Метод уточнения положения фронта природного пожара на основе ассимиляции данных различных спутниковых аппаратов в вероятностную модель распространения огня

Оперативное детектирование очагов горения требует использования спутниковых приборов с достаточно низким пространственным разрешением (1 км для MODIS и 375 м для NPP-VIIRS). Ранее нами была показана возможность уточнения местоположения фронта пожара на основе подхода ассимиляции спутниковых данных в модель распространения огня (Хвостиков и Барталев, 2015). Но дальнейшее увеличение точности ассимиляции требует разработки нового подхода, способного учитывать время детектирования очагов горения, использовать данных разных спутниковых аппаратов и учесть погрешности в этих данных и модельных оценках.
В данной работе предложен новый подход к уточнению периметра природного пожара, основанный на ассимиляции данных различных спутниковых аппаратов в вероятностную модель развития пожара. Подход состоит в определении наиболее вероятного положения фронта пожара по модельным и спутниковым оценкам положения фронта пожара с учетом их погрешностей (матриц ковариаций).
В соответствии с этим подходом 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. Подход вероятностного моделирования 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.
Приведенный метод позволяет уточнять положение фронта пожара по данным спутниковых аппаратов разного пространственного и временного разрешения. В работе приведены оценки точности полученных контуров с использованием данных спутниковых аппаратов MODIS, NPP-VIIRS, HIMAWARI-8 (AHI), полученных с помощью центра коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» (Лупян и др., 2015).
Работа выполнялась при финансовой поддержке Минобрнауки России, контракт 14.607.21.0122, уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI60715X0122.