Reducing the Risk of Avalanches with GIS and Machine Learning
Вооружившись передовыми геопространственными технологиями, агентства штата Колорадо могут идентифицировать лавины, прежде чем они сойдут.
Каждую зиму в горных районах Колорадо лавины представляют серьезную угрозу для жителей, гостей штата и путешественников. С 1950 года сошедшие в штате лавины унесли больше жизней, чем любые другие стихийные бедствия, и именно на Колорадо приходится треть всех погибших от лавин в Соединенных Штатах. В связи с этим, ученые Колорадского лавинного информационного центра (CAIC, см.: https://avalanche.state.co.us/) проводят исследования лавиной опасности, анализируют текущие погодные условия, чтобы предсказать, когда и где сход лавин является наиболее вероятным, особенно вдоль шоссе и автодорог. Присваивая рейтинг лавиноопасности и выдавая предупреждения, центр помогает снизить вероятность того, что люди пострадают или даже погибнут под лавинами.
Во время снежного сезона центр CAIC публикует ежедневные прогнозы мест схода лавин для удаленных районов шт. Колорадо, которые помогают жителям спланировать свои зимние поездки. Центр также выпускает прогнозы лавинной опасности в транспортных коридорах для Департамента транспорта штата Колорадо (CDOT) в целях повышения общественной безопасности на автомагистралях штата. Специальные дорожные бригады отвечают за снижение риска схода лавин, применяя взрывчатые вещества для превентивного спуска пластов снежных толщ со склонов с их последующей уборкой с проезжей части.
С помощью вьюера сцен Scene Viewer в приложении ArcGIS Pro ученые Колорадского лавинного информационного центра визуализируют пути схода лавин в 3D, чтобы выяснить, где лучше разместить взрывчатку и когда ее следует подорвать.
В течение многих лет центр использует инструментарий ArcGIS для отображения на картах путей движения лавин в виде полигонов. Но ученые понимали, что ГИС может предложить намного больше возможностей управления базами данных и прогнозирования. Они хотели упростить прогнозистам сбор данных в полевых условиях и их сохранение в геопространственной базе данных, чтобы каждый пользователь мог моментально увидеть эту информацию и работать с ней. Они также хотели добиться лучшей визуализации мест и причин возникновения лавин.
Партнер Esri, компания Earth Analytic, Inc. разработала SmartMountain – набор веб-приложений и мобильных приложений, которые позволяют собирать, организовывать и обмениваться данными по горной местности, которые имеют решающее значение для обеспечения безопасной снеголавинной обстановки. Уже более года CAIC и CDOT совместно используют специализированную версию этого решения, помогающую лучше понять, как новый снег, ветер и постоянно ослабленные слои в толще старого снега способствуют возникновению лавин.
«Мы используем компоненты SmartMountain, соответствующие специфике нашей работы, и модифицированные под наши задачи инструменты, чтобы охватить в нашем обзоре территории, намного более обширные, чем зоны горнолыжных курортов, – сказал Майк Куперштейн, специалист по прогнозированию лавин в CAIC. – Выдаваемый центром прогноз охватывает около 28 000 квадратных миль отдаленных территорий, а также все автомобильные дороги, которые пересекают пути возможного схода лавин».
Центр CAIC использует приложение Operations Dashboard for ArcGIS для интерактивного отображения массива лавинных данных, включая информацию о скоплениях снега и воды, перекрытиях дорог и подробные сведения о том, какие взрывчатые вещества использовались для снижения степени лавиной опасности и где именно они применялись.
Большая часть работ, связанных с уменьшением опасности схода лавин вдоль автомобильных дорог Колорадо, выполняется дорожными бригадами, которые используют взрывчатые вещества для контролирования устойчивости снежных толщ на потенциально опасных склонах. Для более точного понимания складывающейся обстановки и выдачи рекомендаций о времени и месте проведения очередных взрывных работ прогнозисты визуализируют ранее известные пути схода лавин в 3D-виде во вьюере сцен (Scene Viewer) в приложении ArcGIS Pro.
С помощью инструментов геообработки ученые CAIC могут определить значения высот и уклонов окружающей местности. По результатам обработки этих данных система выводит векторные слои, которые можно использовать для отображения и выполнения запросов к данным.
«Наши алгоритмы машинного обучения, созданные на языке Python, основываются на опыте обработки уже имеющихся и вновь собираемых полевых данных, – пояснил Куперштейн. – Мы можем добавить значительно больше данных о топографии путей схода лавин и лавиноопасных склонов, а также о погодных условиях, которые влияют на особенности поведения лавин на каждом из участков. Алгоритмы машинного обучения позволяют детально исследовать и сравнить черты путей схода лавин и выдавать более обоснованные и точные расчетные прогнозы».
Теперь полевые команды собирают информацию о лавинных явлениях с помощью мобильного приложения ArcGIS Survey123, сразу заносят ее в базу данных и используют для составления прогноза; ранее для фиксации таких данных использовали карандаш, бумагу и картонные планшеты.
Величина итогового комплексного параметра, при которой соответствующие условия приводят к сходу лавины, специалисты по прогнозированию называют пороговым значением. Чтобы определить эти пороговые значения, специалисты опираются на исторические данные о каждом из путей схода лавин и на условия, имевшие место в моменты схода лавин. Ученые CAIC написали скрипты Python для определения пороговых значений в формате XML. Затем пути схода лавин, по которым пороговые значения будут достигнуты за 12, 24 и 36 часов, кодируются и отображаются разными цветами. Наконец, ученые центра создают визуализации уровней риска и передают их в режиме онлайн специалистам по прогнозированию департамента транспорта CDOT, которые, в свою очередь, используют эти данные для выделения областей повышенного риска, расположенных вдоль автомагистралей штата Колорадо, для последующего определения порядка действий по смягчению последствий схода лавин.
В прошлом специалисты по составлению прогноза вручную фиксировали лавинные явления, вооружившись карандашами, бумагой и планшетными блокнотами. Теперь же полевые бригады используют программу Survey123 for ArcGIS для сбора информации о перекрытии дорог и документирования действий по уменьшению последствий схода лавин. Они могут записать, какие взрывчатые вещества использовались, зафиксировать результаты проведенных взрывов и места, в которых лавина обрушилась на шоссе.
«Мы также решали, на какие именно вопросы сотрудники хотят получить ответы, а затем встраивали их в мобильные приложения ГИС, – отметил Куперштейн. – Таким образом, аналитики и прогнозисты могут вводить ответы на интересующие именно их вопросы, обмениваться полученными данными, не обращаясь постоянно к ГИС-персоналу».
Центр также использует диспетчерское приложение Operations Dashboard for ArcGIS для работы с отчетными материалами и отображения информации о лавинах в режиме реального времени. На интерактивной информационной панели с привязкой к карте отображаются данные об объеме снега и воды по разным участкам дорог, а также несколько тестовых участков для детального изучения структуры снежной толщи. В окне с картой помечаются места перекрытия дорог и показывается количество сошедших лавин как в то время, когда дорога открыта для проезда, так и в периоды ее перекрытия для проведения очистных и прочих мероприятий. CAIC также ведет учет инвентарных номеров взрывчатых веществ и сохраняет информацию о том, кто, когда и в каких местах их применял. На информационной панели отображается тип взрывчатых веществ, использовавшихся для контроля лавинных процессов, и показывается результат их применения. Это позволяет добиться соответствия требованиям к отчетности со стороны федерального правительства и правительства штата.
В хозяйстве центра есть несколько тестовых участков для исследования снежной толщи, на которых ученые теперь используют мобильное приложение Survey123 для записи и передачи в режиме реального времени информации о количестве выпавших осадков, высоте снежного покрова и т.д.
«В ближайшие годы ГИС станет важнейшим инструментом анализа в нашей отрасли, – предсказывает Куперштейн. – Сообщество специалистов по прогнозированию лавинных процессов невелико и поэтому может совместно использовать инновации, которые работают в наших центрах. ГИС-приложения для прогнозирования риска схода снежных лавин станут стандартным средством обеспечения безопасности автомобильного и железнодорожного движения».
По статье в журнале ArcNews, ежеквартальном издании компании Esri.
