Диссертация (1137226), страница 14
Текст из файла (страница 14)
необходимо проводить детальный анализ последствий природных пожаров и осуществлять поиск стратегии их контроля. Одним из наиболее перспективных подходов к решению этой проблемы является использование спутниковых систем мониторинга, оснащенных широким спектром современной аппаратуры дистанционного зондирования.» [11].Задачи наблюдения, прогнозирования и оценки последствий природныхпожаров находятся в области интересов многих научных организаций в России85и за рубежом. В России мониторинг активных пожаров осуществляется Федеральным агентством лесного хозяйства , МЧС, ИКИ РАН [6], НИИ «АЭРОКОСМОС» [11] и другими организациями, занимающихся обработкой аэрокосмической информации, лесным хозяйством и предупреждением чрезвычайныхситуаций.
Во многих странах научные организации — операторы космическихаппаратов и изучающие данные ДЗЗ занимаются оперативным мониторингомприродных пожаров и оценкой последствий при поддержке государства [116].3.2.2. Мониторинг активных пожаровМониторинг активных пожаров средствами ДЗЗ позволяет обнаруживатьочаги пожаров на больших территориях, следить за их распространением. Такую задачу решают в глобальном и региональном масштабе с помощью данныхнизкого разрешения, позволяющих регулярно получать изображения большойтерритории. Основным методом обнаружения активных очагов пожаров является поиск тепловых аномалий — участков, интенсивно излучающих энергиюв инфракрасном диапазоне.
В частности, один из часто применяемых алгоритмов — MODIS Active Fire [112] позволяющий выделять тепловые аномалии наданных MODIS низкого разрешения.Аналогичные подходы используются и для других мультиспектральныхданных ДЗЗ, содержащих каналы в инфракрасном диапазоне.3.2.3.
Задача обнаружения территорий, поврежденных природнымипожарамиДля решения задачи обнаружения выгоревших территорий, расчета площади, пройденной огнем и оценки последствий пожара разработано множествометодов обработки данных дистанционного зондирования Земли, как работающих в глобальном масштабе и использующих данные низкого разрешения, таки более точные, использующие данные среднего и высокого пространственного86разрешения, но ограниченные по площади.Одним из наиболее известных алгоритмов, использующихся для получения карт выгоревших территорий, является MODIS Burned Area, тематическийпродукт, поставляемый NASA, получаемый на основе данных низкого разрешения MODIS со спутников Terra и Aqua. Данные спутники дают ежедневное покрытие всей поверхности Земли, что делает полученную информацию ценнойв глобальном масштабе.
Карта создается каждый месяц на основании серииизображений, пространственное разрешение карты территорий, поврежденныхприродными пожарами составляет 500 метров. В карте выгоревших территорийсодержится информация о предположительной дате, в которую произошел пожар. Метод, используемый для составления данной карты, основан на подходеобнаружения изменений, исследуя спектральные характеристики участков земной поверхности за период времени, и отмечая как пожар событие резкой сменыэтих характеристик, произошедшие определённым, характерным для природных пожаров образом [135].В России также создана интегрированная информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесногохозяйства РФ (ИСДМ Рослесхоз), одной из возможностей которой являетсярасчет площадей, пройденных огнем, по данным дистанционного зондированияЗемли.Множество исследований ставят целью оценку последствий пожара нанеких ограниченных территориях - отдельной страны, региона.
В таких случаях наряду с данными низкого разрешения также применяются космическиеизображения среднего и высокого пространственного разрешения [46, 74]. Вработе [18] исследуются различные вегетационные и пожарные индексы по данным Landsat.Значительная часть исследований посвящена валидации данных, полученных по результатам анализа космических изображений низкого разрешения,при помощи данных высокого разрешения. Это связано с тем, что для регуляр87ного мониторинга больших территорий требуется аппаратура с широкой зонойпокрытия и частой повторяемостью съёмки, а такие особенности имеют данные низкого пространственного разрешения. Для уточнения и оценки качестваполученных результатов используются космические изображения более высокого пространственного разрешения, покрывающие часть той же территории.Например, в работах [5, 26, 67, 150] площади пожаров оцениваются по даннымMODIS, и проводится оценка точности путём сравнения с данными, полученными по снимкам Landsat.3.2.4.
Постановка задачиТребуется регулярно и оперативно обнаруживать выгоревшие территориипо данным дистанционного зондирования. Регулярность ставит ограничениена использование только данных низкого разрешения с широкими зонами покрытия. Такое разрешение не дает возможности использовать текстурные илигеометрические признаки областей, так как средняя площадь лесного пожараблизка к размеру одного пикселя, и для отделения выгоревших территорий отневыгоревших остаются только спектральные признаки.
Для решения даннойзадачи были выбраны данные MODIS, так как они доступны для приема искачивания, и имеют много спектральных каналов, давая, таким образом, большие возможности по выделению информативных признаков из спектральныхсвойств пикселей.Требование по оперативности обнаружения выгоревших территорий следует из необходимости своевременного слежения за объемами эмиссий продуктовсгорания в атмосферу и приводит к невозможности следовать алгоритму, аналогичному Modis Burned Area, так как в нем необходима серия наблюдений, втом числе за длительный период после пожара. Естественным образом это ограничение снижает точность распознавания, так как невозможна верификация поболее поздним данным и анализ временных серий характеристик поверхностиЗемли.88Существуют также карты выгоревших территорий, созданные как объединение областей детектированных активных пожаров, недостаточно точные длявычисления площадей отдельных возгораний, но верно отражающие регионы,в которых произошел пожар, и пригодные для крупномасштабных оценок [94].Формально задача имеет следующий вид.
Имеется мультиспектральноеизображение земной поверхности низкого разрешениясписок полигонов ,I(, ).Также имеетсякаждый из которых включает в себя область, в которойпроизошел пожар.Требуется выделить на изображении пиксели, соответствующие площадям, поврежденным природными пожарами.3.2.5. Метод решенияДля распознавания пикселей выгоревшей территории был выбран методБайесовской классификации в пространстве признаков, составленном из отражающей способности пикселя во всех спектральных диапазонах, содержащихсяв изображении.
Сделав предположение о нормальности и независимости распределений классов выгоревшей и невыгоревшей территории, получим квадратичный дискриминант, описываемый формулой −1(x) = (x − 1 ) Σ−11 (x − 1 ) − (x − 2 ) Σ1 (x − 2 ) + ,где— разделяющая функция, а(3.29)— константа, задающая сдвиг границымежду классами для изменения соотношения ошибок первого и второго рода.Так как используемое изображение содержит множество спектральных каналов, имеет смысл уменьшить размерность для сокращения вычислительнойсложности.
Для этого был проведен анализ методом главных компонент.Пространство признаковстроится на основе спектральных характеристик пикселя изображения MODIS. Рассмотрим характеристики съёмочной ап89паратуры. Параметры различных спектральных каналов MODIS приведены втабл. 3.1, 3.2.Таблица 3.1 – Спектральные характеристики аппаратуры MODIS, каналы 1-19.КаналДлина12345678910111213141516171819волны,Пространст-нмвенное разреше620 - 670841 - 876459 - 479545 - 5651230 - 12501628 - 16522105 - 2155405 - 420438 - 448483 - 493526 - 536546 - 556662 - 672673 - 683743 - 753862 - 877890 - 920931 - 941915 - 965ние, м250250500500500500500100010001000100010001000100010001000100010001000Важной особенностью этих изображений является разделение каналов попространственному разрешению: каналына пиксель (в надире), каналысель, и остальные каналы3−78 − 361и2имеют разрешениеимеют разрешение500250метровметров на пик— 1000 метров.
Таким образом, каждому1000-метровому пикселю соответствует 4 500-метровых пикселя и 16 250-метровых.При этом спектральные каналыболее320 − 25, 27 − 36 представляют длины волнмкм, что соответствует собственному излучению поверхности Земли.Данные, содержащиеся в этих каналах, дают больше информации о температуре поверхности и атмосферы, чем о составе поверхности, поэтому данныеканалы исключены из рассмотрения.Для максимального использования информации вектор признаков строится для каждого пикселя размером 250 метров, первые две компоненты берутсяиз соответствующих каналов, а остальные — как билинейная интерполяция попикселям других каналов более низкого разрешения500 или 100− метров. При90Таблица 3.2 – Спектральные характеристики аппаратуры MODIS, каналы 20-36.Канал2021222324252627282930313233343536Длинаволны,Пространст-нмвенное разреше3660 - 38403929 - 39893929 - 39894020 - 40804433 - 44984482 - 45491360 - 13906535 - 68957.175 - 7.4758.400 - 8.7009.580 - 9.88010.780 - 11.28011.770 - 12.27013.185 - 13.48513.485 - 13.78513.785 - 14.08514.085 - 14.385ние, м10001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000этом учитывается, что между каналами с различным пространственным разрешением нет прямого соответствия, которое получилось бы наложением растровдруг на друга.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
