Анализ возможностей использования космической системы «Арктика-М» для мониторинга природных пожаров на примере анализа данных 2023 года

В настоящее время в России создается уникальная высокоэллиптическая гидрометеорологическая космическая система (ВГКС) «Арктика-М» (Асмус и др., 2021), предназначенная для информационного обеспечения, решения задач оперативной метеорологии, гидрологии, агрометеорологии, мониторинга климата и окружающей среды в арктическом регионе. Аналогов подобных систем в мире пока не существует. Первый космический аппарат, входящий в состав данной системы («Арктика-М» № 1), был запущен 21 февраля 2021 г. Принципиальной особенностью данной системы является то, что она должна обеспечивать непрерывное (1 раз в 15 мин) наблюдение северных территорий. Когда в эксплуатацию будет введен второй аппарат системы («Арктика-М» № 2), система фактически обеспечит возможность непрерывного мониторинга практически всей территории России. Следует отметить, что входящая в состав ВГКС «Арктика-М» аппаратура наблюдения Земли потенциально может позволить решать не только метеорологические задачи. Система, в частности, может представлять интерес для решения задач мониторинга природных пожаров, тем более что основной установленный на ней прибор МСУ-ГС/ВЭ позволяет получать данные в диапазонах 3,5–12,5 мкм, которые традиционно используются для детектирования пожаров. В тоже время, система обладает невысоким пространственным разрешением (4×4 км), что, безусловно, ограничивает возможности ее применения для решения задач мониторинга пожаров. Поэтому для оценки возможности применения ВГКС «Арктика-М» для мониторинга природных, в первую очередь лесных, пожаров и определения возможных направлений использования получаемой информации для решения данной задачи был проведен анализ данных, полученных в пожароопасном сезоне 2023 г. и сравнение их с информацией дистанционного мониторинга пожаров, получаемой на основе других спутниковых систем. Основные результаты проведенного анализа представлены в данном кратком сообщении.

Проведенный анализ основывался на сравнение информации, получаемой в системе ИСДМ-Рослесхоз (https://nffc.aviales.ru), обеспечивающей мониторинг пожаров на всей территории России Российской Федерации в интересах Федерального агентства лесного хозяйств Российской Федерации и данных спутника «Арктика-М» № 1. Следует отметить, что эти данные оперативно поступают в ИСДМ-Рослесхоз, поступление их в систему обеспечивает полностью автоматизированная обработка данных, реализованная в НИЦ «Планета». Система ИСДМ-Рослесхоз обеспечивает оперативное автоматическое дистанционное детектирование лесных пожаров и оценку площадей, пройденных огнем на основе данных приборов MODIS (спутники Terra и Aqua) и VIIRS (спутники Suomi NPP и JPSS1). Используемая в системе технология дистанционного мониторинга действующих пожаров достаточно подробно описана в работе.

Качественная оценка возможности наблюдения действующих пожаров с использованием данных спутника «Арктика-М» № 1. Оценка проводилась путем визуального сравнения информации о пожарах детектированных ИСДМ-Рослесхоз и данных прибора МСУ-ГС/ВЭ. Оценка показала, что во многих случаях на данных спутника «Арктика-М» № 1 в местах действия пожаров, детектированных и контролируемых ИСДМ-Рослесхоз наблюдаются ярко выраженные тепловые аномалии. Один из таких примеров приведён на рисунке 1., где показан пример данных, полученных прибором МСУ-ГС/ВЭ в канале 3,5–4 мкм в 15:00 GMT 09.08.2023 (растровое изображение), на которые наложены данные о действующих (в зоне которых в течение суток было детектировано горение) пожарах, зарегистрированных ИСДМ-Рослесхоз 09.08.2023 (красные контура и зоны горения, зарегистрированные в соответствующие сутки). Темные зоны на данных прибора МСУ-ГС/ВЭ соответствуют горячим участкам поверхности, которые, в основном, связаны с зонами горения. Хорошо видно, что такие участки наблюдаются в зонах пожаров различной площади. То есть прибор МСУ-ГС/ВЭ позволяет увидеть зоны горения и потенциально для него могут быть построены алгоритмы их детектирования.

Для более детальной оценки возможностей по наблюдению природных пожаров с использованием ВГКС «Арктика-М» была проведена количественная оценка вероятности наблюдения очагов горения различной площади прибором МСУ-ГС/ВЭ. Она осуществлялась на основе сравнения данных о зонах горения в конкретные сутки, детектированных в ИСДМ-Рослесхоз и данных, полученных ВГКС «Арктика-М» в анализируемые сутки. Для этого на основе данных прибора МСУ-ГС/ВЭ за конкретные сутки сформировались растровые карты (изображения) в каждую точку которых заносилось максимальные значения в данной точке, наблюдавшиеся за анализируемые сутки. Подобные карты формировались по территории Ресаублики Саха (Якутии) и Хабаровского края в координатах LL: Lat 119,53° в.д., Lon 49.87° с.ш. UR: Lat 149.88° в.д., Lon 71.7° с.ш. Эти изображения совмещались с зонами горения за те же сутки, полученными из ИСДМ-Рослесхоз. Пример такого совмещения приведен на рисунке 2. Во многих случаях на картах максимальных температур достаточно хорошо видны тепловые аномалии. В случае совпадения таких аномалий с зонами горения пожаров, которые формируются в ИСДМ-Рослесхоз, можно считать, что потенциально по данным МСУ ГС/ВЭ может быть детектировано горение анализируемого пожара.

Для оценки вероятности наблюдения очагов горения различной площади по данным прибора МСУ-ГС/ВЭ было выбрано 5567 зон горения, детектированных за период с 1 июля по 17 сентября 2023 г. Данные были разбиты на семь классов. Для всех выбранных пожаров был проведен анализ соответствующих построенных карт максимальных температур. В случае, если на карте в районе анализируемого пожара визуально наблюдалась явная тепловая аномалия, считалось, что анализируемый пожар потенциально мог бы быть детектирован на основе данных прибора МСУ-ГС/ВЭ. На основе полученной информации для каждой из выбранных групп пожаров с различной площадью суточного прироста горения была оценена вероятность обнаружения пожаров данной группы. Результаты анализа представлены на графике, приведенном на рисунке 3.

Рисунок 1 — Пример совпадения тепловых аномалий, наблюдаемых в канале 3,5–4 мкм прибора МСУ-ГС/ВЭ 15:00 GMT 09.08.2023 и данных о детектированных ИСДМ-Рослесхоз действующих лесных пожаров (красные контуры и зоны горения) за сутки 09.08.2023
 

Рисунок 2 — Пример совмещения ежедневной карты максимальных температур, наблюдавшихся в канале 3.5-4 мкм прибора МСУ-ГС/ВЭ 14.07.2023 и данных о детектированных ИСДМ-Рослесхоз участках горения за сутки 14.07.2023
 

Номер класса
Рисунок 3 — Зависимость вероятности наблюдения очагов горения различной площади по данным прибора МСУ-ГС/ВЭ от площади суточной зоны горения

Как показал проведённый анализ, зоны горения площадью выше 3500 га потенциально могут быть достаточно уверенно (с вероятностью более 80 %) детектироваться на основе информации ВГКС «Арктика-М». В тоже время можно предположить, что создание специальных алгоритмов детектирования горения по данным прибора МСУ-ГС/ВЭ может потенциально позволить повысить вероятность детектирования зон горения и меньшей площади.

Как показывают приведенные результаты исследования, ввиду ограничений на минимальную площадь уверенно детектируемых пожаров, сложно утверждать, что ВГКС «Арктика-М» без разработки специальных подходов к анализу данных может дать преимущества в раннем обнаружении пожаров. В тоже время, дополнительно проведенный анализ ситуаций возникающих пожаров показывает, что в ряде случаев, в силу больших перерывов между пролетами низкорбитальных спутниковых систем, информация ВГКС «Арктика-М» может давать подтверждающую информацию о развитии пожаров и на ранних стадиях. Например, анализ развития пожара к-457 Республика Саха (Якутия), показал, что он обнаружен около 02:00 GMT, после чего он несколько раз наблюдался низкоорбитальными спутниками до 05:00 GMT. Следующее его наблюдение, полученное по данным низкоорбитальных спутников, было только в 16:00 GTM. В тоже время, в районе 10:00 GMT данный пожар начал наблюдаться ВГКС «Арктика-М» № 1 (только в это время спутник включил режим наблюдения) и до 16 GMT получил данные о пожаре 24 раза. Таким образом, на рассматриваемом участке времени вновь возникший пожар наблюдался практически непрерывно. Потенциально на основе подобных серий наблюдений могут, в частности, формироваться информация о характере развития пожара, которая может быть достаточно важна для оперативного принятия решений по оптимальной реакции на его возникновение.

В заключение отметим, что проведенный первичный анализ ВГКС «Арктика-М» на примере данных, полученных спутником «Арктика-М» № 1 в пожароопасном сезоне 2023 г. фактически подтвердил, что достаточно низкое разрешение прибора МСУ-ГС/ВЭ в канале 3,5-4 мкм затрудняет детектирование небольших пожаров. В тоже время, ВГКС «Арктика-М» за счет обеспечения фактически непрерывного наблюдения, безусловно, обладает потенциалом контроля состояния действующих пожаров, в первую очередь — крупных. Поэтому, следует считать целесообразным разработку методов анализа природных пожаров на основе информации, поступающей с данной системы. Видимо, основным направлением развития данных методов должно быть создание подходов, использующих возможности практически непрерывного наблюдения пожаров для оценки их состояния и оперативного прогнозирования развития. Также, накопленный в рамках проводимой работы опыт работы с данными прибора МСУ-ГС/ВЭ, поступающими в ИСДМ-Рослесхоз, позволяет сделать вывод, что разработка новых подходов анализа данных, особенно основывающихся на многовременных наблюдениях, требует проведения работ по повышению стабильности и точности географической привязки данных.

В целом, проведенный анализ показал, что использование ВГКС «Арктика-М» может обеспечить новые возможности получения информации для мониторинга природных пожаров всей территории Российской Федерации, особенно после того, как группировка спутников будет полностью сформирована.

Данная работа была выполнена совместно с Институтом космических и информационных технологий Сибирского федерального университета и Дальневосточным центром «Планета».