Оценка последствий лесных пожаров 2010 г. в Пермском крае
== Введение и исходные данные ==
Летом 2010 года на Европейской территории России и в Пермском крае наблюдались катастрофические лесные пожары. По территории Пермского края были получены оценки пройденных пожарами площадей от Агентства по Природопользованию Пермского края, МЧС, ИКИ РАН и ГринПис России, значительно различающиеся между собой. Этим была обусловлена постановка первой задачи работы – создание векторного слоя гарей 2010 г.
ода на территорию Пермского края, на основе космических снимков среднего (LANDSAT 5-TM) и высокого (SPOT-4) разрешения.
Вторая задача – оценка степени повреждения лесной растительности на участках, пройденных пожарами летом 2010 года. Оценка проведена по вегетационным индексам, данные полевых наблюдений не использовались. Поэтому методика оценки степени повреждения растительности будет дорабатываться.
В качестве исходных данных использовались:
- Снимки LANDSAT 5-TM за период до и после июля-августа 2010 года (два покрытия всей территории Пермского края). Снимки LANDSAT 5-TM распространяются бесплатно через сервис www.glovis.usgs.gov.
Снимки SPOT-4 DIMAP (LEVEL 1A), принятые на станцию Унискан-24 в Пермском Государственном университете, за период с 9 мая по 5 сентября 2011 года. Исходные снимки уровня обработки LEVEL 1A имеют низкую точность привязки (300-350 м). Геометрическая коррекция снимков проведена на основе мозаики LANDSAT.
- Архив тепловых аномалий (hotspots), детектированных со спутников TERRA и AQUA в течение 2010 года. Архив в формате шейп-файла был получен с сервиса FIRMS (Fire Information for Resource Management System), предоставляемого NASA.
Архивные открытые данные о лесных пожарах в Пермском крае, доступные через сайт Агентства по природопользованию Пермского края (далее – АПП ПК)[5]. Данные АПП ПК о зарегистрированных лесных пожарах на территории Пермского края формируются на основе информации, поступающей из лесничеств, от местного населения, а также от Авиалесоохраны. Их использование несколько осложняется отсутствием координатной привязки. Данные за последний год доступны на сайте www.les.permkrai.ru. Всего, по данным АПП ПК, в 2010 году в Пермском крае был зафиксирован 421 лесной пожар на общей площади 25407 га[5].
Данные по пройденным огнем площадям на территорию Пермского края. полученные Институтом Космических исследований РАН на основе спутниковых данных Terra/Aqua-MODIS за 2010 год [4] Они имеют актуальность лето 2011 года.
== Методы ==Курсивное начертание
Участки лесной растительности, пройденные пожарами, характеризуются пониженной спектральной яркостью в ближней инфракрасной зоне (далее по тексту - NIR). Это объясняется уменьшением содержания хлорофилла в вегетативных органах усыхающих деревьев. Также для гарей характерно повышение спектральной яркости в средней инфракрасной зоне (далее по тексту - SWIR). Оно, в свою очередь, объясняется уменьшением содержания влаги в листьях или хвое. В видимой зоне спектра для гарей характерна более высокая, чем у здоровой растительности, спектральная яркость. Это также объясняется уменьшением содержания хлорофилла, которое внешне проявляется в дефолиации и дехромации листьев при усыхании деревьев[2].
На перечисленных выше закономерностях основаны различные вегетационные индексы, а также комбинации каналов, позволяющие дешифрировать гари. Разработаны также автоматизированные алгоритмы оконтуривания гарей. Однако для их эффективного применения необходимо, чтобы гарь была полностью свободна от облачности и теней[1].
Методика дешифрирования гарей включала следующие этапы:
- Отбор снимков LANDSAT 5-TM за период до и после зафиксированных пожаров.
- Расчет вегетационных индексов:
Индекс NDVI = (NIR–RED)/(NIR+RED)
Индекс SWVI = (NIR–SWIR)/(NIR+SWIR), где SWIR - 5-й канал снимка LANDSAT 5-TM.
Индекс DNDVI = NDVIpre – NDVIpost, где NDVIpre –индекс за период до пожара, NDVIpost –индекс за период после пожара.
Индекс DSWVI = SWVIpre – SWVIpost
Также для всех пар снимков рассчитана степень изменения яркости в ближнем инфракрасном канале с помощью инструмента Change Detection (метод PCA).
Дешифрирование гарей проводилось по следующим признакам:
1. Гарь следует искать там, где зафиксированы скопления тепловых аномалий (горячих точек) по данным FIRMS.
2. При визуализации снимка LANDSAT 5-TM в RGB-синтезе каналов 7-4-2 гарь выделяется как красно-коричневая область на фоне сохранившейся растительности. Причем на снимке за период до пожаров она отсутствует.
3. Гарь выделяется как участок с положительными значениями индексов DNDVI и DSWVI, лежащими в диапазоне от 0,1 до 0,5, редко больше. Наиболее эффективно выделение гари по индексу DSWVI. Использование разностных индексов позволяет избежать включения в площади гарей участков местности, имеющих похожие спектральные характеристики (свежие рубки, горная тундра, каменистые россыпи).
4. На изображении, комбинированном из NIR каналов двух разновременных снимков, в RGB-синтезе 1-2-2, гарь выделяется ярко-красным цветом, поскольку спектральная яркость участка в NIR канале после пожара значительно ниже, чем до пожара. Примеры использования указанных выше дешифровочных признаков приведены ниже на рис. 1, 2, 3, 4
Рис. 1 Визуализация разновременных снимков LANDSAT 5-TM в синтезе каналов SWIR, NIR, GREEN (7-4-2). Пермский край, Гайнский район, Веслянское лесничество. Выделены две гари площадью более 8000 га.
Рис. 2. Использование разностного индекса DSWVI для дешифрирования гарей. Гайнский район Пермского края, площадь гари около 4000 га.
Рис. 3. Использование разностного вегетационного индекса DSWVI для разделения контуров гарей и свежих рубок. Индекс рассчитан по снимкам LANDSAT 5-TM за 2009 и 2011 гг.
Рис. 4. Использование разностного вегетационного индекса DSWVI для оконтуривания гарей в горных районах
Рис. 5. Валидация контуров гари по снимку SPOT4. Оценка площади гари изменена незначительно, контуры существенно уточнены
Рис. 6. Оценка степени повреждения растительности на гари от пожара № 247
Результаты дешифрирования гарей
С использованием всех вышеперечисленных признаков проведено ручное оконтуривание гарей. Всего нам удалось выделить 46 гарей 2010 года на общей площади 31959 га, что существенно больше, чем по данным АПП ПК. При этом площадь отдельных выделенных нами гарей составляет от 6 га до 4245 га. Выделено 20 крупных гарей площадью свыше 200 га, причем на них приходится более 90% всех выгоревших площадей, из них 7 гарей площадью более 1000 га.
Суммарная площадь выделенных нами гарей более чем на 7 тыс. га превышает площадь гарей, выделенных Гринпис России в 2010 году[3]. Такое расхождение объясняется тем, что в Гринпис России использовали снимки за период до завершения пожароопасного сезона.
Было также выполнено сопоставление полученного нами слоя гарей с результатами детектирования выгоревших площадей по снимкам низкого разрешения MODIS, проведенного ИКИ РАН [4]. Площадь гарей, выделенных ИКИ РАН на территории Пермского края, составляет 27969 га. Однако значительная часть объектов в данном слое не совпадает по расположению с тепловыми аномалиями MODIS, то есть ошибочно классифицирована как гари. На юге Пермского края обнаружена «ложная» гарь площадью более 7300 га. Площадь гарей, выделенных ИКИ РАН и совпадающих с нашими данными, составляет менее 16 тыс. га. По полученным данным рассчитана площадь выгоревших территорий по участковым лесничествам. Установлены даты действия пожаров, с которыми связаны выделенные гари. Также были сопоставлены площади гарей от крупных пожаров по нашим данным и по данным АПП ПК, примеры приведены в Табл. 1.