=Paper=
{{Paper
|id=Vol-2033/21_paper
|storemode=property
|title=Спектральный и текстурный анализ спутниковых изображений очагов лесных пожаров Республики Бурятия на основе данных Ресурс-П, Канопус-В и Метеор-М
(Spectral and Textural Analysis of Satellite Images of the Forest Fires of the Republic of Buryatia on the Basis of Resource-P, Kanopus-V and Meteor-M Data)
|pdfUrl=https://ceur-ws.org/Vol-2033/21_paper.pdf
|volume=Vol-2033
|authors=Irina I. Kirbizhekova,Timen N. Chimitdorzhiev,Arkady K. Baltukhayev
}}
==Спектральный и текстурный анализ спутниковых изображений очагов лесных пожаров Республики Бурятия на основе данных Ресурс-П, Канопус-В и Метеор-М
(Spectral and Textural Analysis of Satellite Images of the Forest Fires of the Republic of Buryatia on the Basis of Resource-P, Kanopus-V and Meteor-M Data)==
https://ceur-ws.org/Vol-2033/21_paper.pdf
SPECTRAL AND TEXTURAL ANALYSIS OF SATELLITE IMAGES OF
THE FOREST FIRES OF THE REPUBLIC OF BURYATIA ON THE BASIS
OF RESOURCE-P, KANOPUS-V AND METEOR-M DATA
Irina I. Kirbizhekova, Tumen N. Chimitdorzhiev, Arkady K. Baltukhayev
Institute of Physical Material Science, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences,
Ulan-Ude, Russia
Abstract
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.
Keywords: remote sensing, Resource-P, Kanopus-V, Meteor-M, forest fires, spectral analysis,
texture
СПЕКТРАЛЬНЫЙ И ТЕКСТУРНЫЙ АНАЛИЗ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
ОЧАГОВ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ
РЕСУРС-П, КАНОПУС-В И МЕТЕОР-М
Кирбижекова И.И., Чимитдоржиев Т.Н., Балтухаев А.К.
Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ
В докладе представлены результаты исследования спектральных и текстурных характеристик
очагов лесных пожаров Республики Бурятия на мультиспектральных и панхроматических изображе-
ниях отечественных спутников Ресурс-П, Канопус-В и Метеор-М 2015-2016 гг.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, Ресурс-П, Канопус-В, Метеор-М, лесные по-
жары, 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, Кано-
пус-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 реше-
ния разнообразных задач.
Для Республики Бурятия (РБ) наиболее актуально применение методов и возможностей
ДЗЗ для информационной поддержки и решения таких задач лесного хозяйства как инвента-
ризация лесных ресурсов, мониторинг плановых и незаконных вырубок, лесопатологии, мо-
ниторинг 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 биоразнооб-
разия, средой обитания животного мира и людей, а также для отдыха и экономической дея-
тельности населения. От правильной эксплуатации лесов зависит решение таких важных за-
дач, 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 опас-
ность 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 по-
жароопасный период достигает 70-85% от продолжительности сезона вегетации (апрель-ок-
тябрь) [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 зна-
чений 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
112
для выработки стратегии и тактики борьбы с ними. На современном этапе технического раз-
вития и формирования российской орбитальной группировки спутников дистанционного зон-
дирования Земли эти вопросы экономически целесообразно и актуально решать соответству-
ющими методами.
Объектом исследования данной работы является изучение возможностей спектрального
и текстурного анализа очагов лесных пожаров на мультиспектральных и панхроматических
изображениях, полученных спутниками Ресурс-П Канопус-В, Метеор-М по территории РБ в
2015-2017 г.г. Результаты этого исследования предполагается использовать в дальнейшем для
изучения условий возникновения лесных пожаров и прогнозирования пожароопасности лес-
ного фонда РБ.
Характеристика территории исследования. РБ расположена в центре Азиатского кон-
тинента. С севера и запада территория РБ омывается водами озера Байкал, на востоке граничит
с Забайкальским краем, на западе и севере – с Иркутской областью, на юго-западе – с Респуб-
ликой Тыва, на юге проходит государственная граница с Монголией. Территория РБ входит в
горную систему, занимающую значительную часть юга Восточной Сибири, и характеризуется
мощными горными хребтами и обширными, глубокими и иногда почти замкнутыми межгор-
ными котловинами. Практически на всей территории преобладают сильно расчлененные горы,
равнинные поверхности встречаются лишь в тектонических впадинах и долинах крупных рек.
Площадь гор более чем в 4 раза превышает площадь, занимаемую низменностями. Для РБ ха-
рактерна значительная приподнятость над уровнем моря от 456 м над уровнем моря (оз.Бай-
кал) до 3491 м (г.Мунку-Сардык в Восточных Саянах).
Для территории РБ характерен резко континентальный климат с большими годовыми и
суточными колебаниями температуры воздуха и с неравномерными распределением атмо-
сферных осадков по сезонам года и по территории. Продолжительность солнечного сияния
составляет 1900-2200 часов/год. Среднегодовая температура –1,6 ºС. В летний период темпе-
ратура поднимается до значений +40ºС, в среднем +18,5ºС. В зимний период температура
опускается до –50 ºС, в среднем –22ºС. Количество осадков варьируется от 150 до 350 мм, в
среднем 244 мм, из них 60-70% в июле-августе [5, 7]. Наличие горных хребтов разной высоты
и ориентации, существование межгорных впадин и межгорных долин сильно влияет на мест-
ную циркуляцию воздушных масс создавая мозаичную неоднородную картину климата.
Леса покрывают большую часть территории РБ. Разнообразием экологических и соци-
ально-экономических функций леса образуют основу всех природных комплексов. Воздей-
ствуя на баланс воды, плодородие почв, биологическое разнообразие, леса являются также ис-
точником лесной продукции, основной из которой является древесина. Общая площадь заня-
тая лесной растительностью по состоянию на 01.01.2013 г. составляет 29,638 млн га, или 84,4%
от общей земельной площади. Общий запас древесины на территории РБ составляет 2229,89
млн.м3 с годичным приростом 25,91 млн.м3. На основе различий природно-климатических
условий леса РБ территориально относятся к южно-сибирской горной зоне на площади
28224,6 тыс. га, частично к таежной зоне на площади 1413,8 тыс. га и занимают четыре лесных
района: байкальский горный лесной – 13566,8 тыс.га, забайкальский горно-мерзлотный –
11077,9 тыс.га, алтае-саянский горно-таежный – 3579,9 тыс.га и восточно-сибирский таежный
мерзлотный – 1413,8 тыс.га. По целевому назначению леса разделены на защитные - 39,0%,
эксплутационные - 33,1% и резервные - 27,9% [5, 8].
Основные лесобразующие породы РБ разделены на 3 группы: хвойные породы 75,5%
(лиственница, сосна, кедр); мягколиственные 8,7% (береза, осина) и кустарники 15,8%. Ло-
кально-территориальные вариации породного состава лесов РБ зависят от вертикальной зо-
нальности лесов, определяющей климатические и почвенные условия. Выделены 9 высотных
лесорастительных поясов: степной; лесостепной; светло-хвойный таёжный; мерзлотный таёж-
ный; кедрово-пихтовый таёжный; кедровый таёжный; субальпийский; подгольцовый; тунд-
рово-гольцовый. В целом по территории РБ породная структура насаждений характеризуется
формулой: 5Лц2С2К1Б+Е,П,Ос (где Лц – лиственница, С – сосна, К – кедр, Б – береза, Е – ель,
П – пихта, Ос – осина).
113
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 про-
странственным разрешением от 0,7 до 30 м от НЦ ОМЗ АО «Российские Космические Си-
стемы». С 2016 г. мультиспектральные данные Метеор-М с пространственным разрешением
60 м. На рисунке 1 представлены схемы покрытия территории РБ оптическими данными Ре-
сурс-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 оптиче-
ских 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 обра-
ботки единичны. В 2016 г. в результате обильных осадков 9-12 августа (2-3 нормы) сезон по-
жаров закончился раньше и снимки, полученные в конце августа и сентябре, оказались доста-
точно хорошего качества. Фактическая степень покрытия РБ снимками хорошего качества по-
рядка 10-20%. Также необходимо отметить, что из-за большой площади очагов лесных пожа-
ров зачастую на снимках с хорошим пространственным разрешением (не менее 10 м) попадает
только 30-50% объекта исследования. Для получения общей картины поражения лесов пожа-
рами на территории РБ наиболее оптимальны обзорные снимки Метеор-М, но с низким про-
странственным 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 Ка-
нопус-В (белого цвета) за 2015-2016 гг.; б – Метеор-М в августе 2016 г.
Спектральный и текстурный анализ оптических данных по РБ. Для оценки послед-
ствий лесных пожаров сезонов 2015-2016 г.г. были сгенерированы мета-файлы с текстурными
характеристиками панхроматических изображений, а также спектральные мета-файлы и про-
веден 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 лесни-
чества. Анализ данных Канопус-В и Ресурс-П, полученных в апреле-июне 2015 г. по данной и
прилегающим территориям показал недостаточность информации для определения породного
114
состава и других характеристик лесной растительности, отчасти из-за начальной фазы вегета-
тивной деятельности (в апреле-мае), отчасти из-за сильного задымления вследствие начав-
шихся 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 мето-
дом SAM (Spectral Angle Mapper). Для устранения высокой степени раздробленности резуль-
татов классификации произведены дополнительные процедуры обработки с устранением изо-
лированных пикселей, созданием замкнутых однородных областей площадью от 1 сотки и бо-
лее (минимальная площадь лесных выделов) и слиянием близких по спектральным характери-
стикам 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 исполь-
зованы 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 ме-
тодами по участкам лесных пожаров показали незначительные отличия. На основе спектраль-
ных характеристик и текстуры изображений выделены и векторизованы 3 кластера, соответ-
ствующих 3-м степеням повреждения лесной растительности. Кластер I включает в себя
участки с высокой, кластер II – средней и кластер III – слабой степенью повреждений. На RGB-
изображениях эти зоны различаются степенью почернения участков, затронутых пожаром.
Сравнение соответствующих показателей поврежденных и неповрежденных участков леса по-
казало снижение в среднем яркости поврежденных пожаром лесных участков в зеленом диа-
пазоне видимого спектра на 10–20%, на 40–50% в ближнем инфракрасном диапазоне. Значе-
ния усредненных характеристик рассеяния СКО снижаются на 40–60%. Также отмечены из-
менения текстуры панхроматических и мультиспектральных изображений поврежденных
участков леса. По мере увеличения степени повреждений характерная для лесной раститель-
ности зернистость изображений слабеет для кластера III, малозаметна для кластера II и исче-
зает для кластера I. В частности, однородность изображений поврежденных участков леса воз-
растает 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.
115
На основе результатов классификации по породному составу по данным SPOT6 и лока-
лизации 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 приме-
нены для учета сгоревших лесных насаждений. Результаты статистического анализа, диффе-
ренцированные по степени повреждения и породному составу показали, что полностью выго-
ревший, 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 по-
род значительно уменьшается до 53-65%. Суммарное распределение территорий слегка по-
страдавших от лесных пожаров по породному составу равномерно: темнохвойные – 31%, свет-
лохвойные – 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 задым-
ления;
для получения общей картины распространения пожаров по территории РБ наиболее оп-
тимальны мультиспектральные снимки низкого пространственного разрешения (Ме-
теор-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, присут-
ствие лиственных пород уменьшает вероятность полного выгорания и значительных по-
вреждений: 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).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Лесной кодекс Российской Федерации.
[2] ФЦП «Федеральная космическая программа России на 2016-2025 г.г.».
[3] Постановление Правительства Республики Бурятия от 17.12.2012 № 762 «О Государственной
программе Республики Бурятия «Развитие лесного хозяйства Республики Бурятия на 2013-2017
годы и на период до 2020 года».
[4] Постановление Правительства Российской Федерации от 17.05.2011 № 376 «О чрезвычайных си-
туациях в лесах, возникших вследствие лесных пожаров».
[5] Лесной план Республики Бурятия. Приложение к Постановлению Правительства Республики Бу-
рятия от 17.12.2013. № 665.
[6] Приказ Федерального агентства лесного хозяйства от 05.07.2011 № 287 «Об утверждении Клас-
сификации природной пожарной опасности лесов и Классификации пожарной опасности в лесах
в зависимости от условий погоды».
[7] http://www.burpogoda.ru – сайт Бурятского центра по гидрометеорологии и мониторингу окру-
жающей среды.
[8] Данные Государственного лесного реестра по состоянию на 01.01.2013 г.
116