Информационное обеспечение локальных экологических исследований при моделировании лесных пожаров

Климашин, Александр Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Информационное обеспечение локальных экологических исследований при моделировании лесных пожаров
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Информационное обеспечение локальных экологических исследований при моделировании лесных пожаров"

УДК 528 7 574

На правах рукописи

Климашин Александр Михайлович

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ

25 00.36 - «Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003162632

Новосибирск - 2007

003162632

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии

Научный руководитель

доктор технических наук Трубина Людмила Константиновна

Официальные оппоненты доктор сельскохозяйственных наук

Тараканов Вячеслав Вениаминович,

кандидат технических наук Щербаков Юрий Сергеевич

Ведущая организация -

Сибирский государственный технологический университет, г Красноярск

Защита состоится 13 ноября 2007 г в 16 00 час на заседании диссертационного совета К 212 251 01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу 630108, Новосибирск, ул Плахотного, 10, СГГА, ауд 403

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА Автореферат разослан 13 октября 2007 г

Ученый секретарь /

диссертационного совета ^^ Жарников В Б

Изд лиц ЛР № 020461 от 04 03 1997 г Подписано в печать 11.10 2007 Формат 60 х 84 1/16 Уел печ л 1,34 Уч-изд л 0,93 Тираж 100 экз Заказ/УГ"

Редакционно-издательский отдел СГГА 630108, Новосибирск, ул Плахотного, 10

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, ул Плахотного, 8

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важным фактором в локальных, региональных и даже глобальных экологических процессах являются лесные пожары Планирование охраны лесов от пожаров, а также использование огня в различных целях лесного хозяйства должно регламентироваться применительно к конкретным лесным экосистемам, ландшафтам и лесорастительным зонам. Для этого необходимы исследования природы пожаров, условий их возникновения и распространения, а также лесоводственных, экологических и экономических последствий воздействия огня на компоненты экосистемы.

Оценка последствий пожаров необходима для устойчивого управления лесными ресурсами, охраны окружающей среды, поддержания видового разнообразия, а также прогноза динамики восстановления растительности и принятия мер по смягчению последствий изменения климата

Регулярная оценка пройденных огнем площадей в России выполняется службой охраны лесов Для этих целей активно развиваются технологии применения материалов дистанционного зондирования Тем не менее, получение ряда важных сведений, характеризующих процесс распространения пожаров и оценку их последствий на естественных пожарах, затруднено, поэтому необходимы натурные эксперименты Их реализация выполняется при контролируемых выжиганиях небольших лесных участков, а для имитации дымовых шлейфов используются мобильные генераторы Проведение натурных экспериментов в реальных природных условиях позволяет получить комплекс объективных данных, необходимых для построения компьютерных прогностических моделей

Эффективным средством информационного обеспечения локальных натурных экспериментов являются цифровые наземные стереосъемки, которые дают возможность детально изучать различные компоненты биоценоза и незаменимы при отслеживании динамических процессов, сопровождающих пожары Поэтому проблема информационного обеспечения локальных экологических исследований является актуальной

Целью диссертационной работы являлась разработка научно-методических основ информационного обеспечения локальных экологических исследований при натурном моделировании лесных пожаров по материалам цифровых крупномасштабных фотосъемок Задачами исследований являлись:

- определение возможностей и организационных форм использования материалов крупномасштабных цифровых съемок при проведении локальных экологических исследований,

- разработка методики информационного обеспечения комплексных натурных экспериментов по контролируемому выжиганию лесных участков для выявления природы пожаров и их экологических последствий,

- установление особенностей пространственно-временного распространения дымовых шлейфов, имитируемых генератором регулируемой дисперсности для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесных пожарах,

- получение и систематизация цифровых фотоматериалов натурно-модельных экспериментов для изучения последствий лесных пожаров.

Объектом исследований являются комплексные натурно-модельные эксперименты по выжиганию лесных участков, а предметом исследования -методика информационного обеспечения локального мониторинга лесных пожаров по материалам цифровых наземных фотосъемок

Теоретическую и методологическую базу исследования составляют труды по исследованию природы пожаров и их последствий, теория и методы цифровой фотограмметрии, алгоритмы цифровой обрабогки изображений В качестве программного обеспечения использовались Adobe Photoshop, Erdas Imagine, 3D Images, SDS (СГГА), Mapmfo Professional, Golden Software Surfer, S12

Информационную базу исследования составили обширные материалы натурных наблюдений и цифровых наземных съемок лесных ;листков Красноярского края, на которых проводились контролируемые выжигания

Научная новизна работы:

- впервые применены цифровые фотосъемки разных масштабов для информационного обеспечения натурно-модельных экспериментов по контролируемому выжиганию лесных участков, которые обеспечили по лучение новых сведений о геоморфологических и геоботанических характеристиках участков, важных для оценки экологических последствий лесных пожаров,

- выявлены некоторые особенности пространственно-временного распространения дымовых шлейфов, имитируемых генератором регулируемой дисперсности, по материалам цифровой синхронной стереофотосъемки, необходимые для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесных пожарах,

- для отслеживания послепожарных сукцессий на экспериментальных лесных участках Красноярского края сформирована мультимедийная база данных, включающая фотоматериалы, на которых зафиксирована объективная информация о состоянии участков в разные годы, в том числе до проведения пожара

Теоретическая значимость. Предлагаемая методика информационного обеспечения по материалам цифровых фотосъемок позволяет получить новые объективные сведения об экологических особенностях территорий, в частности при комплексных натурных экспериментах по выжиганию лесных участков и имитации дымовых шлейфов

Практическая значимость. Предложенные методики реализованы при выполнении международного проекта 99-ICA-076 «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири» и интеграционного проекта СО РАН «Аэрозоли Сибири - 2» Накоплена обширная информационная 4

база данных для отслеживания динамики восстановления растительного покрова после воздействия пожара Даны рекомендации по проведению цифровых крупномасштабных съемок в условиях натурных экспериментов для оперативного сбора данных

Апробация работы и публикации. Реализация результатов исследований осуществлена при выполнении следующих НИР:

- совместный российско-американский проект 99-1СА-076 «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири»;

- «Аэрозоли Сибири - 2 Гетерогенная химия и физика атмосферы Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы» (интеграционный проект СО РАН)

Результаты исследований были представлены на научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геоде-зического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, 2001); «IX Рабочая группа Аэрозоли Сибири» (Томск, 2002), Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 2003), 5-й Международной конференции «Природные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003); научно-практической конференции «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий — устойчивое развитие Сибирского региона» (Новосибирск, 2004); Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» (Новосибирск, 2005), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск, 2006), 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006); 2-й Международной научно-практической конференции «Геопространственные технологии и сферы их применения» (Москва, 2006), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007)

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 13 научных работах, из них 1 - в ведущем рецензируемом журнале, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый Высшей аттестационной комиссией

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений Объём рукописи составляет 129 страниц, включает 5 таблиц, 45 рисунков, 4 приложения и список использованной литературы, содержащий 110 источников, в том числе 17 иностранных

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели, сформулированы задачи исследований

В первой главе диссертации рассмотрены экологические последствия лесных пожаров и методы их мониторинга, установлены области применения

крупномасштабных цифровых съемок при проведении локальных экологических исследований

Во второй главе представлена методика информационного обеспечения на основе цифровых фотосъемок разных масштабов для комплексных натурно-модельных экспериментов по изучению поведения лесных пожаров и их последствий, отражены результаты комплексных натурных экспериментов по выжиганию лесных участков в разных лесорастительных зона); Красноярского края

В третьей главе описаны исследования по выявлению особенностей распространения искусственных дымовых шлейфов, создаваемых мобильным генератором, по материалам наземной цифровой стереофотосъемки

В заключении приведены основные выводы по результатам исследований

На защиту выносятся следующие научные положения:

1 Оперативно получать объективные сведения о результатах натурно-модельных экспериментов по выжиганию лесных участков небольших размеров, отличающихся геоморфологическими и геоботаническими особенностями, позволяет методика информационного обеспечения, основанная на использовании материалов цифровых крупномасштабных фотосъемок

2 Натурные эксперименты по моделированию дымовых шлейфов, подобных сопровождающим пожары, реализуются генератором регулируемой дисперсности Выявление особенностей их пространственного распространения для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесном пожаре обеспечивают материалы цифровой наземной стереофотосъемки

Теоретические и практические исследования, представленные в диссертационной работе, выполнялись при консультации доктора биол наук Ивановой Г А , а также доктора физ -мат наук Куценогого К П

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Оперативное получение объективных сведений о результатах натурно-модельных экспериментов по выжиганию лесных участков небольших размеров, отличающихся геоморфологическими и геоботаническими особенностями, обеспечивает методика информационного обеспечения, основанная на использовании материалов цифровых крупномасштабных фотосъемок.

В настоящее время в России ежегодно возникают десятки тысяч лесных пожаров, и их средняя площадь составляет около 900 тыс га Пожары в бореальных лесах - естественный процесс, действующий в широком пространственно-временном диапазоне, который в большинстве случаев определяет и облик растительности Лесные пожары влияют на лесовоссгановительные процессы

и динамику лесов В свою очередь, на возникновение, распространение пожаров и их последствия оказывают влияние климатические, физико-географические и биотические факторы

Естественные лесные пожары, возникающие от неизвестных источников возгорания и стихийно распространяющиеся по территории, не могут быть базой для выявления ряда важных факторов, определяющих поведение пожара и степень его воздействия на компоненты природной среды В этом случае необходимые сведения можно получить только экспериментально при натурном моделировании пожаров с заданными характеристиками поведения огня и последующем мониторинге послепожарных сукцессий.

Реконструкция пожаров позволяет выявить пожарные режимы, типичные для данного ландшафта, и восстановить их многовековую ретроспективу в прошлом, которую можно использовать как основу для сравнения с современными режимами, а также для прогнозирования развития лесных экосистем

Эффективным средством сбора пространственных данных для экологических исследований являются фотограмметрические методы, которые до недавнего времени имели ограниченное применение из-за сложности и трудоемкости их технологической реализации Однако новые технические средства получения и обработки цифровых изображений, за счет доступности, оперативности, информативности и других достоинств, создали предпосылки для их широкого внедрения в практику экологических исследований, в том числе, и при модельных натурных экспериментах

Применение цифровых камер, которые качественно изменили процесс съемки, обеспечило оперативное получение цифровых снимков в широком диапазоне масштабов Благодаря конструктивным особенностям цифровых фотокамер и их оснащения объективами с переменным фокусным расстоянием реализована возможность съемки, как в макро-, так и в гелережиме, не прибегая к использованию дополнительных приспособлений Именно эти виды съемок наиболее эффективны при проведении натурно-модельных экспериментов Кроме того, появилась возможность получения большого числа снимков за счет непрерывной скоростной съемки и наличия карт памяти увеличенных объемов Широкий набор функций по выбору режимов съемки обеспечивает высокое фотографическое качество получаемых изображений, которые можно корректировать при дальнейшей компьютерной обработке

Расширились возможности применения трехмерных моделей, которые представляют сфотографированные объекты достаточно близкими к их реальному виду, за счет формирования стереомоделей компьютерными средствами Такие модели незаменимы и для сохранения информации при проведении экспериментов по выжиганию лесных участков

Реализация всех технологических процессов обработки изображений компьютерными средствами делает их доступными для исследователей при-

родной среды и обеспечивает получение широкого набора качественных и количественных характеристик природных объектов

Таким образом, применение цифровых крупномасштабных фотосъемок на разных этапах комплексных натурно-модельных экспериментов предоставляет новые возможности информационного обеспечения таких исследований

Натурно-модельные эксперименты по изучению природных пожаров проводились в рамках международного проекта «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири»

Все пожарные эксперименты выполнялись по следующей схеме В бо-реальных сосновых лесах Красноярского края выбирались изолированные лесные участки (полигоны размером примерно 3><2 км) в разных лесорасти-тельных зонах На каждом из них выделялось несколько площадок размером 200 х 200 м (4 га), предназначенных для контролируемых выжиганий, т е для натурной имитации реальных лесных пожаров Предварительно на границах этих площадок создавались защитные противопожарные препятствия (канавы, песчаные полосы, вырубка кустарника), не позволяющие огню переходить с горящей площадки на соседние, которые служили в качестве эталонов при отслеживании послепожарных сукцессий

Для сопоставления разнородной информации, получения целостного профиля различных слоев данных, использовалась сеть базовых точек, разбивка которых выполнялась на каждом экспериментальном участке На местности точки маркировались металлическими прутьями на расстоянии 25 м друг от друга

Каждый опыт (выжигание) проводился после выполнения ряда подготовительных мероприятий, включающих количественную оценку исходного запаса горючих материалов на площадке, распределение растительности по типам (лишайник, мох, опавшая древесина и т п ) На базовых точках устанавливались измерительная аппаратура для регистрации скоростей и направления движения фронта огня по площадке, а также термопарные измерители температуры на пяти высотных уровнях, начиная от уровня земли и до 10 м от поверхности Во время пожара текущая температура с датчиков передавалась на запоминающие электронные устройства (даталоггеры), укрытые от перегрева слоем земли Кроме того, с вертолета, «зависающего» на высоте 1 000 м над горящим участком, проводилась регистрация пожара инфракрасной камерой, позволяющей следить, несмотря на сильную задымленность, за продвижением фронта огня и за последующим догоранием в тыловой части пожара Зажигание проводилось в виде «огневой ленты» с наветренного края площадки, обычно во второй половине дня В процессе выполнения подготовительных мероприятий, количественных и качественных учетов, а также непосредственно при пожаре и после него велись тщательные документальные записи, позволяющие сохранить сведения об условиях и характере данно-

го лесного пожара В последующие годы после выжигания отслеживалась динамика восстановления растительного покрова

Учитывая уникальность таких широкомасштабных экспериментов, проводимых в реальных природных условиях, при которых исходное состояние лесных участков кардинально изменяется под воздействием пожара, предложено проводить цифровые фотосъемки, материалы которых являются объективным и наглядным документом, обеспечивающим детальные сведения о растительном покрове для отслеживания послепожарных сукцессий.

Структурная схема информационного обеспечения натурных экспериментов по материалам крупномасштабных цифровых съемок при моделировании пожаров показана на рисунке 1

ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ Э14ПЫ НАГУРНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ВИДЫ ЦИФРОВЫХ ФОТОСЪЕМОК

# # #

Геоботаническое описание участков определение запасов лесных горючих материалов Опредезение характеристик участка (до выжигания) Панорамная съемка, стереосъемка напочвенной растительности, геодезическая съемка рельефа

Фиксирование скорости и интенсивности горения с помощью таймеров и термопар, аэрозольные пробы Контролируемые выжигания экспериментальных участков ИК-съемка, цифровая фотосъемка с летагельною аппарата

Измерение высот ы нагара, глубины прогорания, учег опада деревьев и т д Оценка постедсзвнй непосредственно после пожара Панорамная съемка, фотосъемка напочвенного покрова

Набчюдения за восстановлением растительноеги в последующие годы Отслеживание динамики восстановления расти гельного покрова Повторные фотосъемки растительного покрова, формирование базы данных

Рисунок 1 - Структурная схема информационного обеспечения натурно-модельных экспериментов

Для информационного обеспечения каждого этапа исследований дополнительно к традиционно применяемым методам сбора данных на участке предложено выполнять цифровые фотосъемки в разных масштабах Для дополнения геоботанических описаний участка работ эффективными могут быть фотосхемы, получаемые по материалам круговых панорамных цифровых фотосъемок Для детального изучения напочвенной растительности

предложено использовать цифровую стереофотосъемку с близких расстояний, а для детальной характеристики рельефа - результаты геодезической съемки, позволяющие формировать цифровую модель рельефа (ЦМР)

От характера рельефа участка зависят, в первую очередь, структура живого напочвенного покрова, а также особенности распространения фронта горения при пожаре В силу того, что исследуемые лесные участки небольшого размера, сбор данных о рельефе целесообразно осуществлять геодезическим способом Исходя из требований к точности и детальности представления поверхности, в процессе геодезических работ измерялись относительные высоты базовых точек ЦМР формировалась на основе интерполяции полученных данных программными средствами ЦМР имеет большое значение для комплексного анализа накопленной разноплановой информации, характеризующей различные ярусы растительности

Информативным документом о состоянии участка служат обзорные фотосхемы, дополняющие геоботаническое описание экспериментальных участков Сложность выполнения панорамных фотосъемок обусловлена густой лесной растительностью, при этом требуется отобразить участок с максимальной обзорностью и детальностью Для получения фотосхем в этих условиях предложен специальный способ проведения цифровой панорамной фотосъемки Его сущность заключается в выполнении круговой панорамной съемки с точек, располагающихся на разных сторонах участка, при этом точки закрепляются на местности для повторно: о проведения последующих режимных съемок С каждой точки рекомендуется получать серию перекрывающихся снимков (от 5 до 8) при последовательном развороте камеры по горизонту Камера при этом устанавливается на штативе, который центрируется над закрепленной точкой и нивелируется по уровню На рисунке 2 показана схема проведения цифровой фотосъемки для формирования фотосхем

Рисунок 2 - Панорамная фотосъемка, вид сверху, где Р[ - Р7 - схематичное изображение снимков, в, Б] - 34 - точки фотографирования, стрелками указаны направления съемки (оптические оси), пунктиром обозначена граница экспериментального участка

вз

Лесные пожары оказывают наиболее сильное влияние на нижние ярусы растительности и свойства почв Для изучения состава напочвенной растительности предложено выполнять стереофотосъемку с близких расстояний из узлов сетки, разбитой на участке Положение фотокамеры должно быть таким, чтобы обеспечить «вид сверху», как показано на рисунке 3 Для этого фотоаппарат устанавливают на штатив с помощью специально сконструированного кронштейна так, чтобы оптическая ось была отвесной Кронштейн позволяет перемещать камеру на расчетную величину базиса для получения стереопары изображений При такой организации съемки угловые элементы ориентирования снимков стереопары близки к нулю, что значительно упрощает их последующую фотограмметрическую обработку

По стереопарам восстанавливается объемная модель, при стереоскопическом наблюдении которой воспроизводится объективная картина состояния растительного покрова участка до пожара, при этом метрический анализ изображений позволяет определять качественные и количественные характеристики отдельных растений

Рисунок 3 - Схема выполнения крупномасштабной стереофотосъемки напочвенной растительности, где Бь 32 - положения фотоаппарата на разных концах базиса фотографирования В, Р - область напочвенного покрова в зоне перекрытия пары снимков

Для обработки материалов съемок разных масштабов выбрано программное обеспечение, представленное на рисунке 4 При выборе программных средств руководствовались принципами их доступности для специалистов, изучающих природную среду, и достижения необходимого качества результата

Рисунок 4 — Программные средства для обработки материалов фотосъемок

Формирование фотосхем по материалам панорамной съемки осуществляется программными средствами Photoshop Компоновка отдельных снимков в цельное панорамное изображение выполняется по идентичным объектам, находящимся в зоне перекрытия соседних снимков Установка съемочных камер практически в горизонтальное положение позволяет свести взаимные перспективные искажения соседних снимков к минимуму Формирование нескольких фотосхем из снимков, полученных с базовых точек, расположенных на разных сторонах участка, обеспечивает полное представление об участке в целом Рассматривая такие фотосхемы на мониторе с последовательным увеличением выбираемых зон, можно идентифицировать объекты размером до 1 см и даже крупнее за счет использования при съемке цифровых фотоаппаратов с большим разрешением Такая, достаточно высокая, детальность фотоизображения даже превышает степень подробности геоботанических описаний

Для получения количественных характеристик по материалам съемки с близких расстояний, в частности, для определения проективного покрытия отдельных видов растений, предложено использовать базовый пакет Erdas Imagine Professional Выделение типов растительности оптимально выполнять на основе классификации с обучением Для этих целей после импорта исходного изображения в Erdas Imagine создается набор эталонов, на основе которого, методом максимального правдоподобия, выполняется классификация Использование сведений о геоботаническом описании участков повышает объективность при задании эталонов Последующая генерализация областей, выделенных при классификации, путем поглощения мелких полигонов их ближайшими соседями, позволяет сформировать результирующее изображение, по которому выполняется расчет проективного покрытия выделенных

видов растительности Результаты для каждой узловой точки интегрируются для последующего компьютерного анализа

Для оперативного использования накопленных информационных материалов предложена структура формирования мультимедийной базы данных, которая реализована в программном продукте Front Page, обеспечивающим хранение данных в виде серии html-документов; а следовательно, и быстрый доступ к ним При этом каждое изображение (фотосхема или снимок напочвенного покрова) предложено сохранять в виде серии изображений с разным разрешением Это позволяет как оперативно просмотреть всю базу при визуализации изображения с низким разрешением, так и с максимальной детальностью по запросу пользователя Еще одной особенностью базы данных является наличие стереомоделей, которые можно рассматривать анагли-фическим способом

Так как данные научные исследования являются многолетними и направлены на выявление особенностей восстановления растительного покрова после пожаров, то целесообразно выполнять повторные (через 1, 2, 3 и более лет) панорамные и стереофотосьемки разных масштабов с использованием адаптированных к условиям проведения экспериментов предложенных методик выполнения цифровых фотосъемок Анализ изображений на разные даты эффективен для отслеживания динамики детальных изменений растительного покрова

Для обработки материалов съемок подобран набор оптимальных алгоритмов и программных средств, что обеспечивает получение оперативной (по сравнению с визуальным геоботаническим описанием) и объективной информации о состоянии растительности и рельефа до и после пожара.

Разработанные методики информационного обеспечения локальных экологических исследований реализованы при проведении комплексных натурно-модельных экспериментов в рамках международного научного проекта. а именно, выполнены полевые работы, включающие цифровые фотосъемки разных масштабов и геодезические работы на 13 экспериментальных площадках На каждую из площадок по результатам геодезических измерений сформированы цифровые модели рельефа средствами программы Surfer

С целью изучения динамики восстановления растительного покрова созданы цифровые панорамные фотосхемы до проведения пожарных экспериментов и в последующие годы. Фотосхемы сформированы с высоким разрешением и обеспечивают детальное изучение местности В приложении А, в качестве примера, представлены три фотосхемы, отражающие состояние растительного покрова одной из площадок до выжигания и спустя 2 и 3 гцда, они получены с одних и тех же закрепленных на местности точек Увеличенные фрагменты панорамных фотосхем демонстрируют достаточно высокую степень детальности отображения растительного разнообразия, в частности, на них различима структура коры деревьев, мелкие ветки, листья и т д Визу-

альный анализ таких фотосхем показывает изменение структуры растительного покрова после пожара

В процессе исследования лесных участков выполнена их горизонтальная стереофотосъемка с близких расстояний Стереопары получены с каждой из базовых точек, равномерно распределенных по участку Площадь покрытия одним снимком составила порядка 1 м2 По стереопарам сформированы и' включены в мультимедийную базу данных стереомодели, которые можно рассматривать на мониторе анаглифическим методом Кроме того, по таким снимкам определялось проективное покрытие различными ввдами напочвенной растительности для последующего отслеживания первичных сукцессий (приложение Б)

Процент достоверности выделения видов оценивался по результатам сравнения геоботанического описания и компьютерного анализа

Далее результаты автоматизированной классификации изображений комбинировались с цифровой моделью рельефа, что обеспечило анализ влияния форм рельефа на доминирование того или иного вида растений Совмещенное тематическое изображение с цифровой моделью рельефа показано в приложении Б

С целью комплексного анализа накопленной информации о результатах экспериментов по моделированию лесных пожаров создана мультимедийная база данных «Пожарный медведь» Структура базы данных показана на рисунке 5

1 Главная страница |

Невонка | Говоркове» I Хребтовый» Ярцево |

ЩРРЩРШРЩ^^РЩШШВМРЖ '1Ш(!(!1Ш1!|(~Р1Щ111в1(1РЧж

ЦМР, Plot3

1 « jT*> t t 1 i « t •• t

Условные обозначения

Невонка - название Ближайшего населенного пункта Plot 3 - название участка #1 - номера точек на конкретном участке - и т.д все точки участка

Рисунок 5 - Структура базы данных «Пожарный медведь»

Полученные материалы цифровой фотосъемки в комплексе с другими результатами натурных экспериментов использовались.для оценки воздействия пожаров разной интенсивности на компоненты лесных экосистем Это позволило выявить некоторые зонально-экологические особенности лесных пожаров и оценить их последствия на начальном этапе сукцессии Так в сосняках с доминированием в напочвенном покрове кустарничков, лишайников и зеленых мхов после пожаров, независимо от их интенсивности, происходит деградация мохово-лишайникового покрова, а восстановление нижних ярусов растительности обусловлено зонально Проведенные исследования раскрывают зонально-экологические особенности лесных пожаров и их последствий на начальном этапе сукцессии в сосняках Средней Сибири Материалы цифровых фотосъемок крупных масштабов существенно дополняют имеющиеся данные о природе и последствиях пожаров, что позволяет рекомендовать их для применения на разных этапах проведения контролируемых выжиганий.

2. Натурные эксперименты по моделированию дымовых шлейфов, подобных сопровождающим пожары, реализуются генератором регулируемой дисперсности. Выявление особенностей их пространственного распространения для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесном пожаре обеспечивают материалы цифровой наземной стереофотосъемки.

Пожар сопровождается образованием дымовых шлейфов Структура фронта горения крайне неоднородна в пространстве и изменчива во времени. Горение лесных горючих материалов происходит в двух режимах -пламенном и тлеющем В первом - в зоне горения температура достигает 1 ООО - 1 200 °С, во втором - около 500 - 600 °С Визуально эти режимы хорошо различаются При пламенном горении образуется яркое светящееся пламя оранжево-красного цвета Режим тлеющего горения сопровождается интенсивным образованием плотного белого дымового облака Прогноз распространения дымовых облаков в реальных природных условиях требует постановки специальных экспериментов В частности, имитация дымовых шлейфов может быть реализована генератором регулируемой дисперсности, который позволяет формировать дымовые облака с заданными параметрами, включая разный дисперсный состав аэрозольных частиц Поскольку процесс распространения дымовых шлейфов динамический, то зафиксировать его в пространстве можно только при использовании синхронной и скоростной фото- или видеосъемки

На поведение дымовых шлейфов в реальных природных условиях влияет неоднородность подстилающей поверхности, выраженная рельефом, структурой растительности и термической нестабильностью приземного слоя атмосферы. Для определения пространственно-временной изменчивости геометрии искусственных дымовых облаков в реальных природных условиях проведен ряд полевых экспериментов с применением синхронной цифровой стереофотосъемки

Проведение _ 'ентов включает следующие процессы

1) подготовительные работы (расчет оптимальных параметров съемки),

2) выбор места положения ГРД и маркировку точек опорной сети с учетом розы ветров на момент съемки,

3) запуск ГРД и синхронную стереосъемку цифровыми камерами генерируемых дымовых облаков,

4) геодезические работы по определению координат опорных точек;

5) цифровую обработку полученных стереопар,

6) вычисление параметров, характеризующих динамику дымового облака, и визуализацию результатов

Для тестирования отдельных этапов методики наземной стереофото-съемки при моделировании дымовых облаков проведен специальный эксперимент при минимальной мощности генератора Для этого выбрана небольшая площадка в окрестности Академгородка Перед съемкой была разбита сеть опорных точек в условной системе координат, средняя квадратическая ошибка их определения составила 1 мм

Для получения стереоизображений облаков оптимально использовать цифровые полупрофессиональные камеры, которые доступны по цене и в то же время пригодны для решения различных прикладных задач, так как обеспечивают достаточно высокое качество изображений дымовых шлейфов при правильном подборе режимов съемки

На основе пробных съемок дымового облака обоснован режим работы камер, предусматривающий

- короткое время экспонирования для исключения смаза изображения движущегося облака;

- ручной режим фокусировки, что повышает точность синхронизации срабатывания затворов двух камер, так как их автоматическая фокусировка может происходить не синхронно,

- ручная установка «баланса белого», позволяющая обеспечить качественное восприятие стереоэффекта за счет одинаковой цветопередачи на двух снимках.

Для синхронизации работы цифровых камер было предварительно модернизировано специальное устройство, обеспечивающее синхронное срабатывание затворов с точностью 0,04 с Для фиксирования динамики распространения генерируемого облака выполнена наземная съемка двумя цифровыми камерами Саэю С>У-3000ЕХ Камеры размещались таким образом, чтобы базис фотографирования был приблизительно параллелен направлению распространения аэрозольного облака Расчетный размер базиса составил 16 м, а расстояние до объекта съемки — 70 м Размер пикселя изображения в пространстве объекта был равен в среднем 33 мм Для выполне-

ния фотограмметрическом обработки снимков в зоне предполагаемого распространения облака было размещено 8 замаркированных опорных точек.

В ходе эксперимента было получено шесть стереопар с изображением аэрозольного шлейфа (рисунок 6) на разные моменты времени, интервал фотографирования между стереопарами составлял 2 с.

Рисунок 6 - Пример изображения дымового шлейфа, эксперимент 2002 г.

В результате цифровой обработки по полученным стереопарам формировались фотограмметрические модели, по которым в стереоскопическом режиме измерялись координаты точек, намечаемых на верхней и нижней кромках дымового шлейфа, а также координаты точек, располагающихся непосредственно на изображении облака, характеризующих его пространственную конфигурацию в горизонтальной плоскости. Точность построения моделей определялась по координатам опорных и контурных точек. Средние квадратические ошибки определения координат не превышали 0,27 м.

В процессе исследования выполнена опенка точности стереоскопического визирования па изображение облака путем многократного наведения марки на хорошо опознаваемые точки облака. В случае мелкодисперсного (плотного, непрозрачного) дымового шлейфа при хорошем фотографическом качестве стереопары, средняя квадратическая ошибка стереоскопического визирования составила 0,053 м.

В результате обработки шести стереопар были определены размеры проекций аэрозольного шлейфа и характеристики его формы, а также сформированы цифровые модели, описывающие пространственную форму дымовых облаков. Для этого использовался цифровой стереопло гтер 808, разработанный в СГТА, и программа 812, где в процессе измерений на облаке было набрано 300 точек,

ТТо координатам точек построены графики изменения формы дымового шлейфа от среза сопла до видимого края. На рисунке 7 представлены Iрафики, отражающие результат обработки шести стереопар.

стереопара [ 'стереопара 2 стереопара 3 стереопара 4 ■стереопара 5 'стреонара6

1 4 7 Ю 13 16 19 22 25 28 3 1 34 37

расстояние о г среза соплн, м

Рисунок 7 - График изменения формы дымового шлейф?

В результате тестовых экспериментов выполнено:

]) модернизирование устройства для синхронизации камер, что обеспечило получение устойчивого стереоскопического эффекта для измерения модели облака;

2) оптимизация схемы размещения опорных точек, их формы, размера, маркировки, способа закрепления, измерение пространственных координат которых предложено выполнять непосредственно после запусков генератора, что позволяет снизить объем полевых работ;

3) обоснование оптимальных режимов работы камер для достижения наилучшего фотографического качества изображений дымового облака.

В конечном итоге, оценка точности получения характеристик геометрии дымового облака показала, что предложенные приемы по размещению аппаратуры и опорных точек, метол определения их координат обеспечивают достаточную точность решения задачи.

Для определения влияния неоднородности подстилающей поверхности на распространение дымовых шлейфов проведена серия экспериментов в окрестности учебного полигона СГГА и П. Издревое. Для фиксирования динамики распространения генерируемого облака использовалась наземная съемка двумя синхронизированными цифровыми камерами типа Casio QV-3000EX, с базиса фотографирования 2 I м и расстояния до объекта 94 м. Фокусное расстояние объективов камер равно 7 мм, размер ппкееля в пространстве объекта составил 44 мм. Для определения пространственных координат замаркированных точек были использованы два теодолита, расположенные на определенном базисе. В итоге были получены пространственные координаты точек в местной системе координат с точностью 0,01 м.

Во время фотосъемки получен ряд стереоизображений дымовых облаков при различных режимах работы ГРД и в разное время суток. В утренний

часы производилась съемка облаков при использовании груб о лис пер с н о го и термоконденсационного режимов образования аэрозолей, в полдень - термомеханического режима, а вечером - с помошыо термом еха н и ч с с ко го и пневматического режимов. Всего получено 23 с тереопары шнуровых изображений (рисунок 8).

Рисунок 8 - Пример цифрового снимка с изображением ГРД и дымового шлейфа

В процессе цифровой обработки полученных стереопар определялась пространственная геометрия дымовых шлейфов, формировались фотограмметрические модели, по которым в стереоскопическом режиме измерялись координаты точек, соответствующих верхней и нижней кромкам дымового шлейфа, а также набор координат точек непосредственно на облаке, характеризующих его пространственную конфигурацию в горизонтальном направлении, что позволило впервые осуществить визуализацию облака в виде 3D модели.

Выполненные эксперименты позволили определить характеристики пространственно-временной изменчивости геометрии искусственных дымовых шлейфов. Относительная ошибка определения размеров облака не превысила 3 %, что является достаточным лля комплексного анализа факторов, влияющих на траекторию распространения облака, для оценки мощности эмиссии аэрозолей при лесных пожарах.

Заключение

На основании выполненных в диссертационной работе теоретических и практических исследований получены следующие результаты

1) обоснована эффективность применения крупномасштабных цифровых съемок при проведении локальных экологических исследований, за счет расширения функциональных возможностей цифровых камер,

2) разработана методика информационного обеспечения комплексных натурных экспериментов по контролируемому выжиганию лесных участков по материалам цифровых крупномасштабных съемок, включающая

- круговую панорамную фотосъемку для формирования обзорных фотосхем, которые дополняют геоботаническое описание экспериментальных участков,

- стереофотосъемку с близких расстояний для детальной оценки состояния напочвенного растительного покрова и формирования объемных моделей, обеспечивающих объективное представление состояния участков до проведения пожара,

3) исследованы особенности пространственно-временного распространения искусственных дымовых шлейфов по материалам синхронной наземной цифровой стереофотосъемки, что важно для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесных пожарах,

4) по итогам натурно-модельных пожарных экспериментов сформирована мультимедийная база данных, включающая результаты исследований по 13 участкам в разных лесорастительных зонах Красноярского края за 4 года, для каждого из которых сформированы обзорные фотосхемы, стереоизображения напочвенной растительности, цифровые модели рельефа, и определены характеристики отдельных компонентов биоценоза

Полученные материалы могут служить информационной базой для моделирования мощности аэрозольных эмиссий и послепожарных сукцессии

Результаты научных разработок внедрены в Институте химической кинетики и горения СО РАН и Институте леса им В H Сукачева

Список опубликованных работ, отражающих основное содержание диссертации

1 Определение геометрии дымового шлейфа от аэрозольного генератора методом цифровой стереофотограмметрии [Текст] / КП Куценогий, A M Климашин и др // Оптика атмосферы и океана - Томск Ин-т оптики атмосферы СО РАН -2004 -Т 17, №4 - С 339-344

2 Климашин, A M Методика проведения цифровой наземной стереосъемки для изучения искусственных аэрозольных облаков [Текст] / А.М Климашин // Сб науч тр аспирантов и молодых ученых Сиб гос гео-дез акад / Под общ ред Т А Широковой, СГГА - Новосибирск, 2005. -Вып 2-С 52-56

3 Климашин, A M Применение цифровых крупномасштабных снимков для изучения воздействия лесных пожаров на компоненты биоценоза [Текст] / A M Климашин // Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии сб ма1ериалов 3-й Всерос конф молодых учен - Томск-Ин-т оптики атмосферы СО РАН -2006 - С 486^89 с

4 Исследование воздействий пожаров на лесные экосистемы по материалам крупномасштабных цифровых съемок [Текст] / JIК Трубина, A M Климашин и др // ГЕО-Сибирь-2006 Т 2 Экономика природопользования и недвижимости Землеустройство, лесоустройство и кадастры сб материалов междунар науч конгр , 24-28 апр 2006 г., Новосибирск - Новосибирск СГГА, 2006. - С 249-254

5 Применение методов цифровой фотограмметрии для изучения био-ценотического разнообразия [Текст] / JI.K Трубина, А.М Климашин и др // Геология морей и океанов, тез докл XVI междунар науч шк по морской геологии Т II - M , 2005 - С. 48-49

6 Технологии применения наземных цифровых стереосъёмок для биоэкологических исследований / JIК Трубина, A M Климашин и др // Геопространственные технологии и сферы их применения тез. докл 2-й междунар. научн практ конф - M, 2006 - С 98-99

7 Климашин, A M Разработка тест-объектов для макросъемки с целью изучения биологических объектов небольших размеров [Текст] / A M Климашин, JI К. Трубина // Материалы науч -техн конф «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геодез производства и землеуст-роит работ»,СГГА -Новосибирск,2001 -С 76.

8 Использование цифровой стереофотограмметрии для изучения влияния пожара на структуру лесного биоценоза [Текст] / А.М Климашин, JIК Трубина, К.П Куценогий, Г А Иванова, В А Иванов // Материалы 5-й Междунар конф «Природные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» - 30 июня - 5 июля 2003 г, Красноярск - Красноярск, 2003 -С. 191-192

9 Моделирование распространения дымового шлейфа в условиях термической и динамической неоднородности подстилающей поверхности [Текст] / A M Климашин, К П Куценогий, В И Макаров, JIК Трубина, Д Ю Махов, M В Голобоков // Материалы 5-й Междунар конф. «Природные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» - 30 июня - 5 июля 2003 г, Красноярск - С 134

10 Климашин, A M Методика изучения газоаэрозольных эмиссий по материалам цифровых стереосъемок [Текст] / А М. Климашин, К П. Куценогий, О А. Беленко // СПАССИБ - СИББЕЗОПАСНОСТЬ - 2004. Науч -техн конф «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий - устойчивое развитие Сибирского региона» - Новосибирск, 2004 - С 82-84

Приложение А

Панорамы одного ИЗ участка и, справа увеличенные фрагменты панорам (до выжигания и спустя 2 и 3 года)

До выжигания

Черсч 1 года поело выжигания

Через 3 года после выжигания

2005 -

Приложение Б

Определение проективного покрытия мохово-лиша'йпикового яруса растительности экспериментальных площадок

а б

Классификация изображения: а - фрагмент исходного изображения; б - классифицированное изображение, где I — лишайник, 2 — мох, 3 - кустарник, 4 - сухой материал

ВхЗ кустарник-мох ШШ кустарник-лишайник ШШлишаиник еонишайник-мох

■ закрепленные на местности точки | [граница выжигаемого участка -------упавшие деревья

Совмещение тематического слоя мохово-лишайниковой растительности с цифровой моделью рельефа (участок среднетаежного сосняка л и ша й н к ко во-зе л е но м о шного)

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Климашин, Александр Михайлович

ВВЕДЕНИЕ:

1 Мониторинг лесных пожаров и их последствий. Возможности применения крупномасштабных цифровых фотосъемок при локальных пожарных экспериментах.

1.1 Общая характеристика и параметры распространения лесных пожаров.

1.2 Экологические последствия лесных пожаров.

1.3 Методы мониторинга лесных пожаров и их последствий.

1.4 Натурно-модельные эксперименты по изучению лесных пожаров и области применимости цифровых фотосъемок.

1.4.1 Особенности проведения натурно - модельных экспериментов.

1.4.2 Структура данных об экспериментальных участках.

1.4.3 Области применимости цифровых съемок при локальных экологических исследованиях.,

1.5 Выводы.

2 Информационное обеспечение натурных экспериментов при моделировании лесных пожаров на основе материалов цифровых фотосъемок

2.1 Способы проведения цифровых фотосъемок в условиях комплексных натурных экспериментов.

2.2 Методики обработки материалов цифровых съемок.

2.2.1 Формирование фотосхем.

2.2.2 Определение проективного покрытия по материалам цифровой съемки с близких расстояний.

2.2.3 Формирование анаглифических стереомоделей.

2.2.4 Создание мультимедийной базы данных по изучению лесных пожаров.

2.3 Опыт применения крупномасштабных фотосъемок при натурных экспериментах в сосняках средней сибири.

2.3.1 Лесоводственно-таксационное и геоботаническое описания экспериментальных участков.

2.3.2 Характеристика моделируемых пожаров.

2.3.3 Результаты натурно-модельных экспериментов в сосняках Средней Сибири.

2.4 Выводы.

3 Исследование особенностей распространения искусственных дымовых шлейфов по материалам синхронной наземной цифровой стереофотосъемки

3.1 Моделирование дымовых шлейфов.

3.2 Особенности методики проведения цифровой наземной стереофотосъемки для регистрации пространственно-временной изменчивости геометрии искусственных дымовых шлейфов.

3.3 Исследование динамики распространения дымовых шлейфов.

3.4 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Информационное обеспечение локальных экологических исследований при моделировании лесных пожаров"

Важным фактором в локальных, региональных и даже глобальных экологических процессах являются лесные пожары. Планирование охраны лесов от пожаров, а также использование огня в различных целях лесного хозяйства должно регламентироваться применительно к конкретным лесным экосистемам, ландшафтам и лесорастительным зонам. Для этого необходимы исследования природы пожаров, условий их возникновения, распространения и развития, а также лесоводственных, экологических и экономических последствий воздействия огня на компоненты экосистемы [1].

Регулярная оценка пройденных огнем площадей в России выполняется службой охраны лесов. Для этих целей активно развиваются технологии применения материалов дистанционного зондирования. Тем не менее, получение ряда важных сведений, характеризующих процесс распространения пожаров и оценку их последствий на естественных пожарах, затруднено, поэтому необходимы натурные эксперименты. Их реализация выполняется при контролируемых выжиганиях небольших лесных участков, а для имитации дымовых шлейфов используются мобильные генераторы. Проведение натурных экспериментов в реальных природных условиях позволяет получить комплекс объективных данных, необходимых для построения компьютерных прогностических моделей.

Эффективным средством информационного обеспечения локальных натурных экспериментов являются цифровые наземные стереосъемки, которые дают возможность детально изучать различные компоненты биоценоза и незаменимы при отслеживании динамических процессов, сопровождающих пожары [2]. Поэтому проблема информационного обеспечения локальных экологических исследований является актуальной.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- определение возможностей и организационных форм использования материалов крупномасштабных цифровых съемок при проведении локальных экологических исследований;

Объектом исследований являются комплексные натурно - модельные эксперименты по выжиганию лесных участков, а предметом исследования -методика информационного обеспечения локального мониторинга лесных пожаров по материалам цифровых наземных фотосъемок.

Теоретическую и методологическую базу исследования составляют труды по исследованию природы пожаров и их последствий, теория и методы цифровой фотограмметрии, алгоритмы цифровой обработки изображений. В качестве программного обеспечения использовались Adobe Photoshop, Erdas Imagine, 3D Images, SDS (СГТА), Mapinfo Professional, Golden Software Surfer, SI2.

Информационную базу исследования составили обширные материалы натурных наблюдений и цифровых наземных съемок лесных участков Красноярского края, на которых проводились контролируемые выжигания.

Научная новизна работы:

- впервые применены цифровые фотосъемки разных масштабов для информационного обеспечения натурно-модельных экспериментов по контролируемому выжиганию лесных участков, которые обеспечили получение новых сведений о геоморфологических и геоботанических характеристиках участков, важных для оценки экологических последствий лесных пожаров;

Предлагаемая методика информационного обеспечения по материалам цифровых фотосъемок позволяет получить новые объективные сведения об экологических особенностях территорий, в частности при комплексных натурных экспериментах по выжиганию лесных участков и имитации дымовых шлейфов.

Предложенные методики реализованы при выполнении совместного российско-американского проекта 99-ICA-076 «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири» и интеграционного проекта СО РАН «Аэрозоли Сибири - 2. Гетерогенная химия и физика атмосферы. Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы».

Результаты исследований были представлены на: научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геодезического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, 2001); «IX Рабочая группа Аэрозоли Сибири» (Томск-2002); Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 2003); 5-й Международной конференции «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003); научно - практическая конференция «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий - устойчивое развитие Сибирского региона» (Новосибирск, 2004); международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» (Новосибирск, 2005); «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск, 2006); 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006); 2-й Международной научно-практической конференции «Геопространственные технологии и сферы их применения» (Москва, 2006); международном научном конгрессе «ПЮ-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007).

Результаты исследований по теме диссертации были опубликованы в 13 работах, из них 1 в ведущем рецензируемом журнале, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый Высшей аттестационной комиссией.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объём рукописи составляет 129 стр., включает 5 таблиц, 45 рисунков и список использованной литературы, содержащий 110 источников, в том числе 17 иностранных.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Климашин, Александр Михайлович

3.4 Выводы

Исследованы особенности пространственного распространения искусственных дымовых облаков, создаваемых генератором регулируемой дисперсности, который способен моделировать дымовые шлейфы, подобные образующимся в результате лесных пожаров. Выявлено, что термоконденсационный режим ГРД, при котором создаются дымовые шлейфы с частицами субмикронных размеров, является наиболее подходящим для моделирования дымов, сопровождающих лесные пожары. Их структура достаточно хорошо прорабатывается на цифровых изображениях при правильно выбранных режимах съемки. Пространственное распространение моделируемых дымов возможно отслеживать только по стереоскопическим моделям, получаемым по стереопарам изображений дымовых шлейфов.

Для реализации предложенных подходов адаптирована методика проведения наземной стереофотосъемки к условиям натурных экспериментов по моделированию дымовых шлейфов. Выполнена модернизация устройства для точной синхронизации камер, что обеспечило получение устойчивого стереоскопического эффекта при измерении модели облака. Оптимизирована схема размещения опорных точек, их форма, размеры, маркировка, способ закрепления, что позволяет эффективнее определять их пространственные координаты, измерение которых предложено выполнять непосредственно после проведения пусков генератора, что позволяет снизить объем полевых работ. Обоснованы оптимальные режимы работы камер для получения наилучшего фотографического качества изображений дымового облака, что подтверждает оценка точности стереоскопического визирования на модель облака.

Экспериментально подтверждено, что применение цифровой наземной стереосъемки при имитации дымовых шлейфов, обеспечивает определение ряда важных параметров их пространственно-временной изменчивости, необходимых для определения коэффициентов турбулентной диффузии в условиях термической и динамической неоднородности подстилающей поверхности. Полученные результаты важны для оценки и прогнозирования экологических последствий лесных пожаров.

Заключение

На основании выполненных в диссертационной работе теоретических и практических исследований получены следующие результаты:

- круговую панорамную фотосъемку для формирования обзорных фотосхем, которые дополняют геоботаническое описание экспериментальных участков;

Полученные материалы могут служить информационной базой для моделирования мощности аэрозольных эмиссий и послепожарных сукцессий.

Результаты научных разработок внедрены в Институте химической кинетики и горения СО РАН и Институте леса им В.Н. Сукачева.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Климашин, Александр Михайлович, Новосибирск

1. Иванова, Г.А. Зонально-экологические особенности лесных пожаров в сосняках средней Сибири Текст.: дис. д-ра биол. наук: 06.03.03. РАН / Г. А. Иванова. Красноярск, 2005. - 222 с.

2. Трубина, JI.K. Цифровая фотограмметрическая обработка снимков для получения геопространственных данных при оценке состояния экосистем Текст.: дис. д-ра техн. наук: 25.00.34 / JI.K. Трубина. Новосибирск, 2002.-189 с.

3. Одинцов, Д.И. Охрана леса Текст. / Д.И. Одинцов // Лесное хозяйство.-1966. № 3. - С.2 - 4.

4. Валендик, Э.Н. Борьба с крупными лесными пожарами Текст. / Э.Н. Ва-лендик. Новосибирск: Наука, 1990. - 192 с.

5. Conard, S.G. Wildfire in Russian boreal forests Potential impacts of fire regime characteristics on emission and global carbon balance estimates Текст. / S.G. Conard and G.A. Ivanova // Environ. Pollut. - 1997. - Vol. 98. - P. 305 -313.

6. Ваганов, E.A. Пожары сибирской тайги Текст. / Е.А. Ваганов, В.В. Фу-ряев, А.И. Сухинин // Природа. 1998.-№ 7. - С.51 - 62.

7. Сухинин, А.И. Региональный спутниковый мониторинг лесных пожаров в Восточной Сибири Текст. / А.И. Сухинин // Лесоведение. 2001. - №5. -С.24-31.

8. Kasischke, E.S. Fire, global warming, and the carbon balance of boreal forests. Ecological Applications Текст. / E.S. Kasischke, N.L. Christensen and B.J. Stocks, 1995.- № 5 (2). P. 437 - 451.

9. Abaimov, A.P. Forest Ecosystems of the Ciyolithic Zone of Siberia; Regional Features, Mechanisms of Stability and Pyrogenic Changes Текст. / О.A. Zyryanova, S.G. Prokushkin T. Koike and Y. Matsuura // Eurasian J. For. Res. 2000.-№1.-P. 1-10.

10. Furyaev, V.V. Effects of Fire and Climate on Successions and Structural Changes in The Siberian Boreal Forest Текст. / V.V. Furyaev, E.A.Vaganov, N.M. Tchebakova, E.N. Valendik //Eurasian J. For. Res. -2001.-№2. -P.l 15.

11. Мелехов, И.С. Природа леса и лесные пожары Текст. / И.С. Мелехов. -Архангельск: ОГИЗ, 1947. 60 с.

12. Вонский, С.М. Интенсивность огня низовых лесных пожаров и ее практическое значение Текст. / С.М. Вонский. Л.: ЛенНИИЛХ. - 1957. -53 с.

13. Амосов, Г.А. Некоторые закономерности развития лесных низовых пожаров. Возникновение лесных пожаров Текст. / Г. А. Амосов М.: Наука, 1964.-С.167-179.

14. Софронов, М.А. Лесные пожары в горах Южной Сибири Текст./ М.А. Софронов.-М.: Наука, 1967. 150 с.

15. Софронов, М.А. Система пирологических характеристик и оценок как основа управления пожарами в бореальных лесах Текст.: автореф. дис. д-ра сельск.-хоз. наук / М.А. Софронов. Красноярск, 1998. -60 с.

16. Коровин, Г.Н. Исследование низовых пожаров в сосняках Текст. / Г.Н. Коровин // Лесное хозяйство. 1967. - № 2. - С.23 - 25.

17. Шешуков, М.А. Влияние важнейших факторов среды на основные параметры кромки огня низового пожара Текст. / М.А. Шешуков // Труды ДальНИИЛХ. 1971. - Вып.11.- С.85 - 98.

18. Валендик, Э.Н. Зависимость конвекционных потоков от пожара и состояния пограничного слоя атмосферы Текст. / Э.Н. Валендик, П.М. Матвеев//Вопросы лесной пирологии. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР.-1974.-С. 97-117.

19. Валендик, Э.Н. Прогнозирование контуров лесных пожаров на ЭВМ Текст. / Э.Н. Валендик, О.Ю. Воробьев, A.M. Матвеев //Характеристика процессов горения в лесу. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР. - 1977. - С.52 - 66.

20. Конев, Э.В. Дистанционный способ определения скорости распространения кромки лесного пожара Текст. / Э.В. Конев, А.И. Сухинин, Э.Н. Валендик // Лесное хозяйство. -1978. № 4. - С.83 - 85.

21. Курбатский, Н.П. Терминология лесной пирологиии//Вопросы лесной пирологии.-Красноярск: ИлиД.-1972.-С. 171-231.

22. Фуряев, В.В. Роль пожаров в процессе лесообразования Текст. / В.В. Фуряев. Новосибирск: Наука, - 1996. - 251 с.

23. Попов, Л.В. Южнотаежные леса Сибири Текст. / Л.В. Попов. Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 1982. - 330 с.

24. Фуряев, В.В. Изучение послепожарной динамики лесов на ландшафтной основе Текст. / В.В. Фуряев, Д.М. Киреев. Новосибирск: Наука, 1979.- 160 с.

25. Davis, К.Р. Forest fire: control and use Текст. / K.P. Davis / New York-Toronto London: McGraw-Hill Book Co.Inc. - 1959. - 584 p.

26. Попова, Э.П. Влияние низовых пожаров на свойства лесных почв Приан-гарья Текст. / Э.П. Попова // Охрана лесных ресурсов Сибири. Красноярск: ИЛиД, 1975.-С. 166- 178.

27. Johnson, V.J. Prescribed Burning Requiem or Renaissance Текст. / V.J. Johnson // Forestry, Februaiy. 1984. - P.82 - 91.

28. Viro, P.J. Effects of forest fire on soil Текст. / P.J. Viro, T.T. Kozlowski, C.E. Ahlgren // Fire and ecosystems., editors. Academic Press, New York-San Francisco-London. 1974. - P.7 - 44.

29. Gossow, H. Fire vegetation - wildlife interactions in the boreal forest Текст. // Fire in ecosystems of boreal Eurasia-Dordrecht-Boston-London: Kluwer Academic Publishers. - 1996. - P.431 - 444.

30. Korovin, G.N. Analysis of the Distribution of Forest Fires in Russia / G.N. Korovin // Fire in Ecosystems of Boreal Eurasia. Dordrecht. Boston. London: Kluwer Academic Publishers. 1996. - P. 112 - 128.

31. Ryan, K.C. Predicting post-fire mortality of seven western conifers Текст. / K.C. Ryan, E.D. Reinhardt //Canadian Journal of Forest Research. 1988. -№.18.-P. 1291-1297.

32. Keane, R.E. FIRESUM—an ecological process model for fire succession in western conifer forests Текст. / R.E. Keane, S.F. Arno, J.K. Brown // USDA Forest Service, General Technical Report INT-266. Ogden. UT. 1989. -76 p.

33. Keane, R.E. Simulating the consequences of fire and climate regimes on a complex landscape in Glacier National Park, Montana Текст. // R.E. Keane, K.C. Ryan, M.A. Finney // Tall Timbers Proceedings 2. 1998. - P.310 -324.

34. Reinhard, E.D. Modeling fire effects Текст. / E.D. Reinhard, R.E. Keane, J.K. Brown // Wildland Fire. 2001. - Vol. 10. - № 3 - 4. - P.373 - 380.

35. Воинов, Г.С., Прогнозирование отпада в древостоях после низовых пожаров Текст. / Г.С. Воинов, М.А. Софронов // Современные исследования типологии и пирологии леса. Архангельск: АИЛиЛх, 1976. - С.115 -121.

36. Софронов, М.А., Пирологическое районирование в таежной зоне Текст. / М.А. Софронов, А.В. Волокитина. Новосибирск: Наука, 1990. - 203 с.

37. Санников, С.Н. Лесные пожары как эволюционно-экологический фактор возобновления популяций сосны в Зауралье Текст. / С.Н. Санников//Горение и пожары в лесу: сб. материалов совещ. Красноярск: ИЛиД СО АН СССР.-1973. - С.236 - 277.

38. Санников, С.Н. Экология и география естественного возобновления сосны обыкновенной Текст. / С.Н. Санников. М.: Наука, 1992. - 264 с.

39. Ward, D.E. Factors influencing the emissions of gases and paniculate matter from biomass burning Текст. / D.E. Ward // Fire in the tropical biota. (Ed. J.G. Goldammer). Berlin: Springer-Verlag. 1990. - P.418 - 436.

40. Комарова,Т.А. Послепожарные сукцессии в лесах Южного Сихотэ-Алиня Текст. / Т. А. Комарова. Владивосток: ДВНЦ, 1992. - 222 с.

41. Куприянов, А.Н. Восстановление лесных экосистем после пожаров Текст. / А.Н. Куприянов, Н.Т. Трофимов, В.И. Заболоцкий. Кемерово: КРЭОО Ирбис, 2003. - 262 с.

42. Иванова, Г.А. Трансформация нижних ярусов лесной растительности после низовых пожаров Текст. / В.Д. Перевозникова, В.А. Иванов // Лесоведение. -2002. № 2. - С. 30 - 35.

43. Охрана лесов от пожаров как важнейший элемент национальной безопасности России. Коровин, Г.Н., Исаев А.С., "Лесной бюллетень", № 8-9 1998 г.

44. Дистанционное зондирование Текст.: перевод с англ. / под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. М.: Недра, 1983. - С. 1 - 23.

45. Исаев, А.С. Аэрокосмический мониторинг лесов Текст. / В.И. Сухих, Е.Н. Калашников М.: Наука, 1991. - С. 78-91.

46. Спутниковый мониторинг лесных пожаров в России. Итоги, проблемы, перспективы: Аналит. обзор Текст. / Ред. В.В. Белов // Satellite Monitoring of Forrest in Russia / CO РАН. ИОА. Новосибирск: ГПНТБ, 2003. -135 с.

47. Сухинин, А.И. Региональный спутниковый мониторинг лесных пожаров в Восточной Сибири Текст. / А.И. Сухинин // Лесоведение, 2001.-№ 5 .-С.24-31.

48. Кондратьев, К.Я. Космическая дистанционная индикация малых газовых и аэрозольных компонент атмосферы Текст. / К.Я. Кондратьев, А.А. Григорьев, А.Г. Покровский и др. Ленинград: Изд. ЛГУ, 1974. - 109 с.

49. Randerson, D. Photogrammetric and photometric investigation of a smoke plume viewed from space Текст. / D. Randerson, J.G. Garcia, Y.S. Whitehead J. Appl. Met. - 1971. - Vol. 10, № 6. - P. 241 - 250.

50. А.А. Григорьев, В.Б. Липатов. Дымовые загрязнения атмосферы по наблюдениям из космоса Текст. / Гидрометеоиздат. Ленинград, 1978. -35 с.

51. Елисеев, B.C. К вопросу о фотографировании дымовых струй от промышленных источников Текст. / B.C. Елисеев. Тр. ГТО. - 1969. - Вып. 238.-С.85-95.

52. Буров, М.И. Стереофотограмметрический метод исследования атмосферной диффузии Текст. / М.И. Буров, B.C. Елисеев, Б.А. Новаков-ский. Тр. ГГО. - 1969. - Вып. 238. - С. 77 - 85.

53. Елисеев, B.C. Стереофотограмметрическое исследование воздушного потока в пограничном слое над холмом Текст. /B.C. Елисеев. Тр. ГГО. - 1971. - Вып. 254. - С.87 - 99.

54. Елисеев, B.C. Траектории дымовых струй от промышленного источника Текст. / B.C. Елисеев. Тр. ГГО. - 1976. - Вып. 373. - С.78 - 85.

55. Изучение динамики аэрозольного шлейфа отчет по научно-исследовательской работе // НИИГАиК.- Новосибирск, 1969.

56. Гаргер, Е.К. Оценка возможности использования трассеров для проверки гипотезы лагранжевой турбулентности в приземном слое атмосферы Текст. / Е.К. Гаргер и др. // Тр. ИЭМ. 1977. - Вып. 15(60). - С.78 - 99.

57. Фотограмметрический метод определения координат тетронов в приземном слое атмосферы отчет по научно-исследовательской работе // НИИГАиК.-Новосибирск, 1985.

58. Stephens, J.K. Using combined video and lidar techniques to map explosive debris plumes Текст. / J.K. Stephens etc. // Proc. Of the 22 Intern. Laser Radar Conference. Matera, 2004. - V. 2. - P. 705 - 707.

59. Дмитриев, Б.Н. Цифровые синтезированные изображения аэрозольных шлейфов Текст. / Б.Н. Дмитриев, И.А. Суторихин // Оптика атмосферы и океана. Томск: Ин-т оптики атмосферы СО РАН. - 2000. - Т.13, № 8. -С. 779-783.

60. Федорова, О.П. Определение характеристик аэрозольного шлейфа по видеоизображению Текст. / О.П. Федорова, П.Л. Федорова // Тр. Между-нар. конф. ENVIROMIS,2002. Томск, 2002. - Т. 1. - С. 78 - 81.

61. Боголюбов, А.С., Панков А.Г., Простейшая методика геоботанического описания леса Текст. / А.С. Боголюбов, А.Г. Панков М., 1996. - С. 5 -25.

62. Взгляд изнутри Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.foto-video.ru

63. Анатомия цифрового фотоаппарата: сенсоры Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.3dnews.ru.

64. Устройство цифрового фотоаппарата, ПЗС матрица, пиксел Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.fotosait.com.

65. Трубина, JI.K. Стереомодели в изучении биологических объектов Текст.: монография / JI.K. Трубина. Новосибирск: СГГА, 2006. - 136 с.

66. Вейцер, Ю.В. Маскирующие дымы Текст. / Ю.В. Вейцер, Г.ГТ. Лучин-ский. М.; Л.: Госхимиздат, 1947.-202 с.

67. Леманн, А. К определению параметров диффузии для различных пунктов Текст. / А. Леманн // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. -Л.: ГИМИЗ, 1971. 98 с.

68. Бем, Б. Результаты экспериментального исследования дымовых струн от тенлоиых электростанций Текст. / Б.Бем // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Л.: ГИМИЗ, 1971. С. 44 - 48.

69. Буров, М.И. Стереофотограмметрическнй метод исследования атмосферной диффузии Текст. / М.И. Буров, B.C. Елисеев, Б.А. Новаковский // Тр. ГТО. 1969. - Вып. 238. - С. 77 - 85.

70. Елисеев, B.C. Траектории дымовых струй от промышленного источника Текст. / B.C. Елисеев // Тр. ГГО. 1976. - Вып. 373. - С. 78 - 85.

71. Елисеев, B.C. К вопросу о фотографировании дымовых струй от промышленных источников Текст. / B.C. Елисеев // Тр. ГТО. 1969. - Вып. 238.-С. 85-95.

72. Елисеев, B.C. Стереофотограммстрическое исследование воздушного потока в пограничном слое над холмом Текст. / B.C. Елисеев // Тр. ГГО. -1971.- Вып. 254. С. 87 - 99.

73. Елисеев, В. С. К вопросу о горизонтальном рассеянии примеси в атмосфере Текст. / B.C. Елисеев // Тр. ГТО. 1965. - Вып. 172. - С. 174 — 175.

74. Елисеев, B.C. Определение параметров атмосферной диффузии но видимым очертаниям дымового облака Текст. / B.C. Елисеев //Тр. ГГО. -1966.-Вып.-183. С. 77-78.

75. Елисеев, B.C. Исследование структуры дымовой струи и определение коэффициента турбулентного перемешивания по вертикальному распределению концентраций Текст. / B.C. Елисеев // Тр. ГТО. 1968. Вып. -234.-С. 95-99.

76. Вызова, H.JT. Турбулентность в пограничном слое атмосферы Текст. / Н.Л. Вызова, В.Н. Иванов, Е.К Гаргер. Л.: ГИМИЗ, 1989. - 263 с.

77. Вызова, Н.Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси Текст. / Н.Л. Вызова, Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов // Л.: ГИМИЗ. 1991. - 278 с.

78. Берлянд, А.Г. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы Текст. / А.Г. Берлянд. Л.: ГИМИЗ. - 1975. - 448 с.

79. Гаргер, Е.К. О рассеянии дыма от высотного точечного источника Текст. / Е.К. Гаргер // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. -Л.: ГИМИЗ, 1971. С. 194-206.

80. Гаргер, Е.К. Исследование относительной поперечной диффузии по дымовым струям в приземном слое атмосферы Текст. / Е.К. Гаргер, А.В. Найденов, Д.Б. Уваров // Тр. ИЭМ. 1978. - Вып. 21(80). - С. 16 - 24.

81. Гаргер, Е.К. Оценка возможности использования трассеров для проверки гипотезы подобия лагранжевой турбулентности в приземном слое атмосферы Текст. / Е.К. Гаргер, В.Ф. Конарев А.В. Найденов, Д.Б. Уваров // Тр. ИЭМ. 1977. - Вып. 15(60). - С. 78 - 99.

82. Гаргер, Е.К. О поперечной диффузии в приземном слое атмосферы Текст. / Е.К. Гаргер, А.В. Найденов, Д.Б. Уваров // Физика атмосферы и океана. Изд-во АН СССР, 1980. - Т. 16, № 4. -С. 368 - 375.

83. Гаргер, Е.К. Экспериментальная оценка некоторых констант гипотезы подобия лагранжевых характеристик турбулентности в приземном слое атмосферы Текст. / Е.К. Гаргер // Физика атмосферы и океана. Изд-во АН СССР, 1982. - Т. 18, № 8. - С. 787 - 796.

84. Жуков Г.П. Об измерении концентрации аэрозоля с помощью макета малобазового фотометра Текст. / Г.П. Жуков // Тр. ИЭМ. 1977. - Вып. 15(60).-С. 119-132.

85. Казанский А.Б. О форме дымовых струй Текст. / А.Б. Казанский, А.С. Монин // Из-во. АН СССР, 1957. Сер. геофиз., № 8. - С. 1020 - 1033.

86. Монин, А.С. Распространение дыма в приземном слое атмосферы Текст. / А.С. Монин // Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. -М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1962. - С. 366 - 381.

87. Найденов, А.В. О флуктуациях интегральной концентрации в дымовых струях в приземном слое атмосферы Текст. / А.В. Найденов // Тр. ИЭМ. -Вып. 21(80).- 1978. С. 25 -31.

88. Найденов, А.В. Флуктуации интегральной концентрации в струе примеси от точечного наземного источника Текст. / А.В. Найденов //Тр. ИЭМ. 1984. - Вып. 29(103). - С. 88 - 96.

89. Гаргер, Е.К. О сравнении ветровых и турбулентных профилей по измерениям с помощью вертикальных дымовых полос и высотной метеомачты Текст. / Е.К. Гаргер, А. Леманн // Тр. ИЭМ. 1977. - Вып. 15(60). -С. 59-77.

90. ЮО.Куценогий, К.П. Экспериментальные и теоретические исследования распространения и осаждения аэрозолей в турбулентном потоке Текст.: дис. д-ра. физ.-матем. наук / К.П. Куценогий. Новосибирск, 1983. -480 с.

91. Куценогий, К.П. Экспериментальное исследование поведения аэрозольного облака в условиях динамической неоднородности Текст. / К.П. Куценогий, В.И. Макаров, Ю.Н. Самсонов, Е.И. Киров, А.П. Гук, Л.К.

92. Трубина, А.В. Черемушкин // Тр. междунар. конф. RDAMA-2001. -Спецвыпуск. 2001. - Т. 6., Ч. 2. - С. 255 - 260.

93. Сахаров, В.М. Возможности мощного аэрозольного генератора при исследовании распространения примеси Текст. / В.М. Сахаров, К.П. Куценогий, Г.П. Загуляев, И.П. Павлов, А.П. Гончаров // Тр. ИЭМ. 1972. -Вып. 27.-С. 104-110.

94. Сахаров, В.М. Конструктивные и режимные характеристики аэрозольного генератора с регулируемой дисперсностью Текст. / В.М. Сахаров // Оптимизация технологии применения инсектицидных аэрозолей. Новосибирск: СО ВАСХНИЛ, 1983. - С. 3 - 13.

95. Куценогий, К.П. Экспериментальное исследование поведения аэрозольного облака в условиях динамической неоднородности Текст. / К.П. Куценогий и др. // Тр. Междунар. конф. RDAMA-2001. Спецвыпуск. -2001.-Т.6, 4.2.-С. 255 -260.

96. Куценогий, К.П. Определение геометрии дымового шлейфа от аэрозольного генератора методом цифровой стереофотограмметрии Текст. / К.П. Куценогий и др. //Оптика атмосферы и океана. Томск: Ин-т оптики атмосферы СО РАН. -2004. - Т. 17, № 4. - С. 339 - 344.

97. Трубина, Л.К. Технологии применения наземных цифровых стереосъёмок для биоэкологических исследований Текст. / Л.К.Трубина, A.M.

98. Климашин и др. // Геопространственные технологии и сферы их применения: тез. докл. 2-й междунар. научн. практ. конф. М., 2006. - С. 98-99.

Информация о работе

Климашин, Александр Михайлович
кандидата технических наук
Новосибирск, 2007
ВАК 25.00.36

Диссертация

Информационное обеспечение локальных экологических исследований при моделировании лесных пожаров - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы