Способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах
Владельцы патента RU 2454651:
Государственное учреждение "Высокогорный геофизический институт" (RU)
Предлагаемое изобретение относится к способам дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах и может быть использовано в метеорологии и гляциологии с целью прогнозирования лавинной опасности. Способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера основан на сравнении измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (лазерного дальномера) в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, выполненных в два этапа: летний период (без снежного покрова); зимний период (при наличии снежного покрова) с учетом угла зондирования. Техническим результатом изобретения является возможность получения полноценной и своевременной информации о толщине снега в зонах зарождения лавин, а также отсутствие риска для жизни людей, проводящих измерения, и удовлетворение практических потребностей снеголавинных станций. В предлагаемом способе не требуется применение дорогостоящей авиационной техники, контрольно-измерительная аппаратура (лазерный дальномер) устанавливается в любом легкодоступном месте долины; вычисленные на основе измерений расстояния не зависят от места установки измерительной аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 9 табл.
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.
- Определяется угол α0 (азимут) SCB, под которым виден репер В.
Определяется угол β0 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 (β0) 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.
- Определяется угол γ0 (угол между направлениями на север S и на репер В: ∠BC′S).
- Измеряется расстояние C′B.
- Определяется β03 - 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.
- Определяется угол β3 - 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);
βз - 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 | α0, град | β0, град | AC, м | α, град | β, град | A′C, м | α′, град | β′, град | A′C, м | α″, град | β″, град |
| 1 | 305 | 15006′57″ | 7043′40″ | 5490 | 99048′44″ | 5021′15″ | 5485 | 99048′39″ | 5021′35″ | 5480 | 99048′25″ | 5021′55″ |
| 2 | 305 | 15006′57″ | 7043′40″ | 1427 | 92001′58″ | 5053′45″ | 1425 | 92001′12″ | 5054′00″ | 1425 | 92001′00″ | 6000′00″ |
| 3 | 305 | 15006′57″ | 7043′40″ | 395 | 63037′58″ | 8044′40″ | 395 | 63037′50″ | 8052′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.
Определяется угол γ0 (угол между направлениями на восток S и на репер B: ∠ВС′S). Т.к. точка C′ совпадает с C, то
∠BC′S=∠BCS=105006′57″
С′В=СВ=305 м
Определяется β03 - угол между горизонтом и направлением на репер.
∠β03=7043′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 | γ0, град | β03, град | ∠C′BA, град | ∠C′BA′, град | ∠C′BA″, град |
| 1 | 305 | 105006′57″ | 7043′40″ | 92,12105674 | 92,11953842 | 92,12051987 |
| 2 | 305 | 105006′57″ | 7043′40″ | 90,74277941 | 90,73795042 | 90,74129318 |
| 3 | 305 | 105006′57″ | 7043′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 | - |
Измеряется расстояние С′Е по измеренным ранее углам β3, β, β0 (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 | β3, град | C′E′, м | β, град | C′E″, м | β0, град |
| 1 | 5488 | 5021′15″ | 5484 | 5021′35″ | 5480 | 5021′55″ |
| 2 | 1425 | 5053′45″ | 1424 | 5054′00″ | 1423 | 6000′00″ |
| 3 | 394 | 8044′40″ | 395 | 8052′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).
1. Способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах, включающий последовательное проведение двух серий измерений (летние и зимние) с использованием лазерного дальномера, отличающийся тем, что с помощью лазерного дальномера измеряют расстояние от места его установки в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки и по разнице между результатами измерений (АЕ), с учетом угла зондирования (βз) определяют толщину снежного покрова (h) по формуле:
h=AE·cosβз.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерный дальномер устанавливают в любом легкодоступном месте долины, с которого хорошо просматривается зона зарождения лавины и репер.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояния, вычисленные на основе измерений, зависят не от места установки измерительной аппаратуры, а от ее разрешающей способности.
