СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ЛАВИННЫХ ОЧАГАХ
METHOD FOR REMOTE DETERMINATION OF THICKNESS OF SNOW COVER IN AVALANCHE SITES

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и гляциологии, а именно к способам дистанционного определения толщины снега в горах, и может быть использовано для прогноза лавинной опасности.
Известны различные способы дистанционного определения толщины снежного покрова в горах.
В Российской технологии противолавинной защиты для определения толщины снега в очагах лавиносборов предусмотрено использование снегомерных реек, устанавливаемых в летнее время /1/.
Однако использование снегомерных реек для определения толщины снега в очагах лавиносборов малоэффективно из-за заносов, а также частого повреждения при обстреле противолавинными снарядами.
В настоящее время для получения информации о состоянии снежного покрова используются технические средства дистанционного зондирования, работающие в различных диапазонах электромагнитного спектра частот (видимом, СВЧ, ИК и радиолокационном) /2/.
При этом в большинстве случаев с использованием дистанционных средств наблюдений, применительно к измерению толщины снежного покрова, определяют только некоторые произвольно различимые интервалы толщины, что не всегда является достаточным информационным параметром для решения практических задач.
Кроме этого, применяемые способы не в полной мере удовлетворяют условиям снеголавинных станций (СЛС) и противолавинных отрядов, т.к. у них имеется ряд недостатков. Их применение сопряжено либо с большими трудозатратами, либо дает лишь примерное представление о мощности снежного пласта, либо принципиальная невозможность использования данного способа в условиях отдельных СЛС. Для прогнозирования лавиноопасных ситуаций снеголавинным станциям и противолавинным отрядам Росгидромета необходима оперативная и точная информация о толщине снега в лавиносборах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерной локации, включающий проведение двух последовательных съемок местности, причем первая съемка должна проходить в период, предшествующий установлению снежного покрова (летние измерения), а вторая и последующие - при наличии снежного покрова (зимние измерения). Задача этих съемок - соответственно получение высокоточных цифровых моделей рельефа поверхности земли и поверхности снежного покрова /3/.
Для дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах необходимо использование лазерной локации и материалов по наземным и авианаблюдениям. Большое значение имеет проектирование маршрутов лазерной съемки и определение достаточной плотности точек лазерного отражения на единицу площади земли и снега.
К недостаткам известного способа можно отнести высокую стоимость авиационной техники и невозможность ее использования при снегопадах, что затрудняет реализацию способа для целей активного воздействия.
Техническим результатом, ожидаемым от использования заявленного способа, является возможность получения полноценной и своевременной информации о толщине снега в зонах зарождения лавин, отсутствие риска для жизни людей при проведении измерений, удовлетворение практических потребностей СЛС и при этом, в отличие от прототипа, не требуется применение дорогостоящей авиационной техники.
Технический результат достигается тем, что в известном способе дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера, включающем последовательное проведение съемок местности, причем первую съемку проводят в период, предшествующий установлению снежного покрова (летние измерения), а вторую и последующие - при наличии снежного покрова (зимние измерения), предварительно в долине выбирают репер и очаги зарождения лавин на склоне горы, измеряют расстояния от места установки дальномера до контрольных точек в зоне зарождения лавин с учетом углов зондирования и определяют искомую толщину снежного покрова по формуле:
где AE - разница между результатами измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (лазерного дальномера) в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, выполненных в летний период (без снежного покрова) и в зимний период (при наличии снежного покрова);
β - угол зондирования.
Технический результат достигается и тем, что лазерный дальномер устанавливается в любом легкодоступном месте долины, с которого хорошо просматривается и зона зарождения лавины и репер. При этом расстояния, вычисленные на основе измерений, не зависят от места установки измерительной аппаратуры.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где схематически представлены операции летних и зимних измерений.
На фиг.1 представлена схема летних измерений в зоне зарождения лавины (вид сверху), где С - место установки лазерного дальномера; В - репер (изолированный объект); А, А′, А″ - точки в зоне зарождения лавин в лавинном очаге №_; S - направление на север (или на восток, или на юг - для каждого лавинного очага может быть использован наиболее удобный вариант выбора направления отсчета).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
- Выбирается репер (столб, ретранслятор и т.д.) (фиг.1 - точка В).
- Устанавливается измеритель дальности в точке С. Точка выбирается произвольно. Ее выбор определяется следующими требованиями:
a) хорошо просматривается репер - точка В;
б) имеет место прямая видимость основной части зоны зарождения лавин в очаге №_ (точки А, А′, А″);
в) имеется возможность для установки штатива лазерного дальномера в соответствии с техническим паспортом.
- Определяется расстояние до репера - отрезок СВ.
0
- Определяется угол α (азимут) SCB, под которым виден репер В.
0
0
Определяется угол β к горизонту, под которым наблюдается точка В (фиг.2, на которой представлен вертикальный разрез по линии визирования на репер В, где С - место установки лазерного дальномера; 1 - лазерный дальномер, установленный в точке С; В - репер (изолированный объект); 2 - линия горизонта; 3 - угол (β) между направлением на репер и горизонтом; S - направление на север (или восток, или юг).
- Определяется расстояние до точек А - отрезок АС.
- Определяется азимут (угол SCA) наблюдения точки А - угол α.
- Определяется угол β к горизонту, под которым наблюдается точка А.
- Сделанные измерения записываются в таблицу 1.
Аналогичные измерения делаются для точек А′, А″ и др.
Вторая операция. Расчеты по летним измерениям.
На фиг.3 представлена схема для расчета по летним измерениям, где М - точка пересечения прямой линии на север с линией, проходящей через точки А и В.
Вычисляется угол ВСА:
где угол SCB - есть угол между линией, соединяющей точки B и A к направлению на север. Значение данного угла не зависит от местоположения места (точки) установки измерительной аппаратуры. Его значение зависит только от положения точек А, А′, А″ и т.д.
По теореме косинусов находим:
Проводим линию DC||ВА
Находим угол СВА:
Находим угол SCD:
Итогом летних измерений и расчетов являются значения:
- угла SCD;
- расстояние ВА.
Вычисленные на основе измерений расстояния АВ, А′В, А″В и т.д. также не зависят от места установки измерительной аппаратуры.
Сделанные измерения записываются в таблицу 2.
Аналогичные процедуры проводятся с точками А′, А″ и др.
Третья операция. Измерения и расчеты в зимний период (при наличии в горах слоя снега).
На фиг.4 представлена схема измерений при наличии в зоне зарождения лавин снежного покрова, где C′ - место установки лазерного дальномера во время зимних измерений; В - репер; А, А′, А″ - точки в зоне зарождения лавин в лавинном очаге №_; S - направление на север; E - точка на отрезке условной линии C′A; DC′ - линия, параллельная прямой, соединяющей точки А и В.
- Устанавливается система измерений (теодолит с дальномером) в точке C′. Точка C′ может совпадать с точкой С, но это не обязательно.
0
- Определяется угол γ (угол между направлениями на север S и на репер В: ∠BC′S).
- Измеряется расстояние C′B.
03
- Определяется β - угол между горизонтом и направлением на репер.
- По летним измерениям и зимним измерениям определяется ∠C′BA.
Так как ∠SC′D=∠SCD,
где ∠SCD - угол, определенный по летним измерениям.
- По формуле:
где АВ рассчитано по летним измерениям, определяется AC′.
- Вычисляется угол АС′В по формуле:
вытекающей из соотношения .
- Под углом АС′В устанавливается дальномер и измеряется расстояние С′Е.
3
- Определяется угол β - угол между горизонтом и направлением на точку А.
- Толщина снега АЕ без учета угла зондирования АЕ определяется как разность:
С учетом угла зондирования значение h определяется по формуле:
где AE - разница между результатами измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (лазерного дальномера) в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, выполненных в летний период (без снежного покрова) и в зимний период (при наличии снежного покрова);
з
β - угол зондирования.
Пример конкретного выполнения способа
В качестве примера дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера приведем результаты измерений на НИБ «Терскол», расположенной в поселке Терскол, район Приэльбрусье, КБР, высота 2200 над уровнем моря, выполненных в период июль-декабрь 2009 г.
В соответствии с заявленным способом, в летнее время был выбран репер-столб ЛЭП и три условных очага зарождения лавин на склоне горы. Результаты замеров приведены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты измерений
№ пп
CB, м
α<sub>0</sub>, град
β<sub>0</sub>, град
AC, м
α, град
β, град
A′C, м
α′, град
β′, град
A′C, м
α″, град
β″, град
1
305
15<sup>0</sup>06′57″
7<sup>0</sup>43′40″
5490
99<sup>0</sup>48′44″
5<sup>0</sup>21′15″
5485
99<sup>0</sup>48′39″
5<sup>0</sup>21′35″
5480
99<sup>0</sup>48′25″
5<sup>0</sup>21′55″
2
305
15<sup>0</sup>06′57″
7<sup>0</sup>43′40″
1427
92<sup>0</sup>01′58″
5<sup>0</sup>53′45″
1425
92<sup>0</sup>01′12″
5<sup>0</sup>54′00″
1425
92<sup>0</sup>01′00″
6<sup>0</sup>00′00″
3
305
15<sup>0</sup>06′57″
7<sup>0</sup>43′40″
395
63<sup>0</sup>37′58″
8<sup>0</sup>44′40″
395
63<sup>0</sup>37′50″
8<sup>0</sup>52′28″
-
-
-
Обобщенные результаты вычислений по формулам 1-4 приведены в таблице 4.
Измерения и расчеты в зимний период (при наличии в горах слоя снега).
Устанавливается система измерений (теодолит с дальномером) в точке C′. B нашем случае точка C′ совпала с точкой C.
0
Определяется угол γ (угол между направлениями на восток S и на репер B: ∠ВС′S). Т.к. точка C′ совпадает с C, то
0
∠BC′S=∠BCS=10506′57″
С′В=СВ=305 м
03
Определяется β - угол между горизонтом и направлением на репер.
03
0
∠β=743′40″
По летним (первым) измерениям и зимним измерениям определяется ∠С′ВА. Так как ∠SC′D=∠SCD,
∠C′BA=∠SC′B-∠SCD,
где ∠SCD - угол, определенный по летним измерениям. В данном случае, т.к. точка C′ совпадает с C, ∠C′BA=∠CBA.
В итоге, для трех зон измерений получено значение угла С′ВА (таблица 5).
Таблица 5
Значение угла С′ВА
№ пп
CB, м
γ<sub>0</sub>, град
β<sub>03</sub>, град
∠C′BA, град
∠C′BA′, град
∠C′BA″, град
1
305
105<sup>0</sup>06′57″
7<sup>0</sup>43′40″
92,12105674
92,11953842
92,12051987
2
305
105<sup>0</sup>06′57″
7<sup>0</sup>43′40″
90,74277941
90,73795042
90,74129318
3
305
105<sup>0</sup>06′57″
7<sup>0</sup>43′40″
81,6652579
81,6671517
-
Определяется расстояние АС′ по формуле:
,
где АВ рассчитано по летним измерениям. Результаты расчетов приведены в таблице 6.
Таблица 6
Результаты вычисления расстояния от места установки дальномера C′ до зон зарождения лавин
№ пп
AC′
A′C′
A″C′
1
5490
5485
5480
2
1427
1425
1425
3
395
395
-
Вычисляется угол АС′В, под которым необходимо установить дальномер, по формуле:
Результаты расчетов приведены в таблице 7.
Таблица 7
Результат расчета угла, под которым необходимо установить дальномер для измерения толщины снежного покрова
№ пп
∠AC′B, град
∠A′C′B, град
∠A″C′B, град
1
84,69638894
84,69500001
84,69111111
2
76,91694442
76,90416667
76,90083329
3
48,51694451
48,51472222
-
3
0
Измеряется расстояние С′Е по измеренным ранее углам β, β, β (углы между горизонтом и направлением на точки A, A′, A″ соответственно) (таблица 8).
Таблица 8
Результаты измерений расстояния и вертикальных углов от места установки лазерного дальномера до снежного покрова по направлению на точки A, A′, A″
№ пп
C′E, м
β<sub>3</sub>, град
C′E′, м
β, град
C′E″, м
β<sub>0</sub>, град
1
5488
5<sup>0</sup>21′15″
5484
5<sup>0</sup>21′35″
5480
5<sup>0</sup>21′55″
2
1425
5<sup>0</sup>53′45″
1424
5<sup>0</sup>54′00″
1423
6<sup>0</sup>00′00″
3
394
8<sup>0</sup>44′40″
395
8<sup>0</sup>52′28″
-
-
С учетом угла зондирования β толщина снега h определяется как:
h=АЕ·cosβ,
где АЕ=AC′-ЕС′ (таблица 9).
Таблица 9
Результаты расчета толщины снега в измеряемых участках
№ пп
h, мм
h′, мм
h″, мм
1
1991,273855
995,627874
0
2
1989,42058
994,702817
1989,043791
3
988,376256
0
-
Из приведенного примера следует, что находясь на значительном расстоянии от лавинного очага, куда доступ опасен для жизни, принятие решения о закрытии зоны поражения лавиной, а также о начале принудительного спуска снега (лавины) зависит от величины снега, вычисленного по формуле 10.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить эффективность действия служб обеспечения безопасности в рекреационных комплексах в горах, а также служб активных воздействий на снеголавинные процессы.
Источники информации
1. Черноус П.А., Барашев Г.В., Федоренко Ю.В. Изменчивость характеристик снега и образование лавин // Лед и снег, №3. РАН. Из-во «Наука», 2010. С.27-36.
2. Богородский В.В., Позняк В.И., Трепов Г.В., Шереметьев А.Н. Измерение толщины годовых слоев снега в Антарктиде методом радиолокационного зондирования / Доклады АН СССР 1982. Том 264, №4.
3. Бойко Е.С. Использование метода воздушной лазерной локации при оценке снегонакопления в горных условиях // Материалы VI междун. конф. «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка. Сегодня и завтра». М., 2006. С.29-30 (прототип).