УДК 535.233; 535.243.25; 614.841.4

PACS 92.70.Kb, 92.70.Mn

АППРОКСИМАЦИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗОНЫ ПОЖАРА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ TERRA/MODIS В ЗАДАЧЕ СУБПИКСЕЛЬНОГО АНАЛИЗА

© 2019 г.    Е.И. Пономарев1–3 *, К.Ю. Литвинцев4, Е.Г. Швецов2, 3, К.А. Финников3, Н.Д. Якимов3

1 Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН» (ФИЦ КНЦ РАН), г. Красноярск, Россия

2 Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ РАН, г. Красноярск, Россия

3 Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Россия

4 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск, Россия

* e-mail: evg@ksc.krasn.ru

Аннотация. В работе предложен усовершенствованный подход попиксельного анализа изображений Terra/MODIS, позволяющий повысить точность оценки характеристик активной зоны пожара при детектировании тепловых аномалий. Исследование выполнено по материалам съемок действующих пожаров растительности в лесах Сибири радиометром MODIS в диапазонах 3.930–3.990 и 10.780–11.280 мкм (21-й и 31-й каналы соответственно). Аппроксимацию температурного профиля фронта пожара предложено описывать функцией экспоненциального вида. Использование неравномерной аппроксимации распределения температур на поверхности в окрестности активной зоны горения позволяет определить долю активного пикселя изображения Terra/MODIS с заданным превышением температуры в нем над фоновой температурой, что повышает точность выделения зон активного горения и классификации интенсивности тепловыделения на субпиксельном уровне. Этот подход применим для мониторинга фаз развития пожара в оперативном режиме.

Ключевые слова: дистанционные данные, зона активного горения, мощность теплоизлучения, интенсивность, аппроксимация, субпиксельный анализ.

https://doi.org/10.21455/GPB2019.2-8

Цитирование: Пономарев Е.И., Литвинцев К.Ю., Швецов Е.Г., Финников К.А., Якимов Н.Д. Аппроксимация высокотемпературной зоны пожара на основе данных Terra/MODIS в задаче субпиксельного анализа // Геофизические процессы и биосфера. 2019. Т. 18, № 2. С. 97–105. https://doi.org/10.21455/GPB2019.2-8

Литература

Барталев С.А., Стыценко Ф.В., Егоров В.А., Лупян Е.А. Спутниковая оценка гибели лесов России от пожаров // Лесоведение. 2015. № 2. С. 83–94.

Бондур В.Г., Гордо К.А., Кладов В.Л. Пространственно-временные распределения площадей природных пожаров и эмиссии углеродосодержащих газов и аэрозолей на территории Северной Евразии по данным космического мониторинга // Исслед. Земли из космоса. 2016. № 6. С. 3–20. https://doi.org/10.7868/S0205961416060105

Гублер Е.В., Генкин А.А. Применение непараметрических критериев статистики в медико-биологических исследованиях. Л., 1973. 142 с.

Пономарев Е.И. Классификация пожаров в Сибири по мощности излучения на основе показателя FRP по данным TERRA/Modis // Исслед. Земли из космоса. 2014. № 3. С. 56–64. https://doi.org/10.7868/S0205961414020080

Пономарев Е.И., Швецов Е.Г. Спутниковое детектирование лесных пожаров и геоинформационные методы калибровки результатов // Исслед. Земли из космоса. 2015. № 1. С. 84–91. https://doi.org/10.7868/S0205961415010054

Пономарев Е.И., Швецов Е.Г., Усатая Ю.О. Регистрация энергетических характеристик пожаров в лесах Сибири дистанционными средствами // Исслед. Земли из космоса. 2017. № 4. С. 3–11. https://doi.org/10.7868/S0205961417040017

Швецов Е.Г. Вероятностный метод спутникового обнаружения и контроля энергетических параметров пожаров в лесах Восточной Сибири: Автореф. дис. … канд. тех. наук. Красноярск, 2012. 20 с.

Швецов Е.Г., Пономарев Е.И. Оценка влияния внешних условий на мощность теплоизлучения от лесных пожаров по данным спутникового мониторинга // Сиб. эколог. журн. 2015. № 3. С. 413–421.  https://doi.org/10.15372/SEJ20150308

Byram G.M. Combustion of forest fuels // Forest fire: Control and use. N.Y.: McGraw-Hill, 1959. P. 61–89.

Dozier J. A method for satellite identification of surface temperature fields of sub-pixel resolution // Remote Sens. of Environment. 1981. V. 11. P. 221–229.

Giglio L., Schroeder W., Justice C.O. The collection 6 MODIS active fire detection algorithm and fire products // Remote Sens. of Environment. 2016. V. 178. P. 31–41.

Ichoku C., Kaufman Y.J. A method to derive smoke emission rates from MODIS fire radiative energy measurements // IEEE Trans. on Geosci. and Remote Sens. 2005. V. 43. P. 2636–2649.

Justice C.O., Malingreau J.-P., Setzer A.W. Satellite remote sensing of fires: Potential and limitations // Fire in the environment: The ecological, atmospheric, and climatic importance of vegetation fires / Eds P.J. Crutzen, J.G. Goldammer. Berlin, Germany, March 1992. P. 77–88.

Kumar S.S., Roy D.P., Boschetti L., Kremens R. Exploiting the power law distribution properties of satellite fire radiative power retrievals: A method to estimate fire radiative energy and biomass burned from sparse satellite observations // J. Geoph. Res. 2011. V. 116. D19303. https://doi.org/10.1029/2011JD015676

Matson M., Dozier J. Identification of subresolution high temperature sources using a thermal IR sensor // Photogram. Eng. and Remote Sens. 1981. V. 47, N 9. P. 1311–1318.

McRae D.J., Jin J.-Z., Conard S.G., Sukhinin A.I., Ivanova G.A., Blake T.W. Infrared characterization of fine-scale variability in behavior of boreal forest fires // Canad. J. of Forest Res. 2005. V. 35, N 9. P. 2194–2206. https://doi.org/10.1139/x05-096

Peterson D., Wang J. A sub-pixel-based calculation of fire radiative power from MODIS observations: 2. Sensitivity analysis and potential fire weather application // Remote Sens. of Environment. 2013. V. 129. P. 231–249.

Safronov A.N., Fokeeva E.V., Rakitin V.S., Grechko E.I., Shumsky R.A. Severe wildfires near Moscow, Russia in 2010: Modeling of carbon monoxide pollution and comparisons with observations // Remote Sens. 2015. V. 7 (1). P. 395–429. https://doi.org/10.3390/rs70100395 

Vermote E., Ellicott E., Dubovik O., Lapyonok T., Chin M., Giglio L., Roberts G.J. An approach to estimate global biomass burning emissions of organic and black carbon from MODIS fire radiative power // J. Geoph. Res. 2009. V. 114. P. 1–22. D18205. https://doi.org/10.1029/2008JD011188

Wan Z., Hook S., Hulley G. MOD11A1 MODIS/Terra Land Surface Temperature/Emissivity Daily L3 Global 1 km SIN Grid V006 [Data set]. NASA EOSDIS LP DAAC. 2015. https://doi.org/10.5067/MODIS/MOD11A1.006

Wooster M.J., Roberts G., Perry G.L.W., Kaufman Y.J. Retrieval of biomass combustion rates and totals from fire radiative power observations: FRP derivation and calibration relationships between biomass consumption and fire radiative energy release // J. Geoph. Res. 2005. V. 110. D24311. https://doi.org/10.1029/2005JD006318


Сведения об авторах

ПОНОМАРЕВ Евгений Иванович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр СО РАН» (ФИЦ КНЦ СО РАН); Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН. 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/28; доцент, Сибирский федеральный университет. 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, д. 79. E-mail: evg@ksc.krasn.ru

ЛИТВИНЦЕВ Кирилл Юрьевич – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. 630090, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, д. 1. Тел.: +7 (391) 249-47-26. E-mail: sttupick@yandex.ru

ШВЕЦОВ Евгений Геннадьевич – кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН;  660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50/28; доцент, Сибирский федеральный университет. 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, д. 79. Тел.: +7 (391) 249-40-92. E-mail: eugeneshvetsov11@yandex.ru

ФИННИКОВ Константин Андреевич – кандидат физико-математических наук, доцент, Сибирский федеральный университет. 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, д. 79. Тел.: +7 (913) 830-05-20. E-mail: f_const@mail.ru

ЯКИМОВ Никита Дмитриевич – магистрант, Сибирский федеральный университет; Институт экологии и географии. 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, д. 79. Тел.: +7 (999) 445-23-08. E-mail: nyakimov96@mail.ru

APPROXIMATION OF A HIGH-TEMPERATURE FIRE ZONE IN THE SUB-PIXEL PROCESSING OF TERRA/MODIS DATA

© 2019   E.I. Ponomarev1–3 *, K.Yu. Litvintsev4, E.G. Shvetsov2, 3, K.A. Finnikov3, N.D. Yakimov3

1 Federal Research Center «Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the RAS» (FPC KSC SB RAS), Krasnoyarsk, Russia

2 Sukachev Institute of Forest, Siberian Branch of the RAS – Division of the FPC KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russia

3 Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia 

4 Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the RAS, Novosibirsk, Russia

Abstract. The paper proposes an improved approach of pixel-based analysis of Terra/MODIS imagery, which enhances the accuracy of the combustion zone characteristics assessment during detection of the thermal anomalies. The study was based on the imagery of active forest fires in Siberia obtained using MODIS radiometer in the spectral ranges of 3.930–3.990, 10.780–11.280 μm (bands 21 and 31, respectively). We propose to approximate the temperature profile of the fire front using the non-uniform exponential function. Non-uniform approximation of the temperature profile of active combustion zone allows estimation of the fraction of the active Terra/MODIS pixel with the specified temperature threshold above the background temperature. This improves the accuracy of active combustion zone area estimation and classification of the heat release rate at the subpixel level. This approach is applicable to the monitoring of the phases of fire development in the near real time mode.

Keywords: remote data, active burning zone, fire radiative power, intensity, approximation, sub-pixel analysis.

About the authors

PONOMAREV Evgenii I. – Cand. Sci. (Tech.), senior researcher, Federal Research Center «Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the RAS» (FPC KSC SB RAS); Sukachev Institute of Forest of the Siberian Branch of the RAS – Division of the FPC KSC SB RAS; associated professor, Siberian Federal University. Krasnoyarsk, Russia. E-mail: evg@ksc.krasn.ru

LITVINTSEV Kirill Yu. – Cand. Sci.  (Phys. and Math.), science researcher, Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the RAS. Novosibirsk, Russia. Tel.: +7 (391) 249-47-26. E-mail: sttupick@yandex.ru

SHVETSOV Evgeny G. – Cand. Sci.  (Tech.), science researcher, Sukachev Institute of Forest of the Siberian Branch of the RAS – Division of the FPC KSC SB RAS; associated professor, Siberian Federal University. Krasnoyarsk, Russia. Tel.: +7 (391) 249-40-92. E-mail: eugeneshvetsov11@yandex.ru

FINNIKOV Konstantin A. – Cand. Sci.  (Phys. and Math.), associate professor, Siberian Federal University. Krasnoyarsk, Russia. Tel.: +7 (913) 830-05-20. E-mail: f_const@mail.ru

YAKIMOV Nikita D. – undergraduate, Siberian Federal University; Institute of Ecology and Geography. Krasnoyarsk, Russia. Tel.: +7 (999) 445-23-08. E-mail: nyakimov96@mail.ru

Cite this article as: Ponomarev E.I., Litvintsev K.Yu., Shvetsov E.G., Finnikov K.A., Yakimov N.D. Approximation of a high-temperature fire zone in the sub-pixel processing of Terra/MODIS data, Geofizicheskie Protsessy i Biosfera (Geophysical Processes and Biosphere), 2019, vol. 18, no. 2, pp. 97–105 (in Russian). https://doi.org/10.21455/gpb2019.2-8

English version: Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2019, vol. 55, iss. 8. ISSN: 0001-4338 (Print), 1555-628X (Online).  https://link.springer.com/journal/volumesAndIssues/11485