СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МЕГАПОЛИСОВ ВРЕДНЫМИ ГАЗАМИ
METHOD OF DETERMINING MEGAPOLIS AIR POLLUTION WITH HARMFUL GASES

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.
2
2
2
Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов, так называемых «парниковых» газов в атмосферу, являющихся одной из причин глобального изменения климата планеты. Контроль состояния загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств, подписавших Киотский Протокол по экологическому мониторингу природных сред. Основными видами загрязнений природных сред, подлежащих глобальному мониторингу по ЮНЕП, являются: двуокись углерода CO, двуокись азота NO, двуокись серы SO.
Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета индекса ее состояния [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр.4-5, а также «Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России», под редакцией Э.Ю. Безугловой, ГГО им. А.И.Воейкова, Санкт-Петербург, 1994-1996 гг. - аналог].
Обычно индекс состояния рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы
i
3
где m [мг/м] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;
i
3
CH [мг/м] - предельная допустимая санитарная норма концентрации i-го вещества в атмосферном воздухе, согласно ГОСТ;
j - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 0,85, 1, 1,3, 1,5 для веществ, соответственно, IV, III, II и I классов опасности;
ПДК - предельно допустимая концентрация веществ в атмосфере.
Недостатками известных аналогов являются:
- статистическая неустойчивость метода единичных локальных измерений на местности в контрольных точках, как таковых;
- неопределенность выбора самих контрольных точек забора проб и зависимость результата измерений от случайных завихрений атмосферы в точках забора.
Известен «Способ оценки загрязнения атмосферы», патент RU №2117286, 1998 г. - ближайший аналог, в котором оценку загрязнения атмосферы осуществляют путем обработки спектрозонального изображения подстилающей поверхности контролируемого региона.
max
Способ ближайшего аналога включает дистанционное получение спектрозонального снимка региона, включающего контрольные промышленные площадки, в виде цифровых значений спектральной яркости I(x,y) изображений G, R видимого диапазона, размерностью |m×n| элементов каждая, с линейным разрешением каждого элемента больше фрактального участка подстилающей поверхности, поэлементную логическую сортировку пикселей в обоих матрицах в соответствии с алгоритмом, если R≥G, то R, если R<G, то R=R-|k|·G, где k - коэффициент корреляции хроматических коэффициентов r, g; получают результирующую матрицу тех же размеров, вычисляют числовые характеристики результирующей матрицы - математическое ожидание, дисперсию, огибающую пространственного спектра, автокорреляционную функцию, рассчитывают гистограмму распределения пикселей по яркости, осуществляют привязку полученного относительного закона распределения к абсолютным значениям индекса состояния атмосферы региона по его значениям и площади контрольных площадок.
К недостаткам аналога следует отнести:
- необходимость наличия синхронных измерений индекса состояния атмосферы контрольных площадок и дистанционного снимка региона;
- неадекватность алгоритма логической сортировки пикселей результирующей матрицы измеряемому физическому процессу, и как следствие, несоответствие получаемых гистограмм реальному индексу состояния атмосферы.
Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в измерении абсолютной концентрации вредных газов в атмосфере гиперспектрометром, с положением входной щели, соответствующей центральному участку синхронно получаемого видеоизображения цифровой видеокамерой и последующей калибровки пикселей яркости видеоизображения в значениях ПДК, по их измерениям гиперспектрометром для центрального участка.
Технический результат достигается тем, что способ определения загрязнения атмосферы мегаполисов вредными газами включает синхронную съемку соосно установленными на космическом носителе цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, с положением входной щели, соответствующей центральному участку изображения видеокамеры, получение генерализованного спектрозонального снимка мегаполиса в красной полосе видимого диапазона видеокамерой, выделение контуров на видеоизображении по установленным градациям яркости пикселов, измерение затухания светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу гиперспектрометром, в равных по ширине полосах поглощения кислорода, углекислого газа, двуокиси азота и двуокиси серы, расчет концентрации перечисленных газов в атмосфере по известной концентрации кислорода, вычисление индекса суммарного состояния атмосферы q (ПДК) для контура центрального участка положения входной щели гиперспектрометра на видеоизображении, калибровку пикселей яркости видеоизображения по вычисленному индексу состояния центрального участка, получение значений индекса состояния атмосферы (ПДК) для пикселей видеоизображения по всей площади мегаполиса.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - положение входной щели гиперспектрометра на исходном спектрозональном изображении видеокамеры;
фиг.2 - выделенные контуры на спектрозональном изображении при градации яркости пикселей, равной 20;
фиг.3 - сдвиг средневзвешенной частоты видимого спектра от степени загрязнения атмосферы мегаполисов парниковыми газами;
фиг.4 - метод измерений затухания светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу;
фиг.5 - эталонный (по Планку) солнечный спектр, нормированный относительно максимума;
2
2
2
2
фиг.6 - полоса поглощения (пропускания) светового потока, измеренная в лабораторных условиях для: а) - O, б) - SO, в) - NO, г) - CO;
фиг.7 - гистограмма пикселей яркости спектрозонального изображения и их калибровка в значениях ПДК;
фиг.8 - функциональная схема устройства, реализующая способ.
Техническая сущность способа заключается в следующем:
*
Взаимодействие солнечного излучения с антропогенными частицами происходит на молекулярном уровне. При сталкивании фотонов светового потока с молекулами газов происходит передача квантов энергии (hυ) молекулам, которые переходят в возбужденное состояние. При всех видах возможного взаимодействия светового потока с молекулами смогов над мегаполисами, как то: поглощение, рассеяние, флуоресцентное переизлучение - интегральный эффект состоит в смещении спектра видимого диапазона в его длинноволновую часть (красная область), [см., например, Р.Межерис, Лазерное дистанционное зондирование, перевод с англ., Мир, М., 1987 г., стр.124, табл.3.4. Волновые числа комбинационного сдвига на длине волны 337,1 нм].
Ниже представлены некоторые извлечения из данной таблицы для некоторых «парниковых» молекул смогов.
Тип молекулы вещества
NO<sub>2</sub>
SO<sub>2</sub>
CO<sub>2</sub>
NH<sub>3</sub>
C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>
H<sub>2</sub>S
CO
NO
H<sub>2</sub>O
Длина волны рассеянного излучения, нм
345,7
350,8
352,5
378,8
380,3
369
363,9
365,9
384,4
Абсолютная величина смещения Δλ, нм
8,6
13,7
15,4
42,7
43,2
32
16,8
18,8
47,3
эт
эт
В результате комбинационного рассеяния солнечного света происходит перераспределение энергии между спектральными составляющими видимого диапазона, а регистрируемое спектральное изображение антропогенно загрязненных участков приобретает преимущественно красноватый или темно-вишневый оттенок. Интегральный эффект взаимодействия фотонов светового потока с молекулами смогов состоит в сдвиге средневзвешенной частоты видимого диапазона в длинноволновую (красную) область, как это иллюстрируется графиком фиг.2. Средневзвешенная длина волны эталонного (по Планку) спектра составляет λ≈550 нм. В зависимости от мощности смогов (ПДК) относительное смещение достигает λ/λ≈1,1…1,4
Визуальными селектируемыми признаками загрязненных участков атмосферы при спектрозональной съемке из космоса является оранжево-красное смещение спектра рассеянного переизлучения и темно-вишневый оттенок областей интенсивного поглощения. В целом, спектрозональное изображение мегаполиса в красной полосе видимого диапазона содержит всю информацию о состоянии атмосферы. Для количественной оценки загрязнения атмосферы мегаполиса сортируют пикселы изображения по яркости и строят их гистограмму распределения. Поскольку абсолютная величина яркости пикселей зависит от условий съемки (высоты Солнца, угла визирования, времени суток) осуществляют их приведение к единому масштабу путем нормирования относительно максимума яркости. Гистограмма пикселей яркости спектрозонального видеоизображения иллюстрируется фиг.7.
Недостатком известных аналогов дистанционного зондирования является необходимость наличия в изображениях эталонных контрольных площадок с известными значениями ПДК. В заявленном способе этот недостаток устраняется синхронными измерениями абсолютной концентрации парниковых газов гиперспектрометром.
Из опытов Кирхгофа известно, что непрерывный солнечный спектр, проходя через газовую среду, становится линейчатым, в нем появляются темные линии или полосы поглощения. Одноатомные газы имеют линейчатый спектр поглощения, совпадающий по положению спектральных линий со спектром испускания. Таким образом, присутствие в атмосфере примесного газа может быть обнаружено и измерено методом спектрального анализа. При этом интенсивность поглощения пропорциональна концентрации примесного газа.
2
2
2
2
Атмосфера Земли содержит известный состав газов: азот - 78%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, в незначительных долях процента углекислый газ, водород, гелий, неон и другие газы [см. «Советский энциклопедический словарь» под редакцией A.M.Прохорова, 4-е издание, Сов. Энциклопедия, 1989 г., Атмосфера, стр.86]. В заявленном способе измерение концентрации SO, NO, СО осуществляют на основе анализа поглощения светового луча, дважды прошедшего атмосферу, в спектральных полосах поглощения путем сравнения с поглощением луча в спектральной полосе кислорода (O), концентрация которого в атмосфере считается известной. Способ спектрометрических измерений светового потока, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется рисунком фиг.4.
Однако для обеспечения точности измерений необходимо соблюдение адекватных условий трассы прохождения и параметров измерительного тракта для каждого из газов. Последнее достигается использованием для измерений одного и того же измерительного прибора с равной приемной апертурой и коэффициентами усиления в спектральных каналах, типа гиперспектрометра «Астрогон-1». Для исчисления абсолютной величины затухания сигналов по трассе распределения в спектральных полосах измерений необходим эталон для сравнения. В качестве эталона используют функцию солнечного спектра I(λ) по Планку. Эталонная (по Планку) функция солнечного спектра, нормированная по интенсивности, иллюстрируется графиком фиг.5.
Энергию затухания светового потока за счет поглощения газовыми молекулами по трассе распространения, дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают из соотношений
2
этал
2
2
этал
2
2
этал
2
2
этал
2
ΔW(SO)=W-W(SO); ΔW(NO)=W-W(NO); ΔW(CO)=W-W(CO); ΔW(O)=W-W(O);
где W(i) - энергия сигналов в спектральных полосах измерений,
этал
W - энергия эталонного (по Планку) солнечного спектра в тех же спектральных полосах, что и измеряемых газов.
Энергия одного кванта (по квантовой теории Планка) w=hν, где h - постоянная Планка, ν - частота. Поскольку длина волны λ=c/ν (с - скорость света), то энергия кванта: . Полную эталонную энергию светового потока вычисляют по соотношению Рэлея [см., например, Заездный В.М., «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связь-издат, М., 1964 г., стр.93-94]:
,
i
i
где I(λ) - амплитуда эталонного сигнала на спектральной линии λ;
2
2
2
2
n - количество спектральных линий в полосе затухания, на которых проводят измерения концентрации газов O, SO, NO, CO.
Устойчивость результата измерений, не зависимого от систематических ошибок, высоты Солнца, азимута зондирования, достигается также использованием метода отношений измеряемых величин, а именно: .
2
2
2
2
2
2
2
С учетом изложенного, приоритетное значение приобретает правильный выбор спектральных полос поглощения для кислорода (O) и парниковых газов SO, NO, CO. На графиках фиг.6 (б, в, г) представлены полосы поглощения парниковых газов: SO в области 1151 нм, NO в области 1320 нм, CO в области 1388 нм.
В качестве канала сравнения выбрана полоса поглощения атмосферного кислорода 1270 нм, наиболее близкая к полосам поглощения парниковых газов, при равной ширине спектральных полос поглощения, равной 11 нм.
2
2
2
2
2
2
3
3
3
По измеренной концентрации парниковых газов вычисляют суммарный индекс состояния атмосферы q, ПДК. Известно, что один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л, а санитарная норма (по ГОСТ 12.1.005-88) парниковых газов составляет: SO - 3 мг/м, NO - 5 мг/м, CO - 20 мг/м. Молярные веса парниковых газов: SO=64 г, NO=46 г, CO=44 г. Абсолютную концентрацию парниковых газов исчисляют по зависимости:
Конкретные расчетные величины приведены в примере реализации.
Пример реализации способа.
Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.8. Функциональная схема устройства содержит космический аппарат (КА) наблюдения 1, типа «Ресурс». На космическом аппарате установлена цифровая видеокамера 2, для получения спектрозонального изображения подстилающей поверхности 3 в красной полосе видимого диапазона (типа «DCS 760») и соосный гиперспектрометр 4 (типа «Астрогон») с положением входной щели, соответствующей центральному участку изображения видеокамеры. Трассовую покадровую съемку запланированных регионов 3 осуществляют по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 5 из Центра управления полетом (ЦУП) 6 по радиолинии командного управления 7. Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство 8 и по командам БКУ, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, сбрасываются по мобильному каналу связи 9 на пункты приема информации (ППИ) 10. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 11, информацию передают в Центр тематической обработки 12, где через устройство ввода 13 она вводится в ПЭВМ 14 в стандартном наборе элементов: процессор 15, винчестер 16, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 17, дисплей 18, принтер 19, клавиатура 20. Результаты измерений концентрации парниковых газов по трассе полета КА выводятся на сервер 21 сети Интернет.
Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет несколько параллельных спектральных каналов, в том числе в ближнем инфракрасном диапазоне 0,9-1,6 и 1,6-2,5 мкм, со спектральным разрешением 1…50 нм, разрядностью квантования 12 бит и углом поля зрения 0,11° [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения», Инженерная записка, РАКА, НИИЭМ, НТЦ «Реагент», стр.8-10].
При исходных данных трактов зондирования в полосе поглощения кислорода и парниковых газов (графики функций фиг.6а, б, в, г), эталонной (по Планку) функции солнечного спектра (фиг.5) расчетные значения параметров приняли значения, представленные в табл.1.
Таблица 1.
Тракт измерений
Средняя длина волны, нм
Энергия эталонного сигнала
Среднее пропускание в полосе
Энергия регистрируемого сигнала
ΔW затухание
Концентрация, [%]
ПДК
O<sub>2</sub>
1230
0,019
0,7
0,0133
0,0057
21
-
SO<sub>2</sub>
1152
0,0248
0,99
0,02475
0,000046
0,0017
1,6
NO<sub>2</sub>
1320
0,0147
0,985
0,01463
0,000068
0,0025
1
CO<sub>2</sub>
1380
0,0118
0,915
0,01096
0,00084
0,031
3
По измеренной концентрации примесей определяют количественное значение ПДК каждого газа:
2
2
2
Расчетное значения составили: ПДК (SO)=1,6; ПДК (NO)=1; ПДК (CO)=3. Суммарное загрязнение атмосферы парниковыми газами, с учетом коэффициента их изоэффективности составит:
Σ
q=0,85·3+0,85·1,6+0,85·1=4,9
Минимальная яркость пикселей на спектрозональном изображении соответствует максимальным значениям ПДК (максимальное затухание сигнала). Для центрального участка спектрозонального изображения, измеренное гиперспектрометром значение ПДК равно 4,9, при средней яркости пикселей центрального участка (фиг.7), равной 140. Максимальная яркость пикселей спектрозонального изображения (фиг.7) составляет 240, минимальная яркость 109. Коэффициент калибровки для пикселей яркости по относительной яркости центрального участка k=109/240=0,58.
Откуда калибровочный коэффициент обратно пропорциональной зависимости для любой точки изображения мегаполиса, относительной яркости гистограммы (фиг.7) соответствует:
max
min
Максимальное значение ПДК по площади мегаполиса составляет ПДК=6,4, минимальное ПДК=2,9.
Эффективность заявленного способа характеризуется оперативностью, достоверностью, документальностью получаемых результатов при снятии необходимости наличия в спектрозональном изображении эталонных контрольных площадок.