СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD FOR REMOTE DETERMINATION OF SPATIAL DISTRIBUTION OF THERMOPHYSICAL PARAMETERS OF THE EARTH'S SURFACE

Способ относится к методам активного теплового неразрушающего контроля, заключающийся в определении пространственного распределения теплофизических параметров путем совместной обработки изображений исследуемого участка земной поверхности в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах длин волн, полученных с помощью многоспектральной оптико-электронной системы.
Известен способ измерения пространственного распределения теплофизических параметров изотропных материалов, заключающийся в измерении пространственного распределения теплофизических параметров изотропного материала с применением теплового воздействия от ИК источника нагрева на поверхность изотропного материала и дистанционным измерением с помощью тепловизионного приемника радиационного температурного поля во всех точках пространственной сетки видимой поверхности исследуемого изотропного материала (патент RU 2544890, G01N 25/18, 20.03.15). Основным недостатком данного способа являются низкая точность результатов исследования и возможность его применения только в лабораторных условиях.
Известен способ определения пространственного распределения теплофизических параметров исследуемой земной поверхности с использованием эталонных материалов с известными значениями теплопроводности (патент RU 2659461 С2, 02.07.2018), ближайший по технической сущности и принятый за прототип. Данный способ основан на облете исследуемой территории беспилотным летательным аппаратом с установленным на нем тепловизионным приемником, измерении радиационной температуры поверхности земли и расчете теплопроводности и температуропроводности и построения их пространственного распределения.
Основные недостатки данного способа заключаются в том, что при измерении радиационных температур земной поверхности в ходе ведения дистанционного мониторинга не учитывается коэффициент излучательной способности земной поверхности, а также не учитывается неоднородность исследуемого участка земной поверхности из-за наличия на нем надповерхностных и подповерхностных объектов, обуславливающих его многослойность, что может вносить большие погрешности оценки значений теплофизических параметров земной поверхности.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности оценки значений теплофизических параметров за счет определения структуры земной поверхности и уточнения в соответствии с этим граничных условий сопряжения слоистых сред, а также определения коэффициента излучающей способности земной поверхности с расположенными на ней техногенными объектами при проведении дистанционного мониторинга.
Данный технический результат достигается тем, что в способе дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности, основанного на съемке земной поверхности в ИК диапазоне, измерении значений радиационной температуры исследуемой поверхности, и расчете и построении пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения, дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности, пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности, с учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности.
Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности, пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности, с учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности.
На фиг. 1 представлен вариант схемы устройства, реализующего предлагаемый способ дистанционного определения теплофизических параметров и их пространственного распределения по поверхности исследуемого района земной поверхности, где:
1 - оптико-электронная система ИК диапазона;
2 - оптико-электронная система видимого диапазона;
3.1 - блок фильтрации изображений ИК диапазона;
3.2 - блок фильтрации изображений видимого диапазона;
4.1 - блок выделения фона на изображениях ИК диапазона;
4.2 - блок выделения фона на изображениях видимого диапазона;
5 - блок расчета термодинамических температур;
6 - блок определения структуры поверхности;
7 - блок параметров граничных условий поверхности;
8 - блок расчета пространственного распределения теплофизических параметров;
9 - блок регистрации и выдачи метеорологических условий;
10 - блок регистрации количества суммарной солнечной радиации;
11 - блок расчета температурного поля земной поверхности;
Блоки 1 и 2 предназначены для получения изображений исследуемой поверхности в ИК и видимом диапазонах соответственно. Съемка в ИК диапазоне осуществляется с заданной периодичностью в течение всего времени проведения мониторинга, а в видимом диапазоне - с заданной периодичностью только в светлое время суток. Таким образом, получают совокупность многовременных изображений исследуемого участка земной поверхности в ИК и видимом диапазонах длин волн соответственно.
Блоки 3.1 и 3.2 предназначены для фильтрации полученных ИК и видимых изображений путем получения среднего значения по нескольким изображениям в соответствии с выражениями:
k
Где  G - матрицы отдельно взятых изображений ИК и видимого диапазонов соответственно из множества одновременных K и L выборок;  - матрица усредненного видимого изображения;  - матрица усредненного ИК изображения. [Яне Б. Цифровая обработка изображений Москва.: Техносфера, 2007 г. - с. 109].
Блоки 4.1 и 4.2 предназначены для выделения фона на усредненных ИК изображении  и видимом изображении  Операция выделения фона может быть выполнена, например, путем сегментации данных изображений, заключающейся в определении принадлежности каждого отдельно взятого пикселя изображения к фону или к объекту. Операция сегментации из исходного изображения образует бинарное изображение, каждый пиксель которого имеет значение единицы, если он принадлежит объекту, в противном случае он равен нулю и принадлежит фону. Операция сегментации выполняется в блоках 4.1 и 4.2 для усредненных ИК изображения  и видимого изображения  соответственно и может быть реализована, например, на основе метода анализа контуров. [Яне Б. Цифровая обработка изображений Москва.: Техносфера, 2007 г. - с. 445, 449-450]. В результате на выходе блоков 4.1 и 4.2 получают бинарные ИК изображение  и видимое изображение  на которых пиксели с нулевыми значениями соответствуют фону, а пиксели, значения которых равны единице соответствуют объектам.
Блок 6 предназначен для определения структуры земной поверхности. Эта задача может быть решена, например, путем совмещения бинарного видимого изображения G' с бинарным ИК изображением Y' и последовательного покоординатного сравнения между собой каждой пары совмещенных пикселей g' и у' видимого и ИК изображений соответственно, например, с использованием функции алгебраической логики в соответствии с таблицей истинности.
Из таблицы следует, что:
если на обоих изображениях присутствует фон (g'=0, y'=0), то принимается решение о наличии фона;
если на бинарном видимом изображении присутствует фон, а на бинарном ИК изображении - объект (g'=0, у'=1), то принимается решение о наличии подповерхностного объекта;
если на бинарном видимом изображении присутствует объект, а на бинарном ИК изображении - фон или объект (g'=1, y'=0; g'=1, у'=1), то принимается решение о наличии надповерхностного объекта в данной точке пространственной сетки земной поверхности.
Реализация данной логической функции может быть выполнена на основе функциональной схемы, представленной на фиг. 2.
1
2
На выходе блока 6 получают матрицу-вектор Z, элементы которой Z и Z являются управляющими параметрами, на основе которых уточняются граничные условия для каждой точки пространственной сетки земной поверхности.
1
2
Блок 7 предназначен для уточнения и выдачи параметров граничных условий сопряжения слоистых сред μ, определяющих тепловые состояния граничных поверхностей сред и описанных, например, в статье И.Н. Ищука, А.А. Долгова, А.А. Бебенина и С.А. Панова «Расчет пространственного распределения температурных полей при дистанционном мониторинге поверхности территорий с беспилотного летательного аппарата», журнал Сибирского федерального университета «Техника и технологии» №11(3), 2018 г., с. 273-279, на основе поступающих в него управляющих параметров Z и Z - элементов матрицы Z.
А
1
2
В блоке 11 осуществляется расчет пространственного распределения термодинамических температур на поверхности исследуемого района на основе уточненных граничных условий μ, поступающих с блока 7, значений суммарной солнечной радиации Q, поступающей с блока 10, а также метеорологических условий: температуры воздуха Т и скорости ветра Fƒ в приземном слое, влажности U, поступающих с блока 9, путем численного решения прямой задачи теплопроводности для исследуемого участка земной поверхности с граничными условиями μ, задаваемыми управляющими параметрами Z и Z матрицы Z. Измерения значений метеорологических параметров и количества суммарной солнечной радиации производятся с периодичностью проведения съемки в ИК диапазоне.
Регистрация количества суммарной солнечной радиации Q, поступающей на земную поверхность может производиться пиранометром.
Значения измеренных радиационных температур ИК изображений земной поверхности, полученных с оптико-электронной системы ИК диапазона (блок 1), поступает на блок 5, осуществляющий расчет термодинамических температур. Пересчет значений радиационных температур в термодинамические осуществляется в соответствии с уравнением [Яне Б. Цифровая обработка изображений Москва.: Техносфера, 2007 г. - с. 183]:
r
А
где T - значение радиационной температуры поверхности исследуемой территории Т - значение термодинамической температуры поверхности исследуемой территории, ε - коэффициент излучательной способности для спектрального диапазона в котором работает телевизионный приемник, Т - значение приземной температуры воздуха.
В большинстве случаев ИК термография оперирует с оптически непрозрачными средами, в которых коэффициент пропускания среды равен нулю [В.П. Вавилов Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М.: ИД Спектр, 2009 - с. 263-264]. В результате имеет место следующее соотношение:
где ε - коэффициент излучательной способности; А - коэффициент отражательной способности поверхности.
Расчет значений теплофизических параметров и их пространственное распределение на исследуемой поверхности осуществляется в блоке 8 в два этапа.
На первом этапе решается многопараметрическая оптимизационная задача, учитывающая тепловой режим исследуемого района земной поверхности, находящейся в условиях естественного теплообмена с окружающей средой, которые описываются уравнением радиационного баланса земной поверхности. [Л.Т. Матвеев Курс общей метеорологии. Физика атмосферы, издание 2-е переработанное и дополненное, - Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1984. - с. 198]. Решение оптимизационной задачи находится путем минимизации функционала невязки моделируемого Т и эмпирически измеренного  температурных полей поверхности района мониторинга:
A
i
i
i
i
i
i
А
1
2
ƒ
где ψ{Λ,h,Q,Fƒ,T} - вектор оптимизируемых параметров математической модели для исследуемой поверхности; Λ{λ,C,ρ} - совокупность теплофизических параметров используемой математической модели; λ - теплопроводность i-го слоя, C - удельная теплоемкость i-го слоя, ρ - плотность i-го слоя  - номер слоя; h - глубина моделирования; Q - поток суммарной солнечной радиации, приходящей на исследуемую поверхность; Fƒ - скорость ветра в приземном слое; Т - температура воздуха в приземном слое; ξ,ξ - весовые коэффициенты; T[ψ] - температурное поле, полученное решением прямой задачи теплопроводности численными методами; t∈[0,τ] - временной интервал наблюдения;  - матрица пространственного распределения теплофизических параметров на исследуемой поверхности; Ω - площадь исследуемой поверхности; D - множество допустимых значений ƒ.
На втором этапе, для температурного поля, полученного в результате решения оптимизационной задачи (5), решается коэффициентная обратная задача нахождения значений и пространственного распределения теплофизических параметров в каждой точке пространственной сетки исследуемого участка земной поверхности, которые могут быть представлены в виде следующих матриц [А.А. Самарский, П.Н. Вабишевич Численные методы решения обратных задач математической физики. М.: Едиториал УРСС, 2004. - с. 24-27]:
Здесь матрица (6) - распределение теплопроводности, а матрица (7) - распределение температуропроводности исследуемой земной поверхности.
По полученным распределениям теплопроводности и температуропроводности (6) и (7) определяют значения тепловой инерции земной поверхности [К.Ф. Фокин. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - 4-е, переработанное и дополненное. - Москва: Стройиздат, 1973. - с. 117]:
а также коэффициенты теплоусвоения земной поверхности [К.Ф. Фокин. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - 4-е, переработанное и дополненное. - Москва: Стройиздат, 1973. - с. 112-115]:
где τ - временной интервал наблюдения.
Из описания следует, что схема устройства, реализующая предлагаемый способ, может быть реализована на основе известных функциональных устройств: суммирующих и вычитающих устройств, устройств умножения и деления, возведения в степень и извлечения корня, а также логических и интегрирующих устройств, которые подробно описаны с конструктивными признаками их технической реализации, например, в книге: Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. / Под ред. Пестрякова В.Б. М.: Сов. радио, 1973. Все вычислительные операции в данном способе являются элементарными в техническом исполнении и могут быть реализованы в едином специально запрограммированном устройстве.
Таким образом, предлагаемый способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности не имеет принципиальных ограничений в техническом исполнении и может быть реализован на основе известных функциональных устройств радиоэлектроники.