Оценка состояния растительности на основе многолетних данных спутникового мониторинга

В.А. Глаголев1, А.М. Зубарева2 1Приамурский университет имени Шолом-Алейхема, ул. Широкая 70А, г. Биробиджан, 679015, e-mail: , ; 2Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, ул. Шолом-Алейхема 4, г. Биробиджан, 679016, e-mail: ,

Оперативность прогноза появления пожаров растительности и моделирования их распространения на территории лесного фонда играет важную роль при определении пространственно-временного объема работ для ликвидации и оценки ущерба от лесных пожаров в короткий промежуток времени. Реализация современных

моделей и методик оценки пожарной опасности основана на использовании многомерных (многослойных) разнотипных баз данных спутникового мониторинга, позволяющих детально описывать состояние участков растительности. Пожарная опасность территории определяется комплексом достаточно хорошо изученных факторов [3, 6]; системы прогноза возникновения пожаров разрабо- таны во многих странах [4]. Значительно меньшее количество работ посвящено исследованию характеристик растительности [7]. Необходимы знания о сравнительной оценке территорий для оптимизации распределения средств пожаротушения для ежегодной оценки деятельности оперативных отделений и участковых лесничеств по борьбе с лесными пожарами, а также для долгосрочного прогнозирования пожарной опасности растительности вследствие изменения климата.

Состояние и динамика изменчивости лесов имеют большое значение для Дальнего Востока России в связи с их значительным вкладом в экономику и экологию региона. Территория Дальнего Востока России отличается высокой пожарной опасностью и горимостью лесов [1, 2]. Наличие периодически повторяющихся засушливых периодов, обилие растительных горючих материалов с высокими пирологическими свойствами, горный рельеф, низкая доступность некоторых территорий и климатические особенности определяют высокую предрасположенность данной территории к возникновению пожаров, значительную скорость их распространения и трудность ликвидации. Это в свою очередь подчеркивает значимость анализа условий формирования пожароопасного состояния растительности.

Методика определения состояния растительности

В работе предложен алгоритм пространственно-временного анализа распределения пожаров растительности и показано их влияние на трансформацию растительной территории Дальнего Востока России на примере спутниковых наблюдений MODIS за 2016 г. Оценка воздействия пожаров растительности на территорию выполнялась на основе данных о пожарах за 2016 г. За единицу оценки выбрана операционно-территориальная единица (ОТЕ) с разрешением 0,05º градусной сети (5,5 км на 3 км) в проекции координат WSG 84. На территории всего Дальневосточного региона построена электронная карта распределения данных ОТЕ.

Материалами исследования служат ежегодные сведения о растительности и ежедневные данные о местоположении пожаров растительности на основе спутниковых снимков MODIS, которые обеспечивают агрегированные электронные карты пространственно-временного распределения растительности спектрорадиометра Terra и Aqua Land Cover Modeling Grid Version 6 [5]. Эталонным годом состояния растительности был выбран 2016 г., а результаты трансформации фиксирова- лись в 2017 г. Фиксация типов растительности доступна на сайте агентства НАСА (https://ladsweb. , содержит 16 классов: вечнозеленые хвойные леса (1), вечнозеленые лиственные леса (2), мелколиственные леса (3), широколиственные леса (4) и лесостепи (8); степи (9); луга (10); пашни (12); селитебные и промышленные земли (13); пашни и луга (14); снег и лед (15); пустыни и разреженная растительность (16). В исследовании сконцентрировано внимание на 3, 4, 8, 9, 10, 12 классах, так как в них наиболее часто фиксируется максимальная трансформация растительности.

Пожарная опасность определялась по местоположению индивидуальных пожаров растительности в 2016 г. на основе сведений Глобального атласа лесных пожаров [2], который представляется собой набор данных повседневной динамики отдельных пожаров: время и место возгорания, периметр и площадь, продолжительность, ежедневное расширение, длина линии огня, скорость и направление распространения. Характеристики индивидуальных пожаров растительности получены на основе алгоритма Глобального пожарного атласа и расчетной информации о дате горения с разрешением 500 м продукта MCD64A1, атлас содержит данные около 13,3 миллионов записей о пожарах по всему миру, из них 170 тыс. сосредоточены на территории Дальнего Востока России.

Обработка данных выполнялась по следующему алгоритму:

• 1.    Наложение на территорию исследования регулярной сети в виде операционно-территориальных единиц площадью 16,6 км² : 5,5км*3 км;

• 2.    Получение фрагментов спутниковых снимков для территории исследования [4];

• 3.    Преобразование спутникового снимка в векторный формат с полиномиальными объектами (патчи);

• 4.    Декомпозиция патчей в операционно-территориальные единицы заданного размера с переносом атрибутивных данных за многолетний период [7];

• 5.    Формирование векторных слоев индивидуальных пожаров растительности по точечному размещению или по их площади;

• 6.    Определение вложенности индивидуальных пожаров в операционно-территориальных единицах и дополнение атрибутивных данных о растительности, на которых они возникли;

• 7.    Выполнение агрегирующих SQL – запросов к атрибутивным данным векторных слоев.

Результаты

Для определения трансформации растительности в результате пожаров необходимо изучить горимость субъектов Федерации на территории Дальневосточного региона (табл. 1). Наибольшее количество возгораний растительности на единицу площади (на 100 тыс. га субъекта) наблюдалось в Забайкальском крае (20,82) и Амурской области (17,52) в 2003 г. и Еврейской автономной области (41,42) в 2009 г.

На рис. 1а представлен фрагмент карты Дальнего Востока с изображением распределения индивидуальных пожаров в ОТЕ. Далее на рис. 1б представлен фрагмент карты Дальнего Востока, где изображено распределение видов земного покрова. Анализируя два фрагмента, можно заключить, что на представленной территории в основном возгоранию подвержены степи, широколиственные леса и пашни (рис. 1б).

Используя вышеизложенный алгоритм обработки атрибутивных данных (483 503 элементов выборки) с информацией о пожарах, находящихся в ОТЕ, получены следующие результаты (табл. 2). В 2016 г. на Дальнем Востоке количество ОТЕ с индивидуальными пожарами составляло 11 837 (2,4% от общего числа ОТЕ в ЕАО), трансформа-

Таблица 1

а)

б)

Характеристики пожароопасных сезонов Дальнего Востока России (фрагмент), 2003–2016 гг.

Table 1

Characteristics of fire–threatening seasons at the Russian Far East (fragment), 2003–2016

№	Характеристики	Субъекты Дальнего Востока России
		Еврейская автономная область	Амурская область	Приморский край	Забайкальский край	Республика Бурятия	Хабаровский край
1	Площадь субъекта (100 тыс. га)	36,03	360,11	163,56	438,26	344,13	786,46
2	Относительное количество пожаров растительности (на 100 тыс. га)	25,72	7,45	7,04	6,27	3,03	1,81
3	Относительная площадь пожаров (на 100 тыс. га)	10 626,74	3525,67	1863,34	3306,73	1771,98	769,44

Рис. 1. Фрагмент карты Дальнего Востока: распределение точек пожаров растительности в ОТЕ(а) и распределение земного покрова в ОТЕ(б), 2016 г.

Fig. Fragment of the Far East map: distribution of vegetation fi re points in OTE(a) and distribution of land cover in OTE(b), 2016

ция растительности зафиксирована в 20 441 ОТЕ (4,2%).

Всего зафиксировано 128 вариантов трансформации растительности, наиболее значимые: изменения от 7 класса (разреженные кустарники) до 9 класса (степи) (3485 ОТЕ); от 8 класса (лесостепи) до 9 (степи) (3361 ОТЕ); от 7 (разреженные кустарники) до 10 класса (луга) (1714 ОТЕ); от 9 (степи) до 7 (разреженные кустарники) (1047 ОТЕ); от 3 (мелколиственные леса) до 8 класса (лесостепи) (917 ОТЕ); от 8 класса (лесостепи) до 3 (мелколиственные леса) (906 ОТЕ); от 10 класса (луга) до 7 (разреженные кустарники) (876 ОТЕ); от 9 (степи) до 8 (лесостепи) (848 ОТЕ); от 10 класса (луга) до 9 (степи) (564 ОТЕ).

Фиксация количества индивидуальных пожаров растительности позволила детально выделить взаимосвязь случаев возгорания растительности и ее трансформации на территории выгоревшего участка. Установлено 88 вариантов трансформации при наличии от 1 до 11 пожаров.

В 8604 случаях (1,7%) изменения структуры и качества флоры вызваны не пирологическим фактором, а предположительно вырубками леса горнодобывающими разработками и строительством коммуникаций в виде газопровода и дорог.

В 40 вариантах трансформация не зависела от пожаров.

Большинство случаев трансформации растительности в ОТЕ (от 30 до 70%) фиксируется при переходе от лесостепи (8 класс) в степи (9 класс). Наблюдаются случаи обратной трансформации, например, от 8 к 4 классу, что требует исторического уточнения класса растительности за предыдущие годы, такие случаи зафиксированы на территории Еврейской автономной области (8-5, 8-4, 9-5). Это может быть связано с некорректным выделением границ территорий с определённым видом земного покрова (рис. 1б), а также неточным определением границ горельников по космическим снимкам.

Например, при сравнении модификаций ОТЕ в Еврейской автономной области с наличием индивидуальных пожаров растительности наблюдается трансформация в половине случаев, при этом имеют место смежные области до 8 ОТЕ. Модификация растительности в 70% случаев происходит на горимой территории, что в значительной степени влияет на её трансформацию.

Таким образом, предложенный алгоритм пространственно-временного анализа распределения индивидуальных пожаров растительности на

Таблица 2

Распределения индивидуальных пожаров растительности и количество трансформаций ОТЕ на территории Дальнего Востока России (фрагмент)

Table 2

Distribution of individual vegetation fires and the number of OTE transformations in the Russian Far East (fragment)

Количество индивидуальных пожаров в ОТЕ	Количество вариантов трансформаций	Количество ОТЕ без трансформации	Общее количество ОТЕ с трансформацией	Варианты трансформации с наибольшим количеством индивидуальных пожаров
1	34	3253	229	8 - 9; 10 - 9; 10 - 12;
2	26	1248	98	8 - 9; 10 - 12; 9 -10;
3	14	402	57	8 - 9; 10 - 12; 4 - 9
4	12	229	23	8 - 9; 10 - 12; 8 - 4
5	3	100	10	10 - 9; 3 - 9; 8 - 9
6	2	36	3	8 - 9; 9 - 12
7	0	17	0	Нет трансформации
8	0	4	0	Нет трансформации
9	1	0	1	8 - 9
10	0	1	0	Нет трансформации
11	0	1	0	Нет трансформации

Примечание. 3 – мелколиственные леса; 4 – широколиственные леса; 8 – лесостепи; 9 – степи; 10 – луга; 12 – пашни территории Дальнего Востока России имеет практическую значимость, особенно при разработке комплексного показателя оценки напряженности пожароопасных сезонов, методик оценки ущерба, формирования противопожарных рекомендаций и мероприятий при дистанционном мониторинге территории.

Проведение оценки трансформации территории в ходе пожаров растительности позволяет спрогнозировать смену одного типа растительности на другой и определить в будущем предполагаемую площадь лесного фонда субъектов Федерации, что будет способствовать сбалансированному распределению сил и средств для усовершенствования деятельности природоохранных ведомств.

Исследование выполнено за счет средств гранта в форме субсидии в целях реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашение № 075-15-2023-495 от 25.04.2023 г.).