Анализ возможностей адаптации технологий мониторинга пожаров по данным MODIS к данным VIIRS
Применяемая в настоящее время в ЦКП «ИКИ-Мониторинг» технология мониторинга пожаров использует как основной источник данных сведения об активном горении, получаемые по данным приборов среднего пространственного разрешения MODIS спутников Aqua и Terra. Данные позволяют проводить как оперативный мониторинг, так и работы по изучению и анализу накопленных с 2001 г. рядов данных о пожарах на всей территории Российской Федерации. Оперативно пополняемые ряды данных используются не только для получения информации об активном горении, но и для получения интегральных оценок параметров пожаров и их последствий, в том числе пройденных огнём площадей. Получаемые с использованием данных MODIS оценки показывают хорошую точность по сравнению с данными высокого пространственного разрешения благодаря применяемым в технологии мониторинга специальным коррекциям.
По информации НАСА аппараты Aqua и Terra подходят к концу своего эксплуатационного срока и их миссии завершатся ориентировочно в 2025–2026 гг. При этом остаются доступными данные запущенных в 2011 и 2017 гг. аппаратов NPP и NOAA 20 с прибором VIIRS на борту. Прибор VIIRS обеспечивает получение информации ДЗЗ в спектральных каналах, необходимых для выявления термических аномалий. Для этого прибора доступны открытые и бесплатные сервисы предоставления продуктов с информацией о пожарах и программные пакеты обработки, а так же, данные, получаемые в рамках соглашения о сотрудничестве с ФГБУ НИЦ «Планета», осуществляющего прием и обработку данных перечисленных аппаратов. Однако из за различного пространственного разрешения приборов (разрешение пиксела MODIS в надире — 1 км, пиксела VIIRS — 375 м) без адаптации технологии мониторинга возможно существенное изменение получаемых оценок характеристик пожаров, приводящее к невозможности получения сопоставимых оперативных оценок и ретроспективных сравнений.
В 2023 г. были проведены работы по оценке изменений при переходе на данные более высокого разрешения прибора VIIRS и анализу возможностей адаптации существующей технологии мониторинга пожаров для получения сопоставимых оценок при исключении данных MODIS. На первом этапе, проведен расчет наборов данных о пожарах, основанных только на наблюдениях VIIRS. На основе сформированных данных получены сравнительные оценки пройденных пожарами площадей на территории с данными «полного» набора по данным VIIRS и MODIS. Результаты сравнения общих и лесных площадей пожаров по территории РФ за 2020 г. приведены на рисунке 1.
Рисунок 1. — Оценки пройденных пожарами площадей
на территории РФ за 2020 г., млн га
Установлено, что исключение данных MODIS приведет к практически двукратному занижению оценок площадей пройденных огнем. Таким образом, мониторинг пожаров только по данным VIIRS без адаптации существующей технологии невозможен и необходимо проведение работ по анализу возможностей и адаптации технологий мониторинга пожаров к данным VIIRS для получения сопоставимых с накопленными ранее оценок.
Проведен анализ изменений, наблюдаемых при переходе на более высокое разрешение VIIRS и выявлены основные: изменение геометрически детектируемых площадей горения, изменившаяся связность отдельно наблюдаемых очагов горения в один пожар, появление «пропусков» площадей горения. Базовой причиной таких изменений, в первую очередь, является размер пикселя. На основе этого заключения был проведен ряд моделирований и установлено, что увеличением размера исходного пикселя продукта термических аномалий VIIRS можно скомпенсировать наблюдаемые факторы изменений, вызванных более высоким разрешением прибора, а так же возможно использовать существующую технологию мониторинга и получить сопоставимые «полным» набором данных оценки. Для определения размера пикселя, дающего наиболее близкую оценку к характеристикам «полного» набора были сформированы модельные ряды данных пожаров с различными размерами пикселя (1; 1,5; 2; 2,5 км). Результаты сравнения оценок приведены на рисунке 2.
На основе анализа результатов сопоставлений получены предварительные коэффициенты масштабирования для пикселов VIIRS, при которых сравниваемые площади единичных пожаров, а также оценки общих и лесных пройденных пожарами площадей близки по значениям к данным набора, включающего MODIS. Такой размер может составлять 1,1–1,3 км. На рисунке 3 приведены оценки общих и лесных площадей, пройденных пожарами на территории РФ за 2020 г., полученные на основе «полного» набора данных о пожарах и модельного, сформированного с пропорционально увеличенным пикселем VIIRS. Сравнение показало достаточную близость получаемых оценок.
Рисунок 2. — Разница в оценках пройденных пожарами площадей
на территории РФ за 2021 г. с модельными рядами, %
Рисунок 3. — Оценки пройденных пожарами площадей на территории РФ за 2020 г. по данным «полного» набора и сформированного только данными VIIRS с увеличенным размером пикселя
Кроме этого, при анализе причин изменений оценок площадей при переходе на более высокое разрешение VIIRS, в первую очередь, лесных пожаров было выявлено, что кроме размера пикселя такой причиной может быть частота наблюдения горения космическими аппаратами. Был проведен анализ частоты наблюдений пожаров различными аппаратами, сформированы 17 модельных рядов данных для крупных лесных пожаров по данным MODIS с различной частотой наблюдений (полной и искусственно уменьшенной) и разными размерами пикселя. Установлено, что управляя размером пикселя и частотой наблюдения можно получить наиболее полное покрытие пройденной огнем площади. Такой подход возможно использовать, в том числе, при проведении моделирования оптимальных параметров орбит и разрешения приборов группировки КА для оценки пожаров на различных типах территорий.
Таким образом, при завершении эксплуатационного срока спутников Aqua и Terra для продолжения работы системы дистанционного мониторинга пожаров ЦКП «ИКИ-Мониторинг» возможно использование существующей технологии мониторинга. Для обеспечения преемственности формируемых рядов данных и получения сопоставимых оценок возможно применение соответствующей корректировки размеров пикселов данных VIIRS.