Метод уточнения положения фронта горения на основе ассимиляции спутниковых данных в модель развития пожара

Информация о положении фронта пожара важна при решении задач по определению степени его угрозы для близлежащих объектов, принятия решений о мерах по борьбе с огнем и оценке постпожарных последствий. Оперативное получение данной информации в масштабах России может быть обеспечено только спутниковыми данными относительно низкого пространственного разрешения, имеющих достаточно большую погрешность определения положения фронта пожара.
В ИКИ РАН разработан алгоритм уточнения положения фронта пожара на основе ассимиляции спутниковых данных детектирования областей активного горения в модель развития пожара. Алгоритм основан на разработанной ранее имитационной модели развития пожара и методе вероятностного прогнозирования динамики распространения огня. В соответствии с алгоритмом уточненное положение фронта пожара определяется как минимум критерия, заданного относительно спутниковых и модельных оценок с учетом их погрешностей.

В соответствии с алгоритмом вдоль исходного фронта пожара строится набор возможных направлений (маркеров) распространения огня. Пересечение маркеров и детектированных очагов горения позволяет определить среднее и дисперсию для спутниковых оценок положения фронта пожара. В случае если на направление приходится несколько разновременных снимков, то для каждого времени наблюдения создается свой маркер. Вероятностное моделирование позволяет оценить параметры возможного распространения пожара вдоль каждого маркера – его среднее и дисперсию. Полученные спутниковые и модельные оценки объединяются в вектора средних значений и матрицы ковариаций между разными маркерами. Предполагается, что спутниковые наблюдения независимы друг от друга и их матрица ковариаций диагональна.

Уточненное положение фронта пожара должно оптимальным образом соответствовать полученным векторам средних значений и матрицам ковариации. Критерий соответствий основан на сумме квадратичных форм отклонений фронта от средних модельных и спутниковых оценок относительно их матриц ковариации. Минимизация данного критерия посредством оптимизации методом градиентного спуска позволяет найти оптимальное положение фронта пожара вдоль каждого направления. Объединение полученных оптимальных положений для всех направлений дает уточненный контур пожара.

Данный метод применен для уточнения динамики фронта горения для более 230 пожаров на территории России в 2013 году. Для оценки точности результатов работы алгоритма полученные итоговые контуры пожара сравнивались с контурами по данным грубого разрешения (MODIS) и более высокого разрешения (Landsat). Оценивалось расстояние между контурами пройденной огнем площади. Полученные результаты показали, что уточненная оценка периметра пожара в среднем на 200 метров (или на 30%) ближе к фактическому положению гари, чем контур по данным низкого пространственного разрешения. Уточненный контур позволяет более адекватно оценить пройденную огнем площадь (значение коэффициента корреляции R2 = 0.81).

Рисунок 2.4.1 – Пример уточненного периметра пожара на 20.07.2013 6:05
GMT  (желтая линия) в сравнении с его контуром по данным MODIS (черная линия) на фоне изображения термического фронта по данным OLI-TIRS (красный цвет)