The report presents the results of a study of the spectral and texture characteristics of forest fires in the Republic of Buryatia on multispectral and panchromatic images of the Russian satellites Resource-P, Kanopus-V and Meteor-M from 2015-2016.
В докладе представлены результаты исследования спектральных и текстурных характеристик очагов лесных пожаров Республики Бурятия на мультиспектральных и панхроматических изображениях отечественных спутников Ресурс-П, Канопус-В и Метеор-М 2015-2016 гг.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, Ресурс-П, Канопус-В, Метеор-М, лесные пожары, спектральный анализ, текстура.
Введение. В настоящее время в рамках выполнения ФЦП «Федеральной космической программы России на 2016-2025 гг.» сформирована орбитальная группировка отечественных спутников, предназначенных для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Создана и непрерывно пополняется база спутниковых данных оптического диапазона Ресурс-П, Канопус-В, Метеор-М с широкими возможностями выбора по детальности и обзорности съемки [1, 2]. В связи с этим стали актуальными задачи масштабного внедрения методов ДЗЗ для решения разнообразных задач.
Для Республики Бурятия (РБ) наиболее актуально применение методов и возможностей ДЗЗ для информационной поддержки и решения таких задач лесного хозяйства как инвентаризация лесных ресурсов, мониторинг плановых и незаконных вырубок, лесопатологии, мониторинг лесных пожаров и т.д. [3]. Леса покрывают до 80% территории РБ, являясь основным компонентом биосферы и в глобальном и в региональном масштабах. На глобальном уровне леса играют важную роль в процессах сохранения водного баланса, поглощения углекислого газа, выработки кислорода и др. На региональном уровне леса являются основой биоразнообразия, средой обитания животного мира и людей, а также для отдыха и экономической деятельности населения. От правильной эксплуатации лесов зависит решение таких важных задач, как повышение продуктивности биосферы, рациональное использование земельных и водных ресурсов, получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур, обеспечение благоприятных условий для жизни человека и т.п. Из-за сложного рельефа и значительной протяженности территории около 60% лесов РБ может быть охвачено средствами наземного контроля или авиасъемки.
Огромный ущерб лесным ресурсам ежегодно наносят лесные пожары. Пожарная опасность и фактическая горимость лесов зависят от многочисленных природно-климатических и антропогенных факторов [4, 5]. Лесной фонд Республики Бурятия (РБ) в основном хвойный относится к классам I-III повышенной пожарной опасности (74.6%). В засушливые годы пожароопасный период достигает 70-85% от продолжительности сезона вегетации (апрель-октябрь) [6]. В среднем за год происходит 1117 лесных пожаров на площади порядка 85 тыс.га. Последние пики лесных пожаров пришлись на 2003 и 2008-2009 г.г., когда площадь пожаров достигала 100-200 тыс.га/год. Основными причинами возгорания считаются человеческий фактор (81,3%), грозы (14.1%) и сельскохозяйственные палы (4,6%) [5].
В последние три года 2015-2017 г.г. из-за отсутствия или незначительного количества осадков в период апрель-июнь, повышенной температуры вплоть до +40С, сильных ветров пожароопасная ситуация очень сложна. Несмотря на принимаемые меры и действие на всей территории РБ режима ЧС резко возросло как количество очагов пожаров, так и их площадь. Общая площадь, пройденная огнем только за первые три месяца (апрель-июнь), достигает значений порядка 100 тыс га.
До некоторой степени, такое положение обусловлено отсутствием надежных методов прогноза условий возникновения лесных пожаров, средств оперативного контроля и разведки, а также соответствующих систем автоматизированной обработки оперативной информации Характеристика оптических спутниковых данных по РБ. С 2015 г. ИФМ СО РАН стал получать на территорию РБ снимки оптического диапазона Ресурс-П, Канопус-В с пространственным разрешением от 0,7 до 30 м от НЦ ОМЗ АО «Российские Космические Системы». С 2016 г. мультиспектральные данные Метеор-М с пространственным разрешением 60 м. На рисунке 1 представлены схемы покрытия территории РБ оптическими данными Ресурс-П, Канопус-В за 2015-2016 г.г. и Метеор-М в августе 2016 г. Предварительный анализ показал значительное искажение спектральных и текстурных свойств большинства оптических снимков из-за высокой и неоднородной степени задымленности исследуемой территории в период лесных пожаров 2015-2016 г.г., в отдельных случаях до 80-100% площади снимка. Возможность локализации и исследования очагов лесных пожаров на таких снимках оказалась значительно ограниченной. В 2015 г. сезон пожаров продолжался с апреля по сентябрь, а в середине октября уже выпал снег, поэтому снимки пригодные для автоматизированной обработки единичны. В 2016 г. в результате обильных осадков 9-12 августа (2-3 нормы) сезон пожаров закончился раньше и снимки, полученные в конце августа и сентябре, оказались достаточно хорошего качества. Фактическая степень покрытия РБ снимками хорошего качества порядка 10-20%. Также необходимо отметить, что из-за большой площади очагов лесных пожаров зачастую на снимках с хорошим пространственным разрешением (не менее 10 м) попадает только 30-50% объекта исследования. Для получения общей картины поражения лесов пожарами на территории РБ наиболее оптимальны обзорные снимки Метеор-М, но с низким пространственным разрешением 60 м. Для этого оказалось достаточно 4-5 снимков.
а б Рис. 1. Схема покрытия Республики Бурятия данными: а – Ресурс-П (контуры красного цвета) и Канопус-В (белого цвета) за 2015-2016 гг.; б – Метеор-М в августе 2016 г.
Спектральный и текстурный анализ оптических данных по РБ. Для оценки последствий лесных пожаров сезонов 2015-2016 г.г. были сгенерированы мета-файлы с текстурными характеристиками панхроматических изображений, а также спектральные мета-файлы и проведен сравнительный анализ изображений, полученных до и после лесных пожаров периода 2015-2016 г.г.
На рисунке 2 представлены два фрагмента съемки Метеором-М Хоринского р-на РБ на 21 мая 2016 г. и 09 мая 2017 г. Лесистость данного р-на составляет 80,2%, общая площадь леса – 1158,6 тыс.га. На территории р-на 3 лесничества. Формулы породного состава: в Курбинском лесничестве – 4С3К3Лц+Ос; Верхне-Талецком – 8С2Лц+К+Б; Хоринском – 5С5Лц+К. На снимках хорошо видны зоны поражения леса пожарами в виде темных пятен неправильной формы: на первом снимке от очагов пожаров 2015 г., на втором и старые и новые, появившиеся в 2016 г.
Технология оценки потерь лесного фонда апробирована на примере Курбинского лесничества. Анализ данных Канопус-В и Ресурс-П, полученных в апреле-июне 2015 г. по данной и прилегающим территориям показал недостаточность информации для определения породного состава и других характеристик лесной растительности, отчасти из-за начальной фазы вегетативной деятельности (в апреле-мае), отчасти из-за сильного задымления вследствие начавшихся масштабных лесных пожаров (в мае-июне). Поэтому дополнительно были привлечены мультиспектральные и панхроматические снимки спутника SPOT6 от 13 сентября 2013 г., с пространственным разрешением 6 м и 1,5 м соответственно. Классификация произведена на основе спектральных характеристик 20-ти тестовых участков исследуемой территории методом SAM (Spectral Angle Mapper). Для устранения высокой степени раздробленности результатов классификации произведены дополнительные процедуры обработки с устранением изолированных пикселей, созданием замкнутых однородных областей площадью от 1 сотки и более (минимальная площадь лесных выделов) и слиянием близких по спектральным характеристикам классов.
а б Рис. 2. Старые и новые зоны поражения лесными пожарами на территории Хоринского р-на РБ на снимках Метеор-М (R – 0.83 мкм, G – 0.655 мкм, B – 0.555 мкм): а – 21 мая 2016 г.; б – 09 мая 2017 г.
Для локализации отдельных участков, пострадавших от лесных пожаров также использованы мультиспектральные и панхроматические снимки, полученные Ресурс-П 19 сентября 2015 г., с пространственным разрешением 25 м и 12 м соответственно.
Результаты классификации выполненных контролируемыми и неконтролируемыми методами по участкам лесных пожаров показали незначительные отличия. На основе спектральных характеристик и текстуры изображений выделены и векторизованы 3 кластера, соответствующих 3-м степеням повреждения лесной растительности. Кластер I включает в себя участки с высокой, кластер II – средней и кластер III – слабой степенью повреждений. На RGBизображениях эти зоны различаются степенью почернения участков, затронутых пожаром. Сравнение соответствующих показателей поврежденных и неповрежденных участков леса показало снижение в среднем яркости поврежденных пожаром лесных участков в зеленом диапазоне видимого спектра на 10–20%, на 40–50% в ближнем инфракрасном диапазоне. Значения усредненных характеристик рассеяния СКО снижаются на 40–60%. Также отмечены изменения текстуры панхроматических и мультиспектральных изображений поврежденных участков леса. По мере увеличения степени повреждений характерная для лесной растительности зернистость изображений слабеет для кластера III, малозаметна для кластера II и исчезает для кластера I. В частности, однородность изображений поврежденных участков леса возрастает в среднем на 10–45 % по сравнению с аналогичными показателями соседних участков незатронутого пожаром леса. Максимальные изменения происходят в красной зоне видимого спектра. А среднеквадратичное отклонение однородности снижается в среднем на 20–70%, с максимумом в зеленой зоне. На основе результатов классификации по породному составу по данным SPOT6 и локализации участков, пострадавших от лесных пожаров по данным Ресурс-П составлена сводная цифровая карта последствий лесных пожаров и выполнен статистический анализ потерь. На основе векторизации трех выявленных кластеров сгенерированы маски, которые затем применены для учета сгоревших лесных насаждений. Результаты статистического анализа, дифференцированные по степени повреждения и породному составу показали, что полностью выгоревший, отнесенный к зоне I, лес представлен в основном хвойными породами – 85%. При средней и малой степени повреждения, в зонах II и III, процентное соотношение хвойных пород значительно уменьшается до 53-65%. Суммарное распределение территорий слегка пострадавших от лесных пожаров по породному составу равномерно: темнохвойные – 31%, светлохвойные – 34%, лиственные – 35%.
Заключение. Спектральный и текстурный анализ спутниковых данных оптического диапазона Ресурс-П, Канопус-В, Метеор-М по территории Республики Бурятия в 2015-2017 гг. показал, что: в период массовых лесных пожаров спектральные и текстурные свойства оптических снимков значительно искажаются вследствие высокой и неоднородной степени задымления; для получения общей картины распространения пожаров по территории РБ наиболее оптимальны мультиспектральные снимки низкого пространственного разрешения (Метеор-М); на снимках с высоким разрешением (Ресурс-П и Канопус-В) очаги лесных пожаров на основе спектральных и текстурных характеристик можно дифференцировать на три типа, соответствующих степени повреждения лесной растительности; степень повреждений коррелирует с процентным содержанием хвойных пород, присутствие лиственных пород уменьшает вероятность полного выгорания и значительных повреждений: в зонах с почти полным выгоранием хвойных – 85%, в зонах со средней и слабой степенью повреждений хвойных от 53 до 65%.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-47-04386-р_сибирь_а).