. Золотухина, Ю.А. Михалёв, Л.М. Ряполова // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: мат. межд. конф./ Изд-во Том. ун-та- Томск, 2004.-С. 104-105

28. Иванова, Г.А. Пожарные режимы в бореальных лесах Средней Сибири / Г.А. Иванова// Охрана лесов от пожаров в современных условиях: мат. межд. научн.-практ. конф. /Изд-во краев.психиатр. больницы Хабаровск, 2002.-С. 218-222.

29. Инструкция по определению ущерба, причиненного лесными пожарами. -М.: Федеральная служба лесного хозяйства России, 1998.-30 с.

30. Клини, С. Математическая логика / С. Клини. -М.: Мир, 1973 478 с.

31. Колесников, Б. П. Лесорастительные условия и лесохозяйственное районирование Челябинской области/ Б. П. Колесников // Вопросы восстановления и повышения продуктивности лесов Челябинской области-Свердловск, 1961.-С. 3-41.

32. Кузнецов, И.П. Механизмы обработки семантической информации/ И.П. Кузнецов-М.: Наука, 1978 175 с.

33. Курбатский, Н. П. Техника и тактика тушения лесных пожаров / Н. П. Курбатский.-М.: Гослестехиздат, 1962. 154 с.

34. Курбатский Н.П. Некоторые вопросы стратегии, тактики и техники охраны леса /Н. П. Курбатский //Вопросы лесной пирологии / ИЛиД СО АН СССР.-Красноярск, 1972.-С. 119-130.

35. Курбатский Н.П. Исследование количества и свойств лесных горючих материалов //Вопросы пирологии. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР, 1970. -С. 5-58.

36. Курбатский, Н.П. Прогнозирование лесных пожаров с помощью ЭВМ/ Н.П. Курбатский, Б.И. Дорогов, Г.А. Доррер // Лесное хозяйство 1976.— №7 - С.51-55.

37. Лакин, Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин.-М.: Высшая школа, 1973. 342 с.

38. Лбов, Г.С. Методы обработки разнотипных экспериментальных данных / Г.С. Лбов. Новосибирск: Наука, 1981.- 157 с.

39. Лесное хозяйство. Терминологический словарь /Под общ. ред. А.Н. Фи-липчука.- М.: ВНИИЛМ, 2002. 480 с.

40. Матвеев, П.М. Последствия пожаров в лиственничных биогеоценозах на многолетней мерзлоте /П.М. Матвеев //Автореф. дис. . д-ра с.-х. наук. -Йошкар-Ола, 1992.-49 с.

41. Мелехов, И. С. Лесная пирология: учебное пособие для студентов лесохо-зяйственных факультетов/И. С. Мелехов.-М.: МЛТА, 1979 вып. 2.-80 с.

42. Мелехов, И.С. Природа леса и лесные пожары/ И. С. Мелехов-Архангельск, 1947. 60 с.

43. Миркин, Б. Г. Анализ качественных признаков/ Б. Г. Миркин М.: Статистика, 1976.-168 с.

44. Михалёв Ю.А., Ряполова Л.М. Оценка пирологической структуры земель лесного фонда //Охрана лесов от пожаров лесовосстановление и лесопользование: сб. науч. ст. ФГУ ВНИИПОМлесхоз».- Красноярск: ИПЦ КГТУ. 2003.-С. 84-94.

45. Михалев, Ю.А. Методические основы профилактики лесных пожаров на основе ГИС-технологий/ Ю.А. Михалев, Е.Н.Федоров, Л.М. Ряполова // Лес. Таксация и лесоустройство 2001 - №1- С. 92-95

46. Михалёв, Ю.А. Оценка природной пожарной опасности участков лесного фонда на основе ГИС-технологий / Ю.А. Михалёв, Л.П. Золотухина //Лесной и химический комплекс: всерос. науч. практич. конф./ СибГТУ-Красноярск, 2005-Т.2.-С. 272-277.

47. Михалёв, Ю.А. Пирологическая классификация при лесоустройстве/ Ю.А. Михалёв, Л.М. Ряполова, А.Н. Борисов, Л.П. Золотухина // Лесн. такс, и лесоустр.-2004.-№1 С. 70-75.

48. Михалёв, Ю.А. Принципы пирологической классификации земель лесного фонда с использованием лесных ГИС / Ю.А. Михалёв, Л.М. Ряполова, А.Н. Борисов, Л.П. Золотухина// Лесн. хоз-во. 2006 - № 2 - С. 44-45.

49. Молчанов, А.А. Влияние лесных пожаров на древостой /А.А. Молчанов // Тр. Ин-та леса АН СССР. -М.: Изд-во АН СССР, 1954-Т. 16-С. 314-355.

50. Нестеров, В.Г. Горимость леса и методы ее определения /В.Г.Нестеров-М.: Гослесбумиздат, 1949 76 с.

51. Нестеров В.Г. Пожарная охрана леса. Лесное пожароведение /В.Г.Нестеров. М.: Гослестехиздат, 1945. - 176 с.

52. Одрин, М.В. Морфологический анализ систем/ М.В. Одрин, С.С. Картавое. Киев: Наукова думка, 1977.

53. О мерах по совершенствованию борьбы с лесными и торфяными пожарами: мат. науч.-практ. конф. /Изд-во ВНИИПО Москва, 2002 - 231 с.

54. Опнер, С.Л. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем/ С.Л. Опнер.-М.: Сов. Радио, 1969.

55. Павлов, И.Н. Геоинформационные технологии в лесном хозяйстве и лесоустройстве / И.Н.Павлов, С.Л.Шевелев, В.В. Кузьмичев.- Красноярск: СибГТУ, 2001.-151 с.

56. Перегудов, Ф.И. Введение в системный анализ/ Ф.И. Перегудов, Ф.П. Та-расенко. -М.: Высшая школа, 1989 367 с.

57. Плешиков, Ф. И. Геоинформационные технологии в решении задач оценки экологического состояния лесов / Ф. И. Плешиков, В.П. Черкашин //Сибирский экологический журнал. 1998. -№ 1. - С. 11-18.

58. Поспелов, Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления /Д.А. Поспелов.-М.: Энергоиздат, 1981.-232 с.

59. Поспелов, Д.А. Ситуационное управление. Теория и практика /Д.А. Поспелов-М.: Наука, 1986.-388 с.

60. Сапожников, А.П. Об оценке пожарной ситуации /А.П. Сапожников //Охрана лесов от пожаров в современных условиях: мат. межд. науч.-практ. конф. / Изд-во краев, психиатр, больницы. Хабаровск, 2002.-С. 97-100.

61. Смит, Дж. М. Модели в экологии/ Дж. М. Смит. -М.: Мир, 1976.

62. Софронов, М.А. Типы основных проводников горения при низовых пожарах / М.А. Софронов, А.В. Волокитина// Лесной журнал. 1985. - № 5. -С. 12-17.

63. Софронов, М.А. Система пирологических характеристик и оценок как основа управления пожарами в бореальных лесах / М.А. Софронов .- Институт леса СО РАН Красноярск, 1998 - 60 с.

64. Софронов, М.А. О противопожарном устройстве лесной территории /М.А. Софронов, А.В. Волокитина // Лес. Хоз-во. 2002. - № 5. - С. 45-47.

65. Софронов, М.А. Пожарная опасность в природных условиях /М.А. Софронов и др. Красноярск: Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 2005.-320 с.

66. Софронов, М.А. Пирологическая характеристика растительности в верхней части бассейна р. Турухан / М.А. Софронов // Лесные пожары и борьба с ними : сб. науч. тр.-М.: ВНИИЛМ, 1988 С. 106-117.

67. Сухинин, А. И. Картирование и краткосрочное прогнозирование пожарной опасности в лесах Восточной Сибири по спутниковым данным / А. И. Сухинин, Е.И. Пономарев// Сибирский экологический журнал 2003 -Т. 10.-№6.-С. 669-675

68. Тетюхин, С. В. Использование ГИС-технологий в охране лесов от пожаров/ С. В. Тетюхин, В. Н. Минаев //Охрана лесов от пожаров в современных условиях: мат. межд. науч.-практ. конф. / Изд-во краев, психиатр, больницы. Хабаровск, 2002 - С. 113-115.

69. Фуряев, В.В. Вопросы исследований последствий пожаров и применение огня в лесном хозяйстве / В.В. Фуряев // Горение и пожары в лесу: мат. координац. совещ/ИЛиД СО АН СССР. Красноярск, 1973. - С. 181-196.

70. Фуряев, В.В. и др. Практические рекомендации по технологии и механизации работ по формированию пожароустойчивых молодняков / В.В. Фуряев. М.: МЛХ, 1987. - 28 с.

71. Фуряев В.В. Роль пожаров в процессе лесообразования / В.В. Фуряев. -Новосибирск: Наука, 1996,- 253 с.

72. Хагер, Н. Этапы формирования моделей / Н. Хагер // Эксперимент. Модель. Теория: сб.науч. тр.-М.: Наука, 1982.-333 с.

73. Цветков, П. А. Пирологические характеристики лиственничных лесов Эвенкии / П. А. Цветков. Лес. хоз-во.- 1998 - №6- С.45-47.

74. Цветков, П. А. Определение пожарной опасности в лесах Сибири / П. А. Цветков. Лес. хоз-во - 2002 - №5 - С. 43 -45.

75. Шешуков, М.А. К вопросу составления лесопожарных карт/ М.А. Шешу-ков//Сб. трудов ДальНИИЛХ- Хабаровск, 1966. С. 407-415.

76. Шешуков, М. А. Классификация лесных горючих материалов / М.А. Шешуков // Сб. науч. трудов.- М.: ВНИИЛМ, 1988.- 226 с.

77. Шешуков, М.А. и др. Рекомендации по формированию насаждений пожа-роустойчивой структуры / М.А. Шешуков- Хабаровск: ДальНИИЛХ, 1987.-19 с.

78. Шуктомов, Е.Ю. Проблемы мониторинга и прогноза лесных пожаров и пути их решения/ Е.Ю. Шуктомов// Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций и их источников: науч.-прак. конф. /Антистихия. Москва, 2002.-С. 285-293.

79. Югов А. Р., Выбор исходных данных для вычислительного процесса го-римости лесов с использованием ГИС- технологий /Югов А. Р.// Науч. Тр. Моск. Гос. Ун-т леса.- 2001.- № 309.- С. 97-99.

80. Accoff, R.L. The mismatch between educational systems and requirements for successful management / R.L. Accoff // Wharton Alumni Magazine, Spring-1986,-P. 10-12.

81. Albini, F.A. Colibration of a Large Fuel Bornout Model / F.A. Albini, J.K. Brown, E.D. Reinhardt, and R.D. Ottmar //International Journal of Wildland Fire.- 1995.-5(3).-P. 173-192.

82. Brown, J.K. Comparing the Prescribed Natural Fire Program With Presettle-ment Fires in the Selway-Bitterroot Wilderness/ J.K. Brown, S.F. Arno, S.W. Barrett, and J.P. Menakis // International Journal of Wildland Fire 1994-4(3).-P. 157-168.

83. Burgan, R.E. Fuel Models and Fire Potential from Satellite and Surface/ R.E. Burgan, R.W. Klaver, J.M. Klaver // International Journal of Wildland Fire-1998.-8(3).-P. 159-170.

84. Cheney, N.P. Prediction of Fire Spread in Grasslands/ N.P. Cheney, J.S. Gould, W.R. Catchpole // International Journal of Wildland Fire.- 1998.- 8(1).- P. 113.

85. Chladil, M.A. Assesing Grassland Moisture and Biomass in Tasmania- The Application of Remote Sensing and Empirical Models for aCloudy Environment/ M.A. Chladil, M. Nunez // International Journal of Wildland Fire-1995.-5(3).-P. 165-171.

86. Davis, K. P. Forest fire: control and use/ K. P. Davis //N. Y.; L.: Megdow -Hill Co.- 1959.-595 p.

87. Deeming, J.E. The National Fire Danger Rating System/ J.E. Deeming, G.W. Lancaster, M.A. Fosberg et al. //N.-Y.; London/Toronto, USDA Forest Ser-vice-1972 - 165 p.

88. Forestry Canada, Fire Danger Group. Development and structure of the Canadian Forest Fire Behavior Prediction System/ Science and Sustainable Development Directorate Inf. Rep. ST-X-3 .-Ottawa - 1992 - 63 p.

89. Fried J.S., Winter G.J., Gilless J. K. Assessing the Benefits of Reducing Fire Risk in the Wildland-Urban Interfase / J.S. Fried, G.J. Winter, J. K. Gilless // Acontingent Valuation Approach: Int Journal of Wildland Fire 1999 - 9(1).-P. 9-20.

90. Golldammer, J.G. Report of early warning for fire and other environmental hazards/ J.G. Golldammer et al. // UN International Decade for Natural Disaster Reduction Geneva, 1997 - 44 p.

91. Gouma, V. Wildland fire danger zoning a methodology /V. Gouma, A. Chronopoulou-Sereli // Int.J Wildland Fire.-1998.-8.-№l.-P. 37-43.

92. Grissino-Mayer, H.D. Modeling Fire Interval Data from the American Southwest with the Weibull Distrution / H.D. Grissino-Mayer // International Journal of Wildland Fire.- 1999.-9(1).- P. 37-50.

93. Kalabokidis, K.D. Reduction of Fire Hazard through Thinning/residue Disposal in the Urban Interface/ K.D. Kalabokidis, P.N. Omi // International Journal of Wildland Fire.- 1998.- 8(1).-P. 29-35.

94. McAlpine, R.S. Testing the Effect of Fuel Consumption on Fire Spread Rate/ R.S. McAlpine // International Journal of Wildland Fire.- 1995.- 5(3).- P. 143-152.

95. Mitroff 1.1. Why our pictures of the world do not work anymore. In: Lawer et al. (Eds) / Mitroff 1.1. //"Doing Research that is Useful for Theory and Practice".- Tossey-Boss San Francisco, 1985.

96. Nguyen, Phuc Tho Forest Fire Prevention, management and control in Vietnam/ Phuc Tho Nguyen //Fires, Laws and Regulations Towards Best Practice for Legal Aspects of Fires: Materials of International Conference - Hanoi, 2003.-P. 58-63.

97. Patrick, T. Aerial and Surface Fuel Consumption in Croun Fires / Patrick Т., Frank A. Albini. // International Journal of Wildland Fire 1997- 7(3).- P. 259-264.

98. Potter, B.E. Atmosperic Propeties Associated with Large WildFires/ B.E. Potter // International Journal of Wildland Fire.- 1996.- 6(2).- P. 71-76.

99. Richard, A. Wildland Fire Patch Dynamics in the Chaparral of Southern Coli-fornia and Northern Baja Colifornia/ A. Minnich Richard and Yue Hong Chou. // International Journal of Wildland Fire 1997 - 7(3).- P. 221-248.

100. Richards, G.D. The Mathematical Modelling and Computer Simulation of Wildland Fire Perimeter Grown Over a 3-Dimensional Surface / G.D. Richards // International Journal of Wildland Fire.- 1999.- 9(3).- P. 213-221.

101. Rothermel, R. C. A mathematical model for predicting fire spread in wildland fuels/ R. C. Rothermel //Ogden: USDA, Forest Service Research Paper Int-115.-Inter-Mauntain forest and range experiment Station-1972 - 40 p.

102. Van Wagner, C.E. Condition for the start and spread of crown fire/ C.E. Van Wagner//Canadian J. of forestry research 1977 - Vol.7.- P.23-24

103. Williams, R.J. Seasonal Changes in Fire Behaviour in a Tropical Savana in No-thern Australia/ R.J. Williams, A.M. Gill, P.H.R. Moore // International Journal of Wildland Fire.- 1998,- 8(4).- P. 227-239.

104. Wybo J. L. FMIS: a decision support system for forest fire prevention and fighting / J. L. Wybo // IEEE Trans. Eng.Manag.-1998.-45.- №2.- C. 127-131.123 АКТ