Разработка методов и технологий анализа данных в информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Котельников, Роман Владимирович

• Котельников, Роман Владимирович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Котельников, Роман Владимирович

Введение

ГЛАВА 1. Специфика и основные требования к информационному обеспечению дистанционного мониторинга лесных пожаров

1. Современные возможности дистанционного мониторинга лесных пожаров.

2. Основные задачи информационного обеспечения мониторинга и тушения лесных пожаров.

3. Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ - Рослесхоз).

4. Требования к построению систем сбора, хранения, представления и анализа информации в ИСДМ-Рослесхоз.

Вывод

ГЛАВА 2. Построение архитектуры системы сбора, хранения и представления информации в ИСДМ-Рослесхоз

1. Анализ основных видов информации, использующейся в ИСДМ-Рослесхоз.

2. Архитектура системы сбора и архивации информации ИСДМ-Рослесхоз.

3. Основные требования к организации принятия оперативных решений в диспетчерской службе охраны лесов России.

4. Архитектура построения системы представления информации ИСДМ-Рослесхоз.

Вывод

ГЛАВА 3. Разработка алгоритмического обеспечения для анализа информации дистанционного мониторинга лесных пожаров

1. Разработка многокритериального подхода для обеспечения принятия управленческих решений в ИСДМ-Рослесхоз

2. Разработка алгоритма подбора весовых коэффициентов.

3. Алгоритм экспресс - прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей

Вывод

ГЛАВА 4. Разработка методик использования информации дистанционного мониторинга для принятия управленческих решений.

1. Методика детального анализа космических данных об отдельных пожарах

2. Методика идентификации данных космического мониторинга

3. Методика сопоставления информации о крупных пожарах, полученной по данным региональных наблюдений и данным дистанционного зондирования

4. Методика оценки интегральной региональной статистики и данных, полученных на основе информации дистанционного зондирования

Вывод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и технологий анализа данных в информационной системе дистанционного мониторинга лесных пожаров»

Для повышения эффективности борьбы с лесными пожарами необходимо не только обеспечить лиц, принимающих управленческие решения [1], всей необходимой информацией, но и представить её в нужном наглядном и структурированном виде.

Главная особенность применяемой сейчас в лесном хозяйстве Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (далее ИСДМ-Рослесхоз) - использование большого объема разнородной информации. Применение классических методов консолидации данных не позволяет в полной мере использовать все потенциальные возможности системы. Приведение данных в единые форматы хранения часто затруднительно из-за существенных различий в порядке их поступления. Дополнительную сложность придает и различие точности данных, а также частота их обновления.

Резкий скачок в объемах и значительное расширение перечня поступающей информации, привели к необходимости радикального изменения подхода к дальнейшей модернизации системы.

Для повышения эффективности применения ИСДМ-Рослесхоз в первую очередь необходимо:

- модернизировать подсистемы ИСДМ-Рослесхоз, связанные со сбором, хранением и представлением информации;

- разработать алгоритмы и методы анализа данных ИСДМ-Рослесхоз.

Цель предлагаемой работы: разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора, организации хранения, а также алгоритмов обработки и оперативного представления данных пользователям Информационной системы дистанционного мониторинга Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз).

Предложенные решения закладывают основу развития ИСДМ-Рослесхоз не только в части анализа и прогнозов, но и для формирования рекомендаций лицам, принимающим решения.

Используя, в том числе и новые возможности подсистемы представления данных, в работе предлагаются методики анализа информации дистанционного мониторинга.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Котельников, Роман Владимирович

Вывод

За основу методики детального анализа информации об отдельных пожарах взят анализ наличия основных признаков, подтверждающих факт пожара:

- "горячие точки" в зоне пожара;

- устойчивая динамика развития пожара;

- дымовые шлейфы в зоне пожара;

- визуально заметные гари на месте пожара;

- информации по алгоритму оценки повреждений, используемому в ИСДМ-Рослесхоз;

- вид территории, на которой действует лесной пожар.

В связи с тем, что большая часть признаков не поддается однозначной количественной оценке, в работе предложены характерные примеры и детальные рекомендации по принятию решения является ли зарегистрированная тепловая аномалия лесным пожаром.

Для разработки методики идентификации данных космического мониторинга, был проведен анализ информации региональных лесопожарных подразделений о характере горения в районе зарегистрированных тепловых аномалий. Разработан классификатор очагов горения (обнаруженных дистанционными методами), которые не являются лесными пожарами. Для реализации возможности удобного доступа к необходимым данным, а также ввода результатов идентификации, был разработан пользовательский интерфейс (форма 12-ИСДМ), в основу которого положен реестр лесных пожаров, с возможностью перехода в картографический интерфейс (на нужную территорию в заданное время актуальности данных). Разработана методика и представлены примеры.

При разработке методики сопоставления информации о крупных пожарах по данным региональных наблюдений и данным дистанционного зондирования, за основу взяты следующие тезисы:

- из-за организационных особенностей обнаружения и представления данных региональными лесопожарными службами, а также из-за технических ограничений по минимальной площади регистрации пожаров космическими методами, дата обнаружения (регистрации) может отличаться в обе стороны в среднем от 3 до 5 дней;

- ошибки координат наземного обнаружения пожаров в среднем достигают 10 км;

- в качестве дополнительной информации, по которой можно контролировать правильность сопоставления - название лесничества; при разработке интерфейса сопоставления предусмотрена возможность отображения схемы в районе сопоставляемого пожара (с соответствующей актуальностью данных), отображения основной атрибутивной информации, а также возможность быстрого запроса дополнительной информации (открытия карточки нужного пожара).

При разработке методики оценки интегральной региональной статистики и данных, полученных на основе информации дистанционного зондирования, за основу взяты следующие тезисы:

- сравнение данных производится по суточному приросту и с нарастающим итогом; из-за особенностей формирования отчетности региональных лесопожарных служб, суточная статистика по ДЗЗ формируется по каждому субъекту с учетом часовых поясов;

- из учета исключаются детектированные с космоса тепловые аномалии, которые по результатам идентификации классифицированы как "не лесфонд", "сельхоз пал", "профвыжигания", "техногенный объект".

Предложенные методики существенно упростят использование информации, обрабатываемой в ИСДМ-Рослесхоз, включая данные дистанционного зондирования, в том числе и для принятия управленческих решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены новые подходы и методы анализа информации, получаемой на основе данных дистанционных наблюдений для решения задач мониторинга лесных пожаров.

Предложенные в работе архитектура организации сбора и архивации данных и архитектура организации системы представления данных позволили создать распределенную систему мониторинга пожаров, обеспечивающую получение однородной сопоставимой информации по всей территории Российской Федерации. Именно предложенные подходы позволили создать систему, которая сегодня является самой крупной в мире в своем классе по уровню автоматизации и охвату территории,

Разработанные методики и подходы, внедренные в ИСДМ-Рослесхоз, впервые позволили эффективно использовать данные дистанционного мониторинга для контроля работ по обнаружению лесных пожаров и борьбе с ними, а также применить для оценки последствий пожаров на всей территории страны. Это позволило значительно повысить эффективность управления этими работами в области охраны лесов. Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработка архитектуры построения распределенной подсистемы оперативного сбора и организации хранения данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ- Рослесхоз).

2. Разработка архитектуры подсистемы оперативного представления данных Информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров Федерального агентства лесного хозяйства (ИСДМ-Рослесхоз) для принятия управленческих решений, связанных с организацией мониторинга и тушения лесных пожаров, а также с работами по борьбе с последствиями действия лесных пожаров.

3. Разработка алгоритмов анализа информации для информационной системы дистанционного мониторинга лесных пожаров, в том числе:

- многокритериального подхода для обеспечения принятия управленческих решений в ИСДМ-Рослесхоз;

- алгоритма интерполяции многомерных табличных функций, для использования в подсистеме поддержки принятия решений ИСДМ-Рослесхоз;

- экспресс-прогноза прироста площади лесного пожара с использованием возможностей нейронных сетей.

4. Разработка методик анализа информации дистанционного мониторинга для принятия управленческих решений при организации тушения пожаров и оценки их последствий, в том числе:

- комплексного анализа информации, полученной различными средствами дистанционного мониторинга для подтверждения факта действия природных пожаров и оценки их характеристик;

- методики автоматизированной проверки результатов проверки информации, предоставляемой региональными службами наблюдений по идентификации пожаров, зарегистрированных на основе данных дистанционного наблюдения для оценки качества и эффективности работы региональных служб;

- методики комплексного совместного анализа информации о крупных пожарах, полученной на основе данных наземных и авиационных наблюдений.

Научные результаты внедрены в процессе разработки системы ИСДМ-Рослесхоз в ИКИ РАН, ООО "ИНКОМ", а также в процессе эксплуатации системы в ФГУ "Авиалесоохрана".

Научные результаты использованы в учебном процессе при подготовке операторов ИСДМ-Рослесхоз в Авиационном учебном центре ФГУ

Авиалесоохрана", а также на курсах при Департаментах лесного хозяйства федеральных округов.

Часть разделов указанной темы разрабатывались автором в рамках научно исследовательских работ, проводимых в ФГУ "Авиалесоохрана" и ЦЭПЛ РАН.

Их результаты вошли в отчеты по НИР (НИОКР) по темам:

- "Разработка методов прогнозирования природных пожаров и их последствий на основе геоинформационных технологий", в рамках государственного контракта №Р-9К-09/1 от 02.06.2009 между ФГУ «Рослесресурс» и ФГУ "Авиалесоохрана";

- "Научные исследования по развитию методов и технологий системы лесопожарного и лесопатологического мониторинга для оценки состояния лесов и регистрации текущих изменений в лесах", в рамках государственного контракта № Р-7К-10/11 от « 13 » августа 2010 г. между ФГУ «Рослесресурс» и ЦЭПЛ РАН.

Благодарности

Автор выражает благодарность Лупяну Е.А. за неоценимую помощь в изучении темы и оформлении работы.

Автор также глубоко признателен своим коллегам, работникам ФГУ "Авиалесоохрана": Ковалеву H.A. и Щетинскому В.Е.

Эта работа не могла бы быть выполнена без сотрудничества с организациями, разрабатывавшими элементы системы ИСДМ-Рослесхоз. Автор особенно благодарен Коровину Г.Н., Ершову Д.В., Флитману Е.В., Мазурову A.A., Прошину А. А., Комлеву А.Н., Семыкину C.B.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Котельников, Роман Владимирович, 2011 год

1. Коршунов Н.А., Котельников Р.В., "Борьба с лесными пожарами: проблема информационного обеспечения авиасредствами и ее решение," Пожарная безопасность, № 1, с 125-129, 2008.

2. Авиационная охрана лесов / Г.Н. Коровин, Н.А. Андреев Москва "Агропромиздат", 1988.

3. Охрана лесов от пожаров. / М.Г., Червонный. Москва Лесная промышленность, 1973.

4. Roman Kotelnikov, Serghey Stelmakhovich Waldbrandbekampfung in Russland Organisation und Praxis. // Brand Die Feuerwehren der Welt.- c. 112-131.

5. Лесные пожары на территори России: Состояние и проблемы. / Воробьев Ю.Л., Акимов Ю.А., Соколов Ю.И. Москва ДЭКС-ПРЕСС, 2004.

6. Дистанционное зондирование в лесном хозяйстве. / Данюлис Е.П., Жирин В.М., Сухих В.И., Эльман Р.И. МоскваИздательство "Агропромиздат", 1989.- с. 223

7. Егоров В.А., Барталев С.А., Лупян Е.А., Уваров И.А Мониторинг повреждений растительного покрова пожарами по данным спутниковых наблюдений. // Известия вузов: геодезия и аэрофотосъемка.- с. 98-109, 2006.

8. Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве и ланшафтном строительстве: Учебник. / Сухих, В.И.- Йошкар-Ола. Издательство МарГТУ, 2005.- с. 392.

9. Аэрокосмические методы в охране природы и в лесном хозяйстве. /

10. B.И.Сухих, С.Г. Синицын, Ю.С., Апостолов и др. Москва. Лесная промышленность, 1979.- с. 288.

11. Аэрокосмические методы географических исследований. / Л.Е., Смирнов. Ленинград Издательство ЛГУ, 1975.- с. 303.

12. Космические системы дистанционного зондирования Земли. / Гарбук

13. C.B., Гершензон В.Е. -Москва Издательство А и Б, 1997.- с. 296.

14. Аэрокосмический мониторинг лесов. / A.C. Исаев, В.И. Сухих, E.H. Калашников и др. Москва. Издательство "Наука", 1991.- с. 241.

15. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. / Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Москва. Издательство Логос, 2001.- с. 264.

16. Введение в космическое природоведение и картографирование. / Ю.П., Киенко. Москва Издательство Картгеоцентр - Геоиздат, 1994.- с. 212.

17. Лурье И.К., Косиков А.Г., "Теория и практика цифровой обработки изображений." Дистанционное зондирование и географическиеинформационные системы., 176, 2003.

18. Bartalev S.A., Egorov V.A., Loupian Е.А. and Uvarov I.A. Multi-year circumpolar assessment the area burnt in boreal ecosystems using SPOTVegetation. // Submitted to International Journal of Remote Sensing, 2005.

19. Котельников Р.В. Коршунов H.A., "Метеообеспечение в ИСДМ-Рослесхоз: Проблемы и перспективы.," Пожаровзрывобезопасность, № 1, 34-37, 2010.

20. Барталев С.А., Ершов Д.В., Коровин Г.Н., Котельников Р.В., Лупян Е.А.,

21. Пушкино (МО) ФГУ "Авиалесоохрана".- с. 140

22. Котельников Р.В., Коршунов H.A., "Космический мониторинг лесных пожаров.," Авиапанорама, № 2, pp. 14-17, 2008.

23. Применение систем глобального позиционирования в лесном хозяйстве. Учебно-методическое пособие. / Н.Б. Гусев, Е.А. Щетинский, Р.В. Котельников. Москва, ООО "А-Принт", 2006.

24. Рекомендации по пользованию Карманным компьютером лётчика-наблюдателя (KKJIH-MCP) при выполнении авиалесоохранных работ. Учебно-методическое пособие. / Н.Б. Гусев, Е.А. ГЦетинский, Р.В. Котельников.-Пушкино, ООО "А-Принт", 2005.

25. Коршунов H.A., Котельников Р.В., Лесные помощники летающие роботы., Лесной бюллетень, № 2.

26. Коршунов H.A., Котельников Р.В., "Перспективы применения беспилотной авиации в лесном хозяйстве.," Лесное хозяйство, по. № 3, рр. 39-40, 2009.

27. Коршунов H.A., Котельников Р.В., "Роботы над лесом.," Лесная Россия, по. № 2, рр. 34-38., 2006.

28. Котельнико Р.В. Возможность применения ИАС НЕВОД в системах поддержки управленческих решений авиалесоохраны. // Сборник научных трудов ВятГТУ, Рубрика "Управление и обработка информации".

29. Котельников Р.В. Информационная поддержка оперативных решенийпри авиалесоохраиных работах. // Сборник материалов ежегодной региональной научно-технической конференции ВятГТУ «Наука -производство технология экология», № 2.- с. 85-87, 2001.

30. Котельников Р.В., "Поддержка принятия решений диспетчера авиалесоохраны.," Открытые системы., по. № 10, Октябрь 2003, рр. 6773.

31. Системы поддержки принятия решений: основные понятия и вопросы применения. / Синюк В.Г., Котельников А.П.- БелградБелГТАСМ, 1998.-с. 78

32. Ларичев О.И., Петровский А.Б. Системы поддержки принятия решений: современное состояние и перспективы развития. // Итоги науки и техники. Техническая кибернетика, 21.- с. 131 165, 1987.

33. Котельников Р.В. Учёт психологического аспекта при проектировании систем поддержки принятия решений. // Сборник материалов ежегодной региональной научно-технической конференции ВятГТУ «Наука -производство технология экология»,ТII.- с. 97-98, 2000.

34. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения. / Кини Р.Л., Райфа Х.-МоскваРадио и связь., 1981.

35. Ю.В., Подрезов, Методологические основы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций. //Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. Выпуск № 3. Москва: ВИНИТИ, 2000.

36. Методологические основы прогнозирования динамики чрезвычайных лесопожарных ситуаций. / Подрезов Ю.В., Шахраманьян М.А.-МоскваВНИИ ГОЧС, 2001.

37. Многомерный статистический анализ в экономике. / JI.A. Сошникова, В.Н. Тамашевич, Г. Уебе, М. Шеффер.-1999Москва, Юнити-Дана.- с. 598

38. STATISTICA, искусство анализа данных на компьютере. / Боровиков В.П.-Питер., 2003.

39. Нейронные сети: обучение, организация и применение. / Головко., В.А.Москва ИПРЖР ,2001.

40. The MODIS fire products. Remote Sensing of Environment / Justice, С. O, Giglio, L., Korontzi, S., Owens, J., Morisette, J. T., Roy, D., Descloitres, J., Alleaume, S., Petitcolin, F., and Kaufman, Y.-, 2002.

41. Algorithm Technical Background Document MODIS FIRE PRODUCTS / Yoram Kaufman, Chris Justice.-(Version 2.2 Nov. 10 1998).

42. Энциклопедия. Вероятность и математическая статистика. / Прохоров, Ю.В. Гл.ред.-МоскваБолыпая Российская Энциклопедия, 1999.

43. Программа "Статистика тушения лесных пожаров". / Солодовников Н.И., Трейвус С.С.-СпбНИИЛХ, 1996.

44. Теория вероятностей, случайные процессы и математическая статистика. / Ю.А., Розанов.-Наука., 1985.