СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МЕГАПОЛИСОВ
METHOD OF DETERMINING MEGAPOLIS AIR POLLUTION

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.
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.
Методологической проблемой при определении состояния воздушной среды является корректная оценка суммарного (интегрального) загрязнения в мегаполисах с множеством, до нескольких сотен, ингредиентов вредных выбросов в атмосферу.
Σ
Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета суммарного индекса q [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Лен., 1987 г., стр 4…5 - аналог]
Σ
1
1
2
2
n
n
q=m/CH+m/СН…m/CH;
i
3
где m - концентрация i-го вещества в атмосфере, мг/м;
i
3
CH - установленная предельная санитарная норма (СН) данного вещества, согласно ГОСТ, мг/м.
Σ
1
2
3
4
5
Обычно q рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы при условии, что q>q>q>q>q [см., например, Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России, под редакцией Э.Ю. Безугловой, ГТО им. А.И.Воейкова, Санкт-Петербург, 1994…1996 г.г. - аналог]
i
3
где m [мг/м] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере, определяемая по локальным измерениям на местности;
i
CH - предельно 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 IV, Ш, II, и I классов опасности.
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 существенное влияние на результат измерений розы ветров и случайных завихрений атмосферы в точках забора;
- неоперативность методов аналитической химии путем забора проб, составляющая от 6 до 12 час по одной пробе, высокая стоимость химического анализа пробы;
- невозможность одновременного контроля всего множества ингредиентов (до 600) из-за неоперативности и высокой стоимости.
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ оценки загрязнения атмосферы», патент RU №2117286, 1998 г.
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  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 , 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 ближайшего аналога следует отнести:
- неадекватность алгоритма логической сортировки пикселей результирующей матрицы измеряемому физическому процессу и, как следствие, несоответствие получаемых гистограмм физическому процессу;
- неочевидность калибровки относительного закона распределения пикселей по яркости по измерениям контрольных площадок.
Задача, решаемая изобретением, заключается в количественном измерении интегрального смещения видимого спектра падающего от Солнца светового потока, дважды прошедшего атмосферу и отраженного от границы атмосфера-подстилающая поверхность за счет переизлучения, рассеяния и поглощения лучистой энергии молекулами «парниковых» газов и отождествлении суммарной концентрации загрязняющих атмосферу газов с величиной спектрального смещения и поглощения энергии падающего светового потока.
Технический результат достигается тем, что в способ определения загрязнения атмосферы мегаполисов, включающий дистанционное получение спектрозонального снимка региона, содержащего контрольные промышленные площадки, в виде цифровых значений спектральной яркости I(x,y) изображений видимого диапазона, расчет гистограммы распределения пикселей по яркости, привязку относительного закона распределения пикселей к абсолютным значениям индекса состояния атмосферы контрольных площадок, дополнительно измеряют гиперспектрометром спектральную характеристику отраженного светового потока от границы атмосфера-подстилающая поверхность с одновременным получением изображения региона в красной полосе 570…670 нм, вычисляют средневзвешенное значение длины волны λ и энергию отраженного потока W, определяют загрязнение атмосферы по регрессионной зависимости
Σ
эт
эт
1,5
2,6
q[ПДК]=1,2(λ/λ)·(W/W);
Σ
сортируют пиксели полученного изображения по яркости и строят их гистограмму, отождествляют среднее значение яркости гистограммы с расчетной величиной q, осуществляют пересчет значений яркости в значения ПДК по обратно-пропорциональной зависимости, представляют абсолютное распределение загрязнений по площади региона в виде распределения Рэлея с полученными расчетными числовыми характеристиками, где
Σ
q - среднее значение индекса состояния атмосферы региона, ПДК;
эт
λ - средневзвешенное значение длины волны эталонного (по Планку) солнечного спектра, равная ~500 нм;
эт
W - энергия эталонного солнечного спектра, нормированного относительно максимума, равная ~15,6.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - эталонный (по Планку) спектр солнечной радиации;
фиг.2 - схема взаимодействия квантов видимого излучения с молекулами атмосферных газов при флуоресцентном свечении;
фиг.3 - совокупность реализации измерений солнечного спектра, дважды прошедшего атмосферу;
фиг.4 - функция регрессии для определения загрязнения атмосферы;
фиг.5 - распределение по площади контрольных площадок а) пикселей по яркости, б) значений ПДК;
фиг.6 - функциональная схема устройства, реализующего способ.
Техническая сущность изобретения заключается в следующем.
Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере зависит от множества факторов: количества источников, объема выбросов, скорости ветра, стратификации градиента температур, времени года, суток, ландшафта и инфраструктуры региона. Поэтому результат любого локального измерения на местности представляется случайной величиной. В этом плане оценки состояния воздушной среды по спектрозональным изображениям, с количеством пикселей в матрице измерений, например,  цифровых отсчетов обеспечивает статистическую устойчивость результата.
*
Загрязнение атмосферы в мегаполисах непосредственно над промышленными площадками достигает единиц и даже десятков ПДК [см. - аналог]. Физически это проявляется в увеличении количества частиц антропогенного происхождения в воздухе, увеличении мутности атмосферы, образовании смогов. При съемке из космоса мутность атмосферы определяет интервал изменения коэффициента спектральной яркости (КСЯ) системы «атмосфера-подстилающая поверхность». 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 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
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. Кроме того, в случаях мощных антропогенных дымок органического и фотохимического происхождения имеет место дополнительное интенсивное поглощение (красного и ближнего ИК диапазонов), сопровождаемое «замыванием» пикселей изображения подстилающей поверхности, [см., например, «Коэффициенты спектральной яркости воздушной дымки», Л.И.Чапурский «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400…2500 нм», ч.1, Мин. Обороны СССР, 1986 г., стр.103-107, 134-137, табл.П.10].
Σ
Σ
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. Очевидно, что чем больше смещение спектра и поглощение энергии падающего светового потока, тем больше загрязнение атмосферы. Таким образом, индекс состояния атмосферы (q) мегаполисов представляется двухпараметрической функцией интегрального смещения спектра и интегрального поглощения энергии светового потока, дважды прошедшего через атмосферу. Регрессионная зависимость q (ПДК) от перечисленных факторов представлялась монотонно-возрастающим степенным функционалом вида
Σ
эт
эт
x
y
q=a(λ/λ)·(W/W);
где а - эмпирический коэффициент пропорциональности искомой регрессионной зависимости;
x, y - степень чувствительности функции регрессии к выделенным факторам;
эт
λ/λ - фактор смещения спектра относительно средней длины волны эталонного спектра;
эт
W/W - фактор относительного роста потерь энергии на поглощение падающего потока молекулами смогов.
эт
эт
По определению, средневзвешенная длина волны видимого диапазона (370…670 нм) эталонного солнечного спектра λ, график фиг.1 [см., например, Большая Советская энциклопедия под редакцией А.М.Прохорова, том 24, Солнечная радиация стр.144]. λ≈500 нм. Средневзвешенное значение длины волны делит площадь под кривой фиг.1 пополам.
Энергия одного кванта w=hυ, где h - постоянная Планка, υ - частота. Поскольку длина волны λ=c/f (c - скорость света), то энергия кванта: w=hc/λ.
Полную энергию светового потока вычисляют по соотношению Рэлея [см., например, Заездный A.M., «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связь-издат, М., 1964 г., с.93-94]
эт
cp1
cpn
cp1
cpn
Поскольку измерения современных спектрометров представляются в виде дискретных цифровых отсчетов, то вычисление интеграла осуществляют специализированной математической программой, приводимой ниже в примере реализации. Расчетное значение энергии эталонного спектра W=15,6. Для корректного сравнения эталонной (по Планку) спектральной характеристики и регистрограмм измерений осуществляют их приведение к единому масштабу путем нормирования относительно максимума. При этом условия съемки (высота Солнца, угол визирования) не влияют на результат расчета выделенных факторов. Совокупность реализации измерений отраженного светового потока от контрольных промышленных площадок, нормированных относительно максимума, иллюстрируется графиками фиг.3. Для каждой из реализации по изложенным выше зависимостям, путем компьютерной обработки вычисляются значения λ…λ W…W. Получено аналитическое выражение регрессионной зависимости индекса загрязнения атмосферы
Процедура получения аналитической зависимости изложена ниже, в примере конкретной реализации способа.
Σ
Для получения загрязнения атмосферы по всей площади региона сортируют пиксели изображения по яркости и строят гистограмму их распределения. Вычисляют математическое ожидание гистограммы и привязывают точку математического ожидания к расчетной величине q. Пересчитывают относительные значения гистограммы в абсолютные значения ПДК, распределенные по площади региона в виде закона Рэлея с расчетными числовыми характеристиками (фиг.5б).
Пример реализации способа
Способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг.6. Функциональная схема устройства содержит космическую платформу наблюдения 1 типа лабораторного модуля 77 КМЛ, стыкуемого с международной космической станцией (МКС). На космической платформе установлена гиперспектральная оптико-электронная камера высокого пространственного разрешения 2 (например гиперспектрометр типа «Астрогон»), осуществляющая синхронную съемку запланированных участков 3 по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 4 на основе программ, закладываемых в БКУ из центра управления полетом (ЦУП) 5 по радиолинии командного управления 6. По командам БКУ в зонах радиовидимости МКС с наземных пунктов данные измерений сбрасываются по мобильному каналу связи 8 на пункты приема информации 9. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах ППИ 10 информация передается в центр тематической обработки 11, где через устройство ввода 12 поступает в ПЭВМ тематической обработки 13 в стандартном наборе средств: процессор 14, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 15, винчестер 16, дисплей 17, принтер 18, клавиатура 19. Результаты обработки экологического состояния атмосферы выводятся на веб-сервер 20.
Σ
Σ
Σ
Дистанционно регистрируемый уровень отраженной солнечной радиации является суммой отражений от подстилающей поверхности и атмосферной дымки. При замутненной атмосфере происходит «замывание» спектрально-энергетических и пространственных характеристик подстилающей поверхности. Существуют методы параметрического разделения эффектов подстилающей поверхности в результирующей яркости [см., например, «Итоговый отчет по исследованию параметров Атмосфера-Поверхность дистанционными методами». Эксперимент МКС-М-МКФ-6 на станции Салют-7, 1983…1985 г.г., М., ИКИ, АН СССР, с.23-31]. В заявленном методе это разделение осуществляют на этапе измерений раздельным измерением спектральной характеристики отраженного солнечного потока с одновременным получением спектрозонального изображения региона. Это достигается использованием нового поколения технических средств, в частности гиперспектрометра «Астрогон» [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения». Инженерная записка, РАКА, НИИЭМ, М., 2002 г., с.8-12]. Гиперспектрометр «Астрогон», прибор так называемого химического зрения, позволяет одновременно получать изображения в нескольких спектральных каналах шириной до 10 нм. На фиг.3 представлены регистрограммы измеренных спектров контрольных площадок с известными средними значениями индексов состояния атмосферы: Сергиев Посад, q≈2, Москва, р-н ЗИЛ, q≈3,5, Старые Мытищи, р-н Химволокно, q≈8. Расчет энергии отраженного потока регистрограмм фиг.3 осуществлен по специализированной математической программе.
Текст программы вычисления энергии светового потока.
В результате расчетов получен исходный массив. Таблица, для получения регрессионной зависимости суммарного загрязнения атмосферы от выделенных факторов.
Таблица
Контрольная площадка
Индекс состояния q<sub>Σ, ПДК</sub>
Средневзвешенная длина волны отр. спектра λ, нм
Расчетная энергия
λ<sub>эт</sub>
Wэт
1. Сергиев Посад
1,5-2,5
525
13,2
500
15,6
2. Москва
3-4
560
11,1
500
15,6
3. Мытищи
6-8
600
8,4
500
15,6
x
y
Для получения мнгопараметрической аналитической зависимости функции регрессии от выделенных факторов математическим институтом им. Стеклова рекомендованы монотонные степенные функции вида q=a·b·c…
По данным таблицы, исходная система уравнений примет вид
x
y
2=a(525/500)·(15,6/13,2)
x
y
3,5=a(560/500)·(15,6/11,1)
x
y
8=а(600/500)·(15,6/8,4)
Логарифмированием система степенных уравнений сводится к линейной. Решение системы осуществлялось по правилу Крамера-Сарриуса. Получены следующие значения неизвестных:
a=1,2; x=1,5; y=2,6
Таким образом, монотонная функция регрессии загрязнения атмосферы, прокалиброванная по регистрограммам контрольных площадок, представляется в аналитическом виде (график фиг.4)
Σ
эт
эт
1,5
2,6
q=1,2(λ/λ)·(W/W)
Σ
На фиг.5а иллюстрирована гистограмма распределения пикселей по яркости контрольной площадки (2), изображения, полученного в красной полосе 570…670 нм. Числовые характеристики изображения были следующими: масштаб снимка 1 см: 1,7 км, пространственное разрешение пикселя 10,8 м, размер матрицы обрабатываемого участка  элементов, среднее значение яркости в стандартной шкале квантования сигнала 0…255 уровней составило 60, минимальная яркость 16, максимальная 190. Среднее значение яркости 60 отождествляют со средним значением ПДК=3,5 контрольной площадки 2. Окрестность любого значения функции регрессии q (фиг.4) можно аппроксимировать отрезком прямой, считая в этой окрестности значение ПДК обратно пропорциональным яркости. Чем меньше яркость, тем больше поглощение потока молекулами смогов и тем больше ПДК. Минимальная яркость 16, что составляет 16/60 средней яркости и соответствует обратной пропорции 3,75. Следовательно, максимальное значение ПДК контрольной площадки составит 3,5·3,75=13,1. Соответственно, минимальное значение ПДК составит .
Известно [см., например. Теоретические основы радиолокации» под редакцией В.Е.Дулевича, М., Сов. Радио, 1964 г., с.114], что случайная величина, распределенная в интервале от нуля до спорадически максимальных значений, подчиняется закону Рэлея
2
-q/2σ
W=(q/σ)e
Интервал распределения данной случайной величины: минимум 1,1, максимум 13,1, среднее значение 3,5.
1
2
Числовые характеристики закона Рэлея соответствуют m=1,25σ, m=0,43σ. Первый момент закона Рэлея отождествляют со средним значением ПДК=3,5. На фиг. 5б иллюстрировано абсолютное распределение ПДК по площади контрольной площадки, пересчитанное из относительной гистограммы распределения яркостей.
Все элементы устройства, реализующего способ, выполнены на существующей технической базе. Эффективность способа, основанная на одновременном измерении двух параметров светового потока, характеризуется большей достоверностью и точностью, по сравнению с известными аналогами.