Дипломная работа: Повышение эффективности предприятия лесной отрасли на примере Слюдянского лесхоза
Отечественные ученые большое внимание уделяют разработке общей математической модели лесных пожаров с учетом таких существенных факторов, как влияние излучения Солнца, типа почвы и типа растительности на высыхание слоя лесных горючих материалов. Модель позволяет с помощью оценки динамики поля плотности излучения над очагом лесного пожара усовершенствовать методы его обнаружения и диагностики аэрокосмическими методами. Учитывая тот факт, что характерное расстояние между деревьями во много раз меньше, чем размеры типичного лесного массива, для математического описания лесных пожаров успешно используются методы механики сплошных сред. Главный результат моделирования - определение предельных условий, при которых процесс горения прекращается, что крайне важно для принятия решений в борьбе с огнем, а также для разработки новых способов и устройств.
Успешно ведутся научные разработки в области дешифровки изображений земной поверхности, полученных в разных спектральных диапазонах различными устройствами дистанционного зондирования, и оценки на основе таких данных состояния конкретных участков леса.
Большая и полноценная работа проводится в части создания программного обеспечения, позволяющего прогнозировать расположение на местности движущегося периметра пожара, высоту пламени и пройденную огнем площадь в зависимости от конкретных условий (скорость и направление ветра, класс пожарной опасности по условиям погоды).
Применение космических методов для нужд лесного хозяйства нашей страны начиналось еще в 1972 г. За период с 1978 по 2008 гг. с помощью этих методов был изучен лесной фонд России на площади более 350 млн. га. У истоков этой работы стоял тогда В.И. Сухих, который в одном из интервью сказал: "Сверху видно все, не только разгул огня. К сожалению, уже в 90-е гг. работы по внедрению в практику методов и технологий изучения и оценки состояния лесов на основе космической информации были, за малым исключением, практически свернуты. Так же, как и дальнейшие научные исследования в этом направлении. Лежит невостребованным, а с уходом пионеров в этой области может быть и утрачен большой научный задел".
По словам директора Центра по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН А. Исаева, "площадь гари на территории лесного фонда России в 5 раз превышает площадь вырубки лесов", а "размеры ежегодного ущерба от лесных пожаров соизмеримы с величиной доходов от лесного хозяйства, а в отдельные годы значительно превышают его". Что делать? В целях усиления охраны лесов от пожаров, повышения уровня противопожарной защиты лесного фонда Российской Федерации Правительство РФ постановлением от 10 января 1999 г. №35 утвердило федеральную целевую программу "Охрана лесов от пожаров на 2005-2009 годы". Программа принята. Но каков результат? Мы вправе гордиться отечественной системой авиалесоохраны и космомониторинга, достижениями ученых. Тревожат тенденции невостребованности этих замечательных достижений теми, кто принимает управленческие решения в конкретных ситуациях. Лесной пожар - не шутка. В этом убедились летом 2009 г. жители Москвы, а в начале 2009 г. жители Канберры. Правительство США сейчас выделяет большие средства на изучение тех проблем, с которыми уже имели дело наши отечественные специалисты. По-видимому, логика событий должна вести к более тесному сотрудничеству в этой области специалистов разных стран. Может быть, если очень повезет, наши исполнительные власти обратят внимание на необходимость принятия научно обоснованных решений в вопросах сбережения лесных ресурсов страны и защите населения от пожаров и их последствий.
1. В условиях формирования новых требований к качеству информации о состоянии лесных ресурсов возникает необходимость создания информационной системы лесного хозяйства, интегрирующей информационные потоки в лесоустройстве и лесохозяйственной деятельности. В первую очередь это связано с необходимостью существенного повышения оперативности, достоверности и организованности, временной и пространственной согласованностью данных о состоянии лесного фонда. На решение таких задач ориентированы географические информационные системы (ГИС), способствующие наиболее эффективному решению научных и прикладных задач, связанных с оценкой ресурсно-экологического потенциала лесов, контроля за состоянием лесных ресурсов.
Важнейшими качествами данных, используемых в процессе принятия решений, является их актуальность, полнота и объективность. Всеми этими качествами обладают данные дистанционного зондирования (ДДЗ). Дистанционное зондирование позволяет получать наиболее свежую информацию, что особенно важно для проведения ситуационного анализа в целях выработки оптимального решения. ДДЗ служат основой для создания актуальных тематических карт, и в действительности, являются первичным источником всей современной картографической информации. Более того, современные технологии дистанционного зондирования и компьютерной обработки ДДЗ существенно превосходят возможности традиционных бумажных карт – как в отношении содержания, так и в отношении разнообразия методов визуализации.
2. Интегрированная многоуровневая ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов ориентированна на решение шести основных задач:
- обнаружение пожаров;
- эффективная организация сил и средств для тушения пожаров;
- профилактика и предупреждение возникновения крупных лесных пожаров;
- расчет ущерба, причиненного уничтожением или повреждением леса в результате пожара;
- прогнозирование естественной и антропогенной динамики лесонасаждений;
- повышение уровня информированности принятия решений.
Если задачу обнаружения лесных пожаров можно решить, используя только данные наземных наблюдений, авиапатрулирования и дистанционного спутникового зондирования, то задачи борьбы и профилактики лесных пожаров, оценки ущерба невозможно решить без широкого привлечения ГИС и их наполнения соответствующими статическими и динамическими слоями. В этом смысле большая роль уделяется созданию системы прогнозирования и управления динамикой лесных ресурсов. Таким образом, осуществляется разработка ГИС как инструмента для принятия решений по охране и рациональному использованию лесов Иркутской области от пожаров, базирующейся на оперативных данных (данных спутникового дистанционного зондирования) и основополагающих данных. Последние будут включать данные, полученные на основе информации землепользования, лесоустройства, карт насаждений и данных управления.
ГИС мониторинга лесных пожаров и прогнозирования динамики лесных ресурсов создается на основе исходной картографической информации (цифровая топографическая основа масштаба 1:1000000), природно-хозяйственной карты, карт-схем лесхозов Иркутской области, предоставленных отделом лесопользования и воспроизводства лесов Комитета природных ресурсов по Иркутской области. Из цифровой топографической основы в карте области оставлены граница области, необходимые элементы гидрографии с дополнениями, дорожная сеть и основные населенные пункты.
ГИС предназначена для информационного обеспечения специалистов лесного хозяйства разнообразными справками о пожарах и состоянии лесного фонда Иркутской области с помощью данных дистанционного зондирования и базы лесоустроительной информации на различных уровнях. Она может применяться в качестве компьютерной базы для обучения специалистов в области природопользования и в конкретной работе при выборе рациональных путей вовлечения лесных ресурсов в хозяйственный оборот, а также для оценки экологических следствий принимаемых решений.
Информационное обеспечение управления лесными ресурсами представлено разными технологиями, реализующими этапы системного анализа, начиная от сбора и обработки данных до вариантного анализа развития ситуации, предшествующего принятию решений. Информационная подготовка решений осуществляется в процессе оперативного, текущего и фонового мониторинга, анализ стратегий обеспечивается математическими моделями прогнозирования и процедурами оптимального управления, реализованными на их основе.
Каждый этап подготовки решений (рис.1, приложение 2.) включает исходную базовую информацию, методы, алгоритмы и программы ее тематической обработки, программное обеспечение ГИС картографического представления информации и итоговую информацию для управления. На рис.1 приложение 1 представлены фрагменты этой общей схемы, имеющие отношение к выполняемой работе.
Оперативный мониторинг осуществляется средствами дистанционной космической съемки (AVHRR/NOAA). Обработка информации проводится методами тематического дешифрирования и нацелена в основном на выявление мест пожаров и картографирование участков, пораженных огнем. База данных результатов тематической обработки за несколько лет позволяет на основе статистической обработки выявить общие закономерности и предпосылки возникновения пожаров. В среде ГИС все результаты обработки привязываются к системе квартальной сети, что является основой идентификации очагов пожаров и в принятии решений для проведения мероприятий по их локализации и ликвидации. Средством для эффективного и оперативного принятия решений выступают высокоскоростные линии связи и передачи информации от её источника до конечного потребителя.
Среди продуктов обработки спутниковой информации можно выделить три основных типа: точечные объекты (лесные пожары) и площадные (гари крупных лесных пожаров) и точечно-пространственные (индекс пожарной опасности). Все типы объектов можно импортировать в ГИС, либо как растровое изображение с известными параметрами географической проекции, либо как табличный файл с координатами интересующего объекта и атрибутивной информацией. При работе с растровым изображением в ГИС возникает ряд неудобств, связанных с тем, что сами ГИС имеют векторную основу работы с данными. Например, отсутствует возможность изменения параметров, пересекающихся изображений наложение растровых изображений друг на друга и т.д. При импортировании табличных данных создается векторный слой, с которым можно работать также как с другими векторными слоями. К тому же, некоторые табличные данные имеют значительно меньший объем, чем растровое изображение, из которого они получены, что позволяет уменьшить время передачи данных.
Таким образом, наиболее эффективным, на наш взгляд, способом импорта результатов обработки спутниковый информации в ГИС мониторинга лесных пожаров является создание табличных файлов в ASCII формате. Так, табличное представление данных о действующих лесных пожарах, выделенных на космоснимках сокращает объем информации в сто раз. Результат детектирования очагов лесных пожаров преобразовывается в табличные формы непосредственно при обработке спутниковых данных и передается в ГИС уже в ASCII формате известной структуры.
ASCII файлы лесных пожаров имеют жесткую табличную структуру, необходимыми полями без которых невозможно импортировать данные в ГИС являются поля с координатами: широта и долгота пожара. Поля для временной привязки – дата и время пролета спутника. Дополнительные поля, которые являются информационными и могут потребоваться для дополнительной обработки – номер спутника и потоки излучения, принимаемые в пяти спектральных каналах радиометра AVHRR, установленного на ИСЗ серии NOAA.
Для определения площади гарей их картирования в пост оперативном режиме используется информация видимого диапазона в области спектра 0.8 1.1 мкм. Выбор данной области обусловлен тем, что на данный диапазон приходится максимум отражательной способности растительности. Эту процедуру лучше всего проводить весной, когда имеется значительный контраст между фоном здоровой растительности и значительно меньшим откликом сигнала гарей.
Результатом обработки детектирования гарей является промежуточный ASCII файл с набором следующих полей:
Обязательная информация, использующаяся для формирования слоя полигонного типа в файлах форматов ГИС:
а) идентификационный номер гари (1, 2, …..n)
б) долгота точек контура гари
в) широта точек контура гари