СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ ОТ ПРИРОДНЫХ ПОЖАРОВ
METHOD OF DETERMINATION OF VOLUME OF ATMOSPHERIC EMISSIONS FROM NATURAL FIRES

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов и региональных Центрах МЧС.
Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов в атмосферу, так называемых, «парниковых газов», вызывающих положительный тренд средней температуры Земли. Последнее обуславливает значительный рост природных пожаров в глобальном масштабе. Последствия природных пожаров (лесных, торфяных) в частности, привели к образованию смогов в Европейской части России в 2010 г. продолжительностью до 2-х месяцев, повысивших уровень ежедневной смертности в Москве в несколько раз.
Контроль загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств, подписавших Киотский протокол по экологическому мониторингу природных сред.
Σ
Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета индекса ее состояния. Обычно индекс состояния q рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр.4-5 - аналог]
i
3
где m[мг/м] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;
i
CH - предельно допустимая санитарная норма i-го вещества в атмосферном воздухе, согласно ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»;
j - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 0,85; 1; 1,3; 1,5 для веществ, соответственно, IV, III, II и I классов опасности.
3
Известен способ решения обратных задач по определению мощности выброса источника М[г/с] по заданному уровню максимальной приземной концентрации q[г/м] при прочих фиксированных параметрах выброса [см. там же ОНД-86, стр 17, … Решение обратных задач, формулы 2.41, 2.42 - аналог]
при f>100
где Н - высота источника выброса (для наземных источников Н=2 м);
А - метеорологический коэффициент высотной стратификации атмосферы, при котором концентрация вредных веществ в атмосфере максимальна. Для Московской, Тульской, Рязанской, Костромской, Владимирской, Ивановской обл. А=140;
F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере [для мелкодисперсных аэрозолей F=1, для крупнодисперсных F≈3];
m
c
<mrow><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>m</mi><mo>.</mo></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
m(f), n(f) - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья, зависящие от промежуточных параметров [f, ν,
, f - см. аналог стр 6. формулы 2.3; 2.4; 2.5; 2.6];
η - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (для перепада высот до 50 м η→1);
<mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>π</mi><msup><mi>D</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>4</mn></mfrac><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
- расход газовоздушной смеси, D[м] - диаметр устья,
0
ν - средняя скорость выхода газов воздушной смеси;
ΔТ - разность между температурой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха.
Недостатками аналога являются:
- невозможность непосредственного использования формулы для площадных источников, к которым относится природный пожар;
- большая величина методической ошибки, равная сумме относительных ошибок каждого параметра исходной формулы, что делает неприемлемым непосредственное использование аналога.
Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ определения концентрации углекислого газа в атмосфере». Патент RU №2422807 от 27.06.2011 г.
2
2
В способе ближайшего аналога путем лабораторных наземных измерений выбирают равное количество смежных спектральных полос поглощения кислорода O и углекислого газа CO в ближнем инфракрасном диапазоне, осуществляют, с космического носителя, спектрометрические измерения на выбранных спектральных полосах светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают энергию регистрируемых сигналов в полосе кислорода
и углекислого газа
2
2
этал
2
этал
2
вычисляют суммарные потери на затухание в полосах О и CO как разницу между энергией эталонного, по Планку, солнечного спектра в тех же полосах W(О) и W(CO) и энергией зарегистрированных сигналов
2
этал
2
2
2
этал
2
2
ΔW(O)=W(O)-W(O); ΔW(CO)=W(CO)-W(CO),
а концентрацию углекислого газа в атмосфере по трассе полета носителя в каждом кадре спектрометрических измерений рассчитывают из соотношения
2
где O[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;
i
2
i
2
I(O), I(CO) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов;
i
λ - средняя длина волны спектральной линии;
n - количество спектральных линий в каждой полосе.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- локальность получаемых результатов измерений, привязанная только к трассе узкого луча зондирования;
- однокомпонентная оценка загрязнения атмосферы углекислым газом, в то время, как выбросы природного пожара содержат множество вредных веществ, в том числе, в основном, высокодисперсные аэрозоли.
Σ
Σ
3
3
Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в выделении контура пожара на генерализованном изображении подстилающей поверхности, калибровку пикселей яркости внутри контура пожара по эталонным спектрометрическим измерениям в значениях суммарного загрязнения атмосферы q[мг/м], расчет объема выбросов V[тонн] как произведения площади S контура пожара на среднестатистическое значение m[мг/м] суммарного загрязнения и метеорологический коэффициент стратификации атмосферы А=140 и высоту Н[м] источника выбросов.
Σ
Σ
Σ
3
3
2
Поставленная задача решается тем, что способ определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров включает синхронную съемку подстилающей поверхности цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, установленными на космическом носителе, с положением входной щели спектрометра соосно центральному участку кадра видеоизображения, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости I(x,y), градиентного контура пожара на видеоизображении, расчет концентрации q[мг/м] вредных выбросов от пожара по измеренному гиперспектрометром эталонному затуханию светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода 761…767 нм, концентрация которого в атмосфере считается известной, и его затуханию в видимом диапазоне, построение гистограммы яркости пикселей внутри контура и их калибровку в значениях измеренной концентрации для пикселей центрального участка кадра видеоизображения, определение объема выбросов V[тонн]=m·S·A·H, где m[мг/м] - средняя концентрация суммарного загрязнения по всем прокалиброванным пикселям контура пожара, S[м] - площадь контура пожара, А - метеорологический коэффициент высотной температурной стратификации атмосферы, Н[м] - высота источника выбросов.
Изобретение поясняется чертежами, где
фиг. 1 - исходное видеоизображение пожара с соосным положением щели спектрометра в кадре;
фиг. 2 - характерный профиль радиояркостных температур над пожаром;
фиг. 3 - выделенные контуры градиентов функции яркости видеоизображения;
фиг. 4 - метод измерений затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу;
фиг. 5 - эталонный, по Планку, солнечный спектр (1), нормированный относительно максимума, и спектрограмма (2) реального пожара (одна из реализации);
фиг. 6 - полоса поглощения светового потока молекулами кислорода атмосферы;
3
фиг. 7 - гистограмма пикселей яркости в контуре пожара и их калибровка в значениях концентрации вредных примесей [мг/м];
фиг. 8 - функциональная схема устройства, реализующего способ.
Природные пожары возникают при антициклональных условиях, малооблачной или безоблачной погоде. Селектируемым признаком лесного (торфяного) пожара является шлейф дыма, который хорошо просматривается на изображении при безоблачной погоде и площадь которого в десятки раз превышает площадь возгорания. В отраженном солнечном излучении шлейф дыма представляется более светлой (белесой) полосой, начинающейся от фронта пожара, фиг. 1. Кроме шлейфа дыма пожар характеризуется раскаленной поверхностью горящей древесины (пламя фронта) и остывающими углями (выгоревшая, тыловая часть).
На рисунке фиг. 2 представлен характерный профиль радиояркостых температур над пожаром.
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>м</mi></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>с</mi><mo>=</mo><mn>2898</mn><mtext> мкм</mtext></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>/</mo><msubsup><mi>T</mi><mrow><mi>max</mi></mrow><mo>°</mo></msubsup><mi>K</mi></mrow>
В соответствии с законом смещения Вина, длина волны, соответствующая максимуму теплового излучения нагретого тела, определяется из соотношения:
. Более 99% энергии излучения пожара приходится на невидимую инфракрасную область спектра. Максимум теплового излучения пожара (Т°К∈[1000°…1500°] приходится на интервал 2…3 мкм. Поэтому в диапазоне длин волн λ<2 мкм пожар не оказывает влияние на отраженное солнечное излучение. Дымы пожаров - это высокодисперсные аэрозоли с твердыми частицами. По изменению спектральной яркости определяют полосу размывания дыма по мере удаления от фронта источника. Изображение пожара содержит всю информацию о мощности источника: размеру площади задымления, концентрации аэрозолей и других вредных продуктов горения.
Визуальное восприятие образа человеком-оператором происходит на уровне контурного рисунка. Контурный рисунок шлейфа дыма от пожара получают путем вычисления градиента скалярной функции яркости I(x,y) видеоизображения в каждой точке изображения как
[см., например, «Производная по направлению», в учебнике Н.С. Пискунов. «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, 5-е изд., т. 1, Наука, М., 1964 г., стр. 264-268]. Производные по направлению функции яркости задают векторное поле градиентов. Для получения контурного рисунка выбирают регулярный оператор с апертурой окна |2×2| элемента;
i,j
i,j+1
i+1,j
i+1,j+1
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 [см., например. Дуда P.O., Харт П.Е. «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ, М., Мир, 1976 г. § 7-3, «Пространственное дифференцирование», стр. 287-288, рис. 7.3].
При больших значениях пороговой величины возможна потеря существенной информации, пропадание края контурного рисунка. При малых значениях порога появляется недопустимое число ложных линий, многоконтурность. Величину порога в каждом конкретном случае выбирают исходя из интервала значений (функции яркости изображения). Выделенные контуры на изображении пожара (фиг. 1) иллюстрируются рисунком фиг. 3. Исходя из масштаба изображения определяют разрешение одного пикселя. Число пикселей изображения пожара, выделенного на фоне подстилающей поверхности, определяет площадь (S) распространения продуктов горения и мощность источника выбросов.
Рассмотренный выше алгоритм реализуется следующей программой.
Программа выделения контуров на изображении пожара.
2
Выделенные контуры изображения пожара иллюстрируются фиг. 3. Яркость пикселей внутри выделенного контура зависит от мощности выбросов, размеров пожара и шлейфа, фронтальной или тыловой части пожара, отображаемых в кадре [см., например, Л.И. Чапурский. «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400…2500 нм», часть I, Мин. Обороны СССР, 1986 г., стр. 105-107, «Результаты измерений и расчетов КСЯ воздушной дымки»]. Следующей задачей является калибровка пикселей яркости в значениях концентрации вредных выбросов от пожара. В заявленном способе измерение концентрации вредных выбросов осуществляют по операциям ближайшего аналога, на основе анализа поглощения светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода (O), концентрация которого в атмосфере равна 21%, и его поглощения вредными выбросами в видимом диапазоне. Способ спектрометрических измерений поглощения светового потока, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется фиг.4. Для исчисления абсолютной величины затухания сигналов по трассе распространения 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 вредными выбросами по трассе распространения, дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают из соотношений
2
этал
2
этал
ΔW(O)=W-W(O); ΔW(пож)=W-W(пож)
где W(i) - энергия сигналов в спектральных полосах измерений,
этал
W - энергия эталонного (по Планку) солнечного спектра в тех же спектральных полосах.
<mrow><mi>w</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>h</mi><mi>c</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow>
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;
n - количество спектральных линий в полосе затухания, на которых проводят измерения.
Устойчивость результата измерений, независимого от систематических ошибок, высоты Солнца, азимута зондирования, достигается также использованием метода отношений измеряемых величин, а именно
2
С учетом изложенного, приоритетное значение приобретает правильный выбор спектральных полос поглощения для кислорода (О) и вредных выбросов пожаров.
В качестве канала сравнения выбрана полоса поглощения атмосферного кислорода ≈764 нм, наиболее близкая к полосе видимого диапазона. Полоса поглощения (пропускания) кислорода иллюстрируется графиком фиг. 6.
По расчетной суммарной концентрации вредных выбросов, для пикселей центрального участка кадра видеоизображения, осуществляют их калибровку для всего выделенного контура. Гистограмма яркости пикселей и расчетные значения суммарного загрязнения пикселей центрального участка иллюстрируются графиком фиг. 7. Конкретные расчеты величин представлены 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 изображения подстилающей поверхности 3 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 записывают в буферное запоминающее устройство 8 и по командам БКУ, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, сбрасывают по мобильному каналу связи 9 на пункты приема информации (ПЛИ) 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 вредных примесей по трассе полета КА выводятся на сервер 21 сети Интернет.
Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет три параллельных спектральных канала, в видимом 0,3…0,4; 0,4…0,65 мкм и ближнем инфракрасном диапазоне 0,65…0,9 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].
min
max
cp
Минимальная яркость пикселей внутри контура изображения составила I=19, максимальная I=242, средняя I=116.
При исходных данных трактов зондирования и полос поглощения кислорода (фиг. 6), эталонной по Планку функции солнечного спектра (фиг. 5(1)) и измеренным гиперспектрометром амплитудам сигналов (фиг. 5(2)) расчетные величины параметров приняли значения, представленные табл.1
Таблица 1
Тракт измерений
Полоса измерений, нм
Энергия эталонного сигнала, отн.ед.
Энергия регистрируемого сигнала
ΔW затухание сигнала
Концентрация, %
О<sub>2</sub>
Ближ. ИК-диапазон 7
0,14
0,08
0,06
21%
Выбросы от пожаров
Видимый диапазон 300
0,454
0,4494
0,0046
1,6%
По измеренному процентному [%] содержанию вредных примесей пожара в атмосфере воздуха рассчитывают их максимальную концентрацию для пикселей центрального участка кадра изображения, в которых измерялось эталонное затухание светового потока в кислороде атмосферы.
2
2
2
Известно, что один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л. Молярные веса окислов продуктов горения CO=44 г, NO=46 г, SO=64 г… В первом приближении (с учетом высокодисперсных аэрозолей) средний молярный вес продуктов горения принят равным ~50 г/моль. Концентрацию вредных примесей исчисляют из соотношения
min
3
Минимальная концентрация вредных примесей по размытым краям шлейфа дыма m=0,29 г/м.
Средняя концентрация вредных примесей внутри контура пожара
<mrow><msub><mrow><mover accent="true"><mi>m</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow><mo>∑</mo></msub><mo>=</mo><mn>1,72</mn><msup><mrow><mtext> г/м</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow>
.
6
2
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>m</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>H</mi><mo>≈</mo><mn>2,04</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>5</mn></msup><mtext> т</mtext><mtext> </mtext><mtext>о</mtext><mtext> </mtext><mtext>н</mtext><mtext> </mtext><mtext>н</mtext></mrow>
Масштаб снимка видеоизображения фиг. 1 М:1 см = 1000 м. Площадь контура пожара (количество пикселей × разрешение пикселя) составляет: (фиг. 3) S=56·10 м. Средняя высота (древостоя) источника выбросов [см., например, Н.П. Анучин. «Лесная таксация», 5-е издание, Москва, Лесная промышленность, 1982 г., стр. 206-213, § 44. Средняя высота насаждений Н=15 м]. Объем выброса пожара
.
Эффективность заявляемого способа характеризуется возможностью дистанционного определения объема выбросов от природных пожаров и документальностью (регистрограммы измерений + видеоизображение пожара) результатов оценок.