Спектр, фото и огонь: ученые восстанавливают картину пожара по данным из космоса
Учёные из МГТУ имени Баумана, РКК «Энергия» и Института проблем механики РАН показали, как можно следить за лесными пожарами, объединяя данные сразу нескольких космических аппаратов — спектральных спутников Sentinel-2 и Landsat-8 и обычных фотографий, сделанных с борта Международной космической станции. Работа посвящена пожару, который в феврале 2020 года охватил гавайский остров Кахоолаве — небольшой, засушливый и почти лишённый растительности клочок суши площадью около 18 на 11 километров, который десятилетиями использовался военными США для бомбометания. Огонь там бушевал шесть дней, с 22 по 28 февраля, и его удалось потушить только благодаря начавшимся дождям.
Главная сложность мониторинга пожаров из космоса в том, что спутники пролетают над одним и тем же местом с большими перерывами: Sentinel-2 — раз в 5–10 дней, Landsat-8 — раз в 16 дней. Если пожар длится всего несколько суток, можно запросто пропустить и начало горения, и его пик, и момент затухания. К этому добавляются облака и положение Солнца: спектральные приборы работают в основном днём и в ясную погоду, а ночью в инфракрасном диапазоне дают куда менее детальную картину. Именно поэтому авторы статьи предложили сочетать разные типы съёмки — спектральные снимки, которые позволяют вычислять индексы растительности и «выгорания», и фотографии с МКС, которые дают более наглядную, хотя и менее точную картину.
Для анализа использовались специальные индексы, построенные на отношениях интенсивности излучения в разных спектральных полосах. Индекс NDVI показывает состояние растительности: чем он выше, тем гуще и здоровее зелёный покров. Индекс NBR, наоборот, чувствителен к выгоревшим участкам и активному горению. Учёные построили по этим данным серию изображений острова до пожара, в разгар горения и после него — и наглядно увидели, как фронт огня продвигается по острову, как исчезает граница между густой и разреженной растительностью и как облака искажают картину, создавая ложные очаги «зелени» или «гари». Чтобы отсеять такие ошибки, они применили маскирование: участки, закрытые облаками или занятые водой, исключались из дальнейшего анализа.
Особенно ценным оказался снимок с МКС от 6 марта 2020 года: он был сделан уже после того, как пожар утих, и позволил уточнить границы выгоревшей территории. Сопоставив эти данные со спектральными снимками от 25 и 27 февраля, исследователи восстановили последовательность распространения огня — от первых очагов в верхней части острова до окончательной кромки выгорания. Выяснилось, что пожар шёл в основном по траве и низкорослым кустарникам, а крупный разлом скальных пород в нижней части острова стал естественной преградой, остановившей огонь на одном из направлений.
Вывод учёных прост и важен для практики: ни один отдельно взятый спутник не даёт достаточно полной картины динамики пожара, но совместное использование разнотипных данных — спектральных и фотографических — позволяет восстанавливать ход событий даже на труднодоступных территориях и с приемлемой периодичностью. Облачность остаётся серьёзной помехой, и для более надёжных результатов нужны дополнительные алгоритмы маскирования, но даже в нынешнем виде такой подход превращает разрозненные космические снимки в мощный инструмент контроля за состоянием природных и биологических ресурсов.
Это оригинальное научное исследование, впервые демонстрирующее совместное применение спектральных данных Sentinel-2 и Landsat-8 и фотографий с российского сегмента МКС для анализа конкретного пожара на острове Кахоолаве; его ценность в том, что оно предлагает практический метод восполнения пробелов в наблюдениях, которые неизбежны при существующих орбитальных группировках.
Исследование опубликовано в журнале «Лесной вестник. Forestry bulletin»
