Геоинформационная система оценки возникновения пожарной опасности сопряженных участков растительности по природно-антропогенным условиям

e-mail: ,

Организация эффективного взаимодействия лесоохранных служб по предупреждению пожаров растительности невозможна без детальной оценки пожарной опасности участков растительности. Формирование массива данных смежных участков растительности связано с наборами разнообразных переменных, описывающих пространственные характеристики как природного, так и антропогенного генезиса, которые определя-

ют вероятность появления источников возгорания. Выделение смежных участков растительности включает интеграцию динамических показателей, описывающих закономерности внутригодовых и межсезонных условий возникновения пожаров растительности в операционно-территориальных единицах (субъекты РФ, муниципальные районы, филиалы лесничества, участковые лесничества, участок растительности).

Целью данной работы является разработка системы оценки возникновения пожарной опасности смежных участков растительности на основе детерминированно-вероятностной модели по природно-антропогенным условиям.

Для этого необходимо выполнить следующие задачи: предложить методику определения пожарной опасности смежных участков растительности; спроектировать архитектуру гео-информационных систем; реализовать структуру базы данных смежных участков растительности; реализовать геоинформационную систему на примере территории Еврейской автономной области (ЕАО).

Методика определения пожарной опасности смежных участков растительности Материалами исследования послужили тематические карты ресурса OpenStreetMap(OSM) [14]. Открытые данные электронных карт структурированы тегами OSM и разделены по округам Российской Федерации (РФ) в картографической проекции WSG 84.

Индивидуальные пожары растительности фиксируются по данным спутникового мониторинга MODIS с сайтов агентств NASA [15] и ИКИ РАН ИСДМ – Рослехоз [6] с 2013 по 2022 гг. Атрибутивные данные пожаров содержат идентификатор, координаты центра, область возгорания, дату обнаружения и ликвидации, лесную и нелесную площадь.

Для декомпозиции антропогенных источников использована электронная карта операционно-территориальных единиц (ОТЕ) на территории субъектов Дальнего Востока России с разрешением 0,025º градусной сети (2,75 км на 1,5 км). При определении пожароопасных участков растительности применяются участки квартальной сети субъектов Дальнего Востока России из открытых источников федеральных организаций субъектов РФ [8].

Определение противопожарных рекомендаций на смежных участках растительности выполняется на основе вероятности появления пожаров растительности на участках лесного фонда. Алгоритм расчета включает следующие этапы:

• •    построение сети ОТЕ на территории лесного и нелесного фонда и поиск смежных участков ОТЕ выделенного участка;

• •    расчет фактических и прогнозных значений комплексного показателя пожарной опасности по методу В.Г. Нестерова по условиям погоды в центрах ОТЕ лесного фонда [7, 10];

• •    вычисление в каждом ОТЕ вероятности по-

• явления пожаров растительности на определённый день;

• •    выделение участка растительности в случае превышения порогового значения вероятности возникновения пожаров;

• •    построение маршрута патрулирования территории, в площадь обзора которого попадает максимальное количество пожароопасных ОТЕ.

Для определения вероятности появления пожаров растительности смежных участков использована детерминировано-вероятностная модель прогноза возникновения пожаров растительности по природно-антропогенным условиям [1, 3, 12]. В модели учтено происхождение источника огня и введено понятие «критического расстояния» ( R ) – минимальное расстояние между исследуемой ОТЕ и населенными пунктами или железными и автомобильными дорогами, после которого значительно уменьшается количество пожаров:

_р       J ^F.,_J(C)f(^F.,_J(^N)^F.,_J(^B / N) +

F ,(В) = < ij     [ FiJ(C)[(Fi ,у (D)Fi,j(B / D) +

+ F, , (M)F, / В/М )] при R_n<  R_c' + F, , (M)F, j ( B!M )] при R_n cr

где i - день расчета; j - номер ОТЕ; F_tj(В ) - вероятность появления пожаров растительности (событие В ); F j _C) - вероятность возгорания растительности при определенном значении комплексного показателя пожарной опасности по условиям погоды (событие C) ; F_y ( N), F j ( D ) - вероятность появления антропогенного источника огня в смежных ОТЕ от ближайших населенных пунктов или железных и автомобильных дорог (события N и D ) [2, 5]; F j (B/N), F j (B/D ) - вероятность возгорания вследствие появления антропогенных источников огня; F_y ( M), F ,j (B/M) - вероятность появления природного источника (событие M) и возгорания вследствие его появления; R N - расстояние от ОТЕ до ближайшего населенного пункта.

Вероятность возникновения пожара F ij ( C ) в j -й ОТЕ равна единице, если ежедневный комплексный показатель P_t в центре ОТЕ превышает значение показателя P_cr , либо вычисляется по формуле:

1, если Р, > Р_сг,

F.j(C) =

, если Р,

Рсг 1

где Pcr - минимальное значение комплексного показателя пожарной опасности, при котором возможно появление пожаров на данном участке в за- висимости от степени природной пирологической пожарной опасности растительности в ОТЕ [4].

Вероятность появления источников огня

Fi,j(M), Fi,j(N) и Fi,j(D) в j-й ОТЕ определяется по относительной частоте появления молниевых разрядов и возникновения пожаров от антропогенной деятельности жителей ближайших населенных пунктов и прибывших по дорожной сети:

F i,j (N)=^Q_Q^NR ,F i,j (D)= ^Q _Q ^DR ,F i,j (M)= ^Q_Q^Mi,j, (3)

где Q – количество сезонов за базовый период; QN_R, QD_R – количество сезонов, в которых были зафиксированы пожары, возникшие в пожароопасной зоне в радиусе R (км) от населенного пункта или дорожной сети; QM_i,j – количество сезонов, в которых наблюдались молниевые разряды.

Вероятность возгорания вследствие появления молниевых разрядов либо от населения из близлежащих пунктов или дорожной сети вычисляется следующим образом:

F i,j (B / M )=

NMP

• ^{i,    j} ,F ( B / N ) = _{N P} i, j

NNP

• ^{i,    j} ,F ( B / D ) = N P ^{i, j}

  
  

  NDP_{i, j} NP

  
  

  ^,

  
  

где F_i,j ( В/M ) , F_i,j ( B/N ) и F_i,j ( B/D ) – вероятности появления огня от разных источников; NMP_i,j , NN-P_i,j, NDP_i,j – количество пожаров от молниевых разрядов, антропогенной деятельности жителей населенных пунктов или прибывших по дорожной сети; NP – общее количество пожаров за базовый период.

Включение смежных кварталов осуществляется согласно условию, при котором на фиксированном участке территории в прошлом возникали пожары растительности, то этот и смежные с ним участки следует считать потенциально опасными. При этом считается, что суммарная выгоревшая площадь мала по сравнению с площадью охраняемой территории, таким образом, каждый пожар рассматривается в виде ОТЕ. Степень пожарной опасности максимальна для участка, где зафиксирован пожар растительности за предыдущие периоды времени и убывает с увеличением расстояния до центра данного участка. С каждым имевшим место в прошлом пожаром растительности связывается некоторый потенциал пожарной опасности, определяемый потенциальной функцией U(x,y) , действующий в определенной окрестности участка возникновения пожара S с координатами в центре x,y.

В работе П.А. Егармина [5] вычисление потенциальной функции U происходит с учетом радиуса окружности вокруг точки возникновения пожара в прошлом. Внутри окружности рассчитывается потенциал по формуле (5), а по всем точкам окружности – потенциал равен нулю. Радиус окружности выбирается экспериментально в зависимости от посещаемости леса и состояния растительности:

U ( x , y , x_i , y_i ) = ¹₂ . (5) пR_i

В силу того, что идентификация пожаров растительности осуществляется по ОТЕ их возникновения, то пожароопасными участками считаются смежные ОТЕ.

Для регламентации лесоохранных мероприятий [9, 11, 13] выбираются границы населенных пунктов и участки дорожной сети, находящихеся вблизи ОТЕ с высокой вероятностью появления пожаров растительности.

Архитектура геоинформационной системы

Архитектура геоинформационной системы построена на трехзвенном распределении, включающем сервер баз данных с поддержкой API-доступа, брокера приложений и приложения визуализации результатов расчетов. API-сервер хранит структурированные данные, доступные по прикладным протоколам обмена, брокер приложений содержит функции для сбора данных, расчета показателей и их визуализации в сторонних приложениях.

Геоинформационная система состоит из пяти блоков: базы данных, сбора открытых данных, поиска смежных кварталов, расчета метеорологической и антропогенной пожарной опасности, регламентации лесоохранных мероприятий. На рис. 1. показано взаимодействие блоков № 1 и 3.

Блок № 1 представлен интегрированными реляционными базами данных, которые содержат данные о пожарах растительности, данные гидрометеостанций и антропогенных источников. Базы данных состоят из таблиц, связанных тематическими и географическими ключами MapinfoId.

На рис. 2 представлена логическая структура базы данных растительности, в которой каждая таблица присоединена к одноименному векторному слою тематической карты региона. В центре логической структуры находится таблица «ОТЕ». Местоположение пожара указывается с помощью атрибутов долгота и широта либо атрибута idОТЕ , который может принимать одно или более

Рис. 1. Концептуальная модель геоинформационной модели

Fig. 1. Conceptual model of the geoinformation model значений, разделенных запятой.

Блок № 2 предназначен для сбора открытых данных по прикладным протоколам глобальной сети Интернет. Спецификация OSM содержит тематические карты населенных пунктов (places) и их ареалов (places_a), железнодорожных (railway) и автомобильных дорог (roads). Тематические карты региона представлены векторными слоями в формате shp. Населенные пункты изображены в точечном (places) и полигональном (places_a)

слоях, атрибуты пространственных объектов содержат идентификатор (osm_id); наименование (name); тип объекта (fclass); численность жителей на год переписи (population). Согласно стандарту OSM атрибут fclass содержит 12 значений, из них отобраны по численности жителей: hamlet, village, town и city. В полиномиальном слое автомобильных дорог (road) из значений атрибута fclass выбраны: unclassified, tertiary, secondary, primary и trunk.

Дорожная сеть

1/ idДopoжнaя сеть

^ Субъект PФ_idCyбъeкт РФ (FK)

О mapinfo_id

ОТЕ tf idOTE

•>

♦ 4 о о 4 о 4 о

❖

Субъект РФ -Ж 1/ »d Субъект РФ ф Название ф mapinfo_id

Населенный пункт ^1 V к! Населенный пункт

4 4 ♦

Район_к1 Район (FK) mapinfo_id Название Численность

Участковое лесничество_к1Участковое лесниче... (FK) mapinfo_id

Номер

Класс пирологической опасности

Дата расчетов

Текущий комплексный показатель

Прогнозные комп, показатели на 1,2,3-ие дни Вероятность возникновения пожара на текущий...

Вероятность возник, пожара на 1,2,3 -ие дни... Скорость распространения нелесного пожара Время доступа до лесного фонда

Район

V id Район

^

^ Субъект РФ_к1Субъект РФ (FK) ф Название ф mapinfo_id

Участковое лесничество                      Д й idYuacTKOBoe лесничество ^ Филиалы лecничecтв_idФилиaлы лесничеств (FK)

О mapinfo_kl

О Название

Филиалы лесничеств _____ if ИФилиалы лесничеств

^ Субъект РФ-id Субъект РФ (FK)

Q mapinfo_id

О Название

Рис. 2. Логическая структура базы данных пожаров растительности

Fig. 2. Logical structure of the vegetation fires database

В блоке № 3 при нахождении смежных участков растительности используются методы поиска ближайших пространственных объектов (соседей). В первом методе поиск выполняется с учетом узлов полигонов участков растительности по алгоритму Hierarchical Navigable Small World. В каждом пронумерованном узле участка выполняется поиск смежных участков, при объединении данных пересечений получается список пересекающихся пространственных объектов: узел пересечения, номера участка. В данном способе достигается максимальная пространственная прорисовка узлов участков в проекции WSG 84. Во втором методе определяются центроиды участка и обрабатывается пересечение линий, соединённых через центроиды по алгоритму Asymmetric distance computation. Центроиды разделяют электронную карту на пространство отдельных участков. Совокупность векторов участков аппроксимируется центроидами и при декомпозиции территории на участки учитывается расстояние от запроса до группы векторов, попавших в выделенный участок, и расстояние до центроида, образующего данный участок.

В блоке № 4 выполняется расчет метеорологических индексов пожарной опасности и характеристик антропогенной пожарной опасности на основе авторских функций динамических библиотек программного обеспечения.

В блоке № 5 реализуются противопожарные рекомендации и мероприятия в виде электронных отчетов, отправляемых муниципальным и частным организациям: определение участков растительности с высокой пожарной опасностью (от 0,5 до 1); выявление дат с высокой пожарной опасностью, во время которых в определенных участках растительности наблюдается наибольшая вероятность возникновения пожаров; построение маршрутов авиапатрулирования пожароопасных участков растительности.

На территории Еврейской автономной области в течение 2019–2023 гг. планируется провести ретроспективный анализ появления пожаров растительности по природно-антропогенным условиям с использованием уточнения смежных кварталов.

Таким образом, предложенная геоинформа-ционная система оценки возникновения пожарной опасности смежных участков растительности имеет практическую значимость и может быть дополнительно использована для разработки противопожарных рекомендаций и мероприятий на территории субъектов РФ.