СИСТЕМА КОНТРОЛЯ УЧАСТКОВ НАРУШЕНИЯ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ
CONTROL SYSTEM OF SITES BREACHING PERMAFROST IN ARCTIC ZONE

Изобретение относится к области экологии и может найти применение при контроле состояния территорий вечной мерзлоты в целях раннего обнаружения критических состояний.
Интенсификация хозяйственной деятельности в Арктической зоне делает актуальной задачу непрерывного мониторинга обширных территорий за Полярным кругом. Нарушение природного покрова тундры в Арктике приводит к быстрому заболачиванию территорий и невозможности проведения должных рекреационных мероприятий в короткие сроки.
Известен «Способ отслеживания границы зоны лес-тундра», Патент RU №2531765, 2014 г., G01C 11/02, A01G 23/00 - аналог. Устройство аналога включает космический аппарат (КА) с наклонением орбиты, обеспечивающей высокоширотную съемку с установленными на нем спектрометром диапазона 0,55…0,68 мкм и СВЧ-радиометром, работающим на длине волны ~30 см. Трассовую съемку запланированных участков в полосе сканирования осуществляют командами от бортового комплекса управления (БКУ) на основе суточных программ, закладываемых в БКУ из Центра управления полетом КА по командной радиолинии. Результаты измерений записывают в буферное запоминающее устройство и, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, передают по специальной радиолинии на пункты приема информации (ППИ). После предварительной обработки информации на ППИ по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты) информацию передают на сервер хранения данных. Тематическую обработку изображений осуществляют в центре обработки, где через устройство ввода и передачи информация из сервера хранения поступает в электронно-вычислительную машину со стандартным набором периферийных устройств: процессор, оперативное запоминающее устройство, накопитель на магнитных дисках, устройство отображения информации, печатающее устройство, клавиатура. Затем осуществляют формирование синтезированных матриц измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей спектрометрических измерений и пикселей сигнала радиометрических измерений, определение пороговой величины синтезированного сигнала по измерениям тестового участка, выделение программной обработкой линии границы, визуализацию границы зоны лес-тундра и наложение ее на контурную карту Арктической зоны.
К недостаткам аналога следует отнести:
- невозможность непрерывного контроля из-за смещения орбиты космического носителя относительно подстилающей поверхности;
- недостаточная точность определения границы (десятки километров), что неприемлемо для обнаружения малоразмерных площадей критического состояния;
- невозможность, в принципе, диагностирования нарушения вечной мерзлоты на основе только методов дистанционного зондирования.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Электронный газовый сепаратор», Патент RU №2130178, 1999 г., G01N 27/12. Устройство ближайшего аналога содержит чувствительный элемент на базе оксидной полупроводниковой пленки с одной стороны диэлектрической подложки и резистивный подогревный слой на другой ее стороне, усилитель и индикатор и отличается тем, что чувствительный элемент выполнен в виде набора единичных газовых детекторов из номенклатуры сепарируемых газов, параллельно подключенных на вход измерительного тракта и состоящих из операционного усилителя с дифференциальной мостовой схемой в его входной цепи, с эталонным и реагирующим на газ элементами в ее смежных плечах, а измерительный тракт содержит N последовательных идентичных усилительных каскадов по схеме операционного усилителя с магазином сопротивлений, ступенчато переключаемых на каждый тип газа и выполняющих функции сопротивления обратной связи и эталонного элемента в качестве регулируемого сопротивления входной цепи.
Недостатком ближайшего аналога является функциональная ограниченность, невозможность автономных измерений.
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является достоверное обнаружение участков дигрессии путем контрастирования их изображений в видимом и инфракрасном диапазонах, размещение на участках дигрессии автономных измерителей эмиссии метана в атмосферу, сигнализирующих о нарушении вечной мерзлоты.
Поставленная задача решается тем, что система контроля участков нарушения вечной мерзлоты в Арктической зоне включает средства дистанционного зондирования подстилающей поверхности, размещенные на высокоширотном космическом носителе, в составе цифровой видеокамеры и сканирующей камеры инфракрасного диапазона, каналов управления ими и передачи отснятых изображений в Центр тематической обработки, программно-аппаратные средства выделения участков дигрессии почвенного покрова и автономные измерители приземной концентрации метана, устанавливаемые в обнаруженных зонах дигрессии, включенные в глобальную телекоммуникационную сеть для передачи информации от них на центральный диспетчерский пункт, каждый автономный измеритель содержит газовый детектор, включенный в электрическую цепь по дифференциальной мостовой схеме в одно из плеч моста, вторая измерительная диагональ которого подключена на вход тракта из последовательно соединенных операционного усилителя, порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя, формирователя сообщений с адресом географических координат, записанных в нем, синхронизирующего работу порогового элемента аналогово-цифрового преобразователя и приемопередатчика абонента сотовой связи глобальной телекоммуникационной сети.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг. 1 - функциональная схема системы контроля;
фиг. 2 - альбедо надпочвенного покрова тундры в зависимости от увлажненности;
фиг. 3 - яркостная температура подстилающей поверхности в ИК-диапазоне в зависимости от увлажненности;
фиг. 4 - визуализированные участки дигрессии на контурной карте Арктической зоны;
фиг. 5 - селективная характеристика газового детектора метана.
Система контроля, фиг. 1, содержит космические средства измерения в составе космического носителя 1 (типа Ресурс) с установленными на нем цифровой видеокамерой 2 (типа BYP-30) и сканирующей камерой инфракрасного диапазона 3 (типа МСУ-К), средства управления ими в составе бортового комплекса управления 4 (БКУ), командной радиолинии 5, центра управления полетом 6, средства передачи отснятых изображений в составе бортового запоминающего устройства 7, канала передачи данных 8, наземного приемного пункта 9, программно-аппаратного комплекса обработки в составе Центра тематической обработки 10, устройства ввода 11, ноутбука 12, сервера обработанных данных 13 и множества автономных измерителей 14 приземной концентрации метана, установленных в обнаруженных участках дигрессии Арктической зоны, являющихся абонентами регионального узла связи 15, имеющего выход на глобальную телекоммуникационную сеть 16 с центральным диспетчерским пунктом 17, каждый автономный измеритель 14 содержит газовый детектор 18, включенный в электрическую цепь по дифференциальной мостовой схеме 19, вторая измерительная диагональ которой подключена на вход тракта из последовательно подключенных операционного усилителя 20, порогового элемента 21, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 22, формирователя сообщений 23 с адресом географических координат, записанных в его постоянном запоминающем устройстве и буферном запоминающем устройстве размещения текущей выборки измерений, и приемопередатчика 24 абонента сотовой связи. Запитку мостовой схемы 19 осуществляют от стабилизатора напряжения 25.
Динамика работы системы и взаимодействия ее элементов состоит в следующем. Из графиков фиг. 2, фиг. 3 следует, что при увеличении увлажненности альбедо поверхности увеличивается, а сигнал ИК-излучения уменьшается. Для повышения контраста участков дигрессии надпочвенного покрова формируют результирующую матрицу из попиксельных отношений матриц сигналов цифровой видеокамеры и камеры приема восходящего излучения ИК-диапазона. Поскольку энергия отраженного от поверхности солнечного потока существенно выше энергии собственного восходящего излучения, при контрастировании изображений используют деление большего сигнала на меньший. Данная операция реализуется с использованием специализированного программного обеспечения [см., например, MATHCAD 7.0 PLVS, издание 3-е, стереотипное, «Информационно-издательский дом «ФИЛИНЪ», 1998 г., стр. 211, Векторизация элементов матрицы]. После этого осуществляют нормирование сигнала результирующей матрицы в стандартной шкале 0…225 уровней квантования. Границу контура областей дигрессии выделяют вычислением градиента. Градиент скалярной функции яркости результирующей матрицы в каждой точке изображения находят как
Для получения контурного рисунка выбирают регулярный оператор с апертурой окна |2×2| элемента
Элементы окна связаны по диагоналям (двум взаимно-ортогональным направлениям) операцией вычитания. Вычисляют оператор Робертса в каждой точке
R(i, j)=|I(i, j)-I(i+1, j+1)|-|I(i+1, j)-I(i, j+1)|,
выводят на экран точки, для которых R(i, j)≥порог. Выделение контуров является стандартной операцией [см., например, П.А. Минько, Обработка графики в Photoshop CS2, изд. Эксмо, 2007 г., глава 3, Методы выделения областей, стр. 47-63]. Результат выделения участков дигрессии на контурной карте Арктической зоны иллюстрируется фиг. 4.
На участках дигрессии наблюдаются сезонные расширения их границ и таяние вечной мерзлоты, сопровождаемые эмиссией «законсервированного» метана в атмосферу. Установлено, что метан выделяется в виде пузырей, причем выбросы происходят неравномерно в пространстве и во времени [см., например, К.М. Walter, S.A. Zimov, J.P. Chanton, D. Verbyla, F.S. Chapin III. Methane bubbling from Siberian thaw lakes as a positive feedback to climate warming // Nature. 2006. V. 443. P. 71-75].
Выбросы метана в атмосферу на севере Сибири ускоряют изменение климата. Непрерывный мониторинг происходящих процессов возможен путем установки в местах дигрессии автономных измерителей приземной концентрации эмиссии метана в атмосферу. Чувствительным элементом измерителя является газовый детектор, сопротивление которого изменяется в пределах одного порядка при адсорбции метана полупроводниковой пленкой. Селективная характеристика газового детектора иллюстрируется фиг. 5 [см., например, «Способ повышения чувствительности газовых сенсоров», Патент RU №2165614, 2001 г., G01N 27/12]. Уменьшение сопротивления газового детектора 18 приводит к разбалансировке дифференциального моста 19, на выходе операционного усилителя 20 появляется сигнал. Автономный измеритель 14 может работать в двух режимах: сигнальный и функциональный. Сигнальный режим реализуется пороговым элементом 21. Режим последующих дискретных изменений реализуется аналогово-цифровым преобразователем 22 и схемой формирования сообщений 23. Пороговый уровень напряжения элемента 21 задается программой, записанной в постоянном запоминающем устройстве схемы 23. Схема формирования сообщений 23 содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферное запоминающее устройство (БЗУ) и модем приемопередатчика 24 абонента регионального узла сотовой связи 15. В ПЗУ размещают кодовую посылку с индивидуальным адресом первичного датчика, а также программу режимов его функционирования. БЗУ служит для размещения цифровой бинарной последовательности текущей выборки измерений. При превышении сигнала на выходе операционного усилителя порогового уровня, задаваемой программой режимов измерений, срабатывает ключевой элемент 21, и сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь 22. Текущая амплитуда сигнала квантуется аналогово-цифровым преобразователем с дискретностью измерений Δt в стандартной шкале 0…256 уровней, задаваемой программой режимов измерений. При заполнении БЗУ идет вызов от абонента сотовой сети в региональный узел связи, а формирователь, после приема вызова, выдает сообщение, состоящее из адреса датчика и текущей выборки измерений. После передачи сообщения режим измерений циклически воспроизводится по заложенной программе. Имеется возможность оперативно, по командам центрального диспетчерского пункта, изменять режим и программу опроса первичных датчиков. Осуществляя принудительный вызов с центрального диспетчерского пункта сигналов датчиков, смежных с «откликнувшимся» первичным датчиком (регулируя пороговый уровень смежных датчиков), получают дополнительные выборки измерений из нескольких точек участка дигрессии. Массив измерений по всем участкам дигрессии из центрального диспетчерского пункта 17 передают для дальнейшего анализа в Центр тематической обработки 10.
Эффективность системы определяется такими показателями, как достоверность, оперативность, глобальность, надежность. При осуществлении сбора отсчетов измерений в разнесенных точках пространства достигается высокая достоверность обнаружения контролируемого события. Точность и надежность обеспечиваются выбором электронной базы измерителей, а глобальность - использованием глобальной телекоммуникационной сети.