Способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности

Изобретение относится к области дистанционного зондирования Земли из космоса. Технический результат заключается в повышении устойчивости и достоверности результатов контроля. Для осуществления контроля проводят дистанционное зондирование подстилающей поверхности средствами, установленными на космическом носителе, синхронно, в ИК и СВЧ диапазонах, с получением изображений участков поверхности, раздельно, в каждом канале, осуществляют попиксельное перемножение матриц изображений с получением синтезированной матрицы, нормируют функцию сигнала синтезированной матрицы в стандартной шкале 0…255 уровней квантования, калибруют функции сигнала синтезированной матрицы по значениям коэффициента пожарной опасности эталонных площадок, выделяют изолинии контуров пожарной опасности методами пространственного дифференцирования и визуализируют их распечаткой с нанесением на контурную карту региона. 5 ил.

 

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в региональных Центрах Министерства по Чрезвычайным Ситуациям при анализе пожароопасной обстановки на обширных площадях.

Природные пожары были и остаются доминирующим фактором стихийных бедствий при климатических аномалиях многих регионов РФ. Федеральной службой лесов России, по данным Госгидромета, ведутся карты лесопожарной опасности регионов, для отслеживания нарастания пожарной опасности и осуществления своевременного маневра силами и средствами борьбы с природными пожарами.

Известен способ пирологической оценки лесов по комплексному показателю (КПО) горимости В.Г. Нестерова [см., например, «Лесопожарные показатели засухи», в сборнике «Пирологическое районирование в таежной зоне», Софронов М.А., Волокитина А.В., АН СССР, Сибирское отделение. Наука, Новосибирск, 1990 г., стр. 37…38 - аналог]. В способе-аналоге расчет КПО проводится по каждому району, области, лесхозу, лесничеству на основе данных наземных метеостанций и метеопунктов по следующей зависимости:

где Т° - температура воздуха на 12 часов местного времени, °С;

t_p - температура точки росы, °С;

τ_i - количество дней сухого периода со дня схода снежного покрова до дня выпадения осадков в количестве более 3 мм;

Σ - сумма разности температур за все дни τ_i.

После выпадения осадков в количестве более 3 мм счет обнуляется, а расчет КПО начинается заново со дня установления бездождевой погоды. По полученной сумме КПО устанавливаются классы лесопожарной опасности по В.Г. Нестерову: I класс до 300, II класс 300…1000, III класс 1000...4000, IV класс 4000-8000, V класс чрезвычайной опасности - более 8000. Выделенные участки различных классов наносят на пожарную карту лесхоза (лесничества) по укрупненным выделам и закрашивают красным цветом различной насыщенности.

Недостатками известного аналога являются:

- существенные ошибки результирующих оценок при неравномерном выпадении осадков на площади наблюдения;

- невысокая достоверность при редкой сети метеопунктов в таежной зоне;

- неадекватность (косвенность) самого показателя, характеризующего засушливое состояние погоды, а не состояние подстилающей поверхности.

Известен «Способ контроля водного режима лесов», Патент RU №2103863, A01G, 23/00, G01S, 17/00, 1998 г. - аналог.

Способ-аналог включает получение регистрограмм радиояркостной температуры почвогрунтов, калибровку тракта зондирования по измерениям эталонных участков, отличающийся тем, что осуществляют синхронную регистрацию радиояркостной температуры почвогрунтов на двух частотах f₁<<f₂, разбивают весь интервал измерений на мозаику участков, преобразуют функции пространственной зависимости радиояркостной температуры Т_я/х/f₁, T_я/x/f₂ каждого участка квантованием в матрицы цифровых отсчетов , , получают поэлементным вычитанием: , разностную матрицу, вычисляют параметры электрического сигнала разностной матрицы, среднеквадратическое отклонение σ, автокорреляционную функцию B(R), оценивают уровень гравитационной влаги почвогрунтов участка по регрессивной зависимости

синтезируют из последовательно проанализированных участков мозаичную картину влажности почвогрунтов по всей площади наблюдения,

где h₀(f₁) - предельная глубина проникновения электромагнитного поля в почвогрунт по частоте f₁;

σ - среднеквадратическое отклонение сигнала разностной матрицы анализируемого участка;

R - ширина автокорреляционной функции сигнала разностной матрицы анализируемого участка на уровне 0,1 B(R)_max;

Z₀ - постоянная экспоненты, определяемая зондированием эталонных участков.

Недостатком способа-аналога является отсутствие зависимости между значениями измеряемого сигнала и комплексным показателем пирологического состояния подстилающей поверхности.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ контроля лесопожарной опасности», Патент RU №2147253, A01G, 23/00, А62С, 3/02, 2000 г.

Способ ближайшего аналога включает регистрацию собственного излучения подстилающей поверхности в диапазоне, соответствующем максимуму теплового ИК-излучения подстилающей поверхности, калибровку тракта зондирования по измерениям эталонных участков, вычисление числовых характеристик и расчет результирующего показателя, отличающийся тем, что в качестве результирующего показателя используют непосредственно величину влажности W лесных горючих материалов, преобразуют зарегистрированную функцию электрического сигнала в цифровые матрицы отсчетов зависимости амплитуды от координат, выделяют методами пространственного дифференцирования контуры на двумерных изображениях лесных массивов контролируемого региона при установленных пороговых значениях градиента, а величину влажности лесных горючих материалов внутри выделенных контуров рассчитывают по регрессионной зависимости

,

где а - поправочный коэффициент, учитывающий параметры тракта зондирования, географическую зону, тип лесов;

σ² - мощность переменной составляющей сигнала участка изображения внутри контура, Вт;

L^-2 - мощность постоянной составляющей сигнала участка изображения внутри контура, Вт.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- существенное экранирование ИК-излучения надпочвенным покровом растительности, снижающее достоверность и точность показателя влажности;

- способ применим лишь для поверхностных измерений и не содержит информацию о влажности почвогрунтов.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в повышении устойчивости и достоверности оценки пирологического показателя путем комплексирования синхронных измерений влажности надпочвенного покрова растительности и влажности его почвогрунтов контролируемого участка.

Поставленная задача решается тем, что способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности включает ее дистанционное зондирование средствами орбитального космического носителя с получением изображений в двух независимых каналах, ИК-диапазоне 8-11 мкм и восходящего СВЧ-излучения дециметрового диапазона, формирование синтезированной матрицы изображений путем попиксельного перемножения сигналов канальных матриц, нормирование синтезированных матриц в стандартной шкале 0…255 уровней квантования, калибровку суммарного тракта по значениям показателя пожарной опасности эталонных площадок, пересчет матриц значений пикселов суммарного канала в матрицы со значениями пикселей пожарной опасности, выделение областей классов пожарной опасности, их ретуширование программой Photoshop и визуализация с распечаткой и нанесением на контурную карту региона.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - зависимость мощности восходящего СВЧ-излучения от глубины гравитационно-капиллярной каймы почвогрунтов;

фиг. 2 - зависимость параметров (σ₁, m₁) сигнала ИК-канала измерений от нарастания КПО;

фиг. 3 - калибровочная характеристика суммарного тракта измерений;

фиг. 4 - визуализация изолиний КПО на контурной карте региона;

фиг. 5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Максимум мощности ИК-излучения в соответствии с законом Вина приходится на диапазон 8-10 мкм. На этот же диапазон приходятся окна прозрачности атмосферы при коэффициенте прохождения РЖ-излучения до 70%. Однако, при большой влажности надпочвенного слоя, перепад температур между открытыми участками и в тени достигает десятков градусов, в результате наблюдаются большие флуктуации амплитуды сигнала от одного элемента разрешения к другому [см. таблицу 1 ближайшего аналога «Способ контроля лесопожарной опасности», Патент RU №2147253]. Для устойчивости результата измерений необходимо, кроме характеристик надпочвенного слоя учитывать и характеристики почвогрунтов, которые при засухе существенно изменяются. При подсыхании почвогрунта на верхней его границе образуется корка, а на нижней границе, под коркой, происходит разрыв капиллярных связей, т.е. уровень увлажненности почвогрунтов, считая от поверхности, понижается. При продолжительных засухах понижается уровень и грунтовых вод. С изменением уровня увлажненности изменяются и характеристики собственного, восходящего СВЧ-излучения. Радиояркостная температура Т_я связана с термодинамической температурой Т°К зависимостью: Т_я=Т₀[1-(К_λ)²] [см., например, Дулевич В.Е. и др. «Теоретические основы радиолокации», Сов. Радио, М., 1964 г., стр. 677-680],

где К_λ - комплексный коэффициент отражения электромагнитных волн от почвогрунта. Последний изменяется при снижении уровня гравитационно капиллярной каймы при засухе.

В соответствии с приближенными граничными условиями Леонтовича, для проводящей среды (увлажненный почвогрунт) глубина проникновения электромагнитного поля в почвогрунт определяется из соотношения:

ω - частота зондирования, µ - магнитная проницаемость грунта, g - проводимость грунта.

Удельное сопротивление почвогрунтов (торф, глина, суглинок, песок) в зависимости от влажности имеет порядок (0,2…3) 10³ Ом·м. Для того чтобы обеспечить регистрацию уровня капиллярной каймы почвогрунтов до глубины 100-110 см, длина волны зондирования должна составлять

Зависимость уровня СВЧ-сигнала от уровня капиллярной каймы иллюстрируется графиком фиг. 1.

Поскольку процесс подсыхания почвогрунтов более инерционен, по сравнению с перепадом температур надпочвенного слоя (на открытой стороне или в тени) результат оценок пирологического состояния подстилающей поверхности, с учетом влажности почвогрунтов, более устойчив и достоверен.

Для устойчивости и достоверности контроля пирологического состояния подстилающей поверхности в заявленном способе предлагается осуществлять попиксельное перемножение матриц изображений одного и того же участка, полученных в СВЧ- и ИК-диапазонах. Данная операция реализуется использованием специализированного программного обеспечения [см., например, MATH CAD.6.0, PLVS, издание 2-е стереотипное, «Информационно-издательский дом «ФИЛИНЪ», 1997 г., стр. 211. Векторизация элементов матрицы]. После этого осуществляют нормирование функции сигнала синтезированной матрицы в стандартной шкале 0…255 уровней квантования. Калибровку суммарного тракта измерений проводят по известным значениям коэффициента пожарной опасности эталонных площадок (региональных метеопунктов), содержащихся в получаемых изображениях. Калибровочная характеристика суммарного тракта измерений иллюстрируется фиг. 3.

Конечным результатом является документ-карта пирологического состояния подстилающей поверхности по всем трассам измерений с выделением контуров (изолиний) критического состояния. Для чего каждый кадр изображения суммарного канала обрабатывают отдельно. Функция сигнала результирующей матрицы характеризуется двумя параметрами: математическим ожиданием m и среднеквадратическим отклонением σ. Для каждой матрицы вычисляют соотношение и по калибровочной характеристике (фиг. 3) находят значение КПО. Отождествляют вычисленное значение КПО с максимальной яркостью пикселей n_max изображения. Значения КПО в остальных (i) точках изображения находят из соотношения

.

Ретуширование границ значений КПО, выделение изолиний областей осуществляют программным способом [см., например, Минько П.А., «Обработка графики в Photoshop CS2, изд. «Эксмо» 2007 г., глава 3, Методы выделения областей» стр. 53-56]. Результат использования Photoshop CS2 иллюстрируется фиг. 4. Заливка критических областей (максимального уровня сигнала соответствующих максимальным значениям КПО) для лучшего визуального восприятия выполнена темным цветом (максимальный класс опасности).

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован на базе устройства по схеме, приведенной на фиг. 5. Функциональная схема устройства, фиг. 5, содержит орбитальный комплекс наблюдения 1 типа космического аппарата «Метеор-М» с установленными на его борту радиометром 2 РЖ-диапазона типа МСУ-СК и СВЧ-радиометром 3 дециметрового диапазона типа РК-21-8. Опреативную съемку запланированных районов наблюдения и включение радиометров зондирования (2, 3) осуществляют по командам бортового комплекса управления (БКУ) 4, передаваемыми из Центра Управления Полетом (ЦУП) 5 КА по радиолинии командного управления 6. Отснятые по трассе полета КА кадры изображений подстилающей поверхности записывают в буферное запоминающее устройство 7 и в зонах видимости КА с наземных пунктов по автономному высокоскоростному каналу передачи данных 8 сбрасывают на наземные пункты приема информации 9, где осуществляют запись данных на средствах 10. После предварительной обработки информации на средствах 10, выделения кадров по служебным признакам (номер витка, время и координаты съемки) информацию перегоняют по наземным каналам связи в центр 11 тематической обработки. В центре тематической обработки 11 скомпонованные массивы измерений, через устройство 12, вводят в ПЭВМ 13. Программную обработку РЖ и СВЧ изображений подстилающей поверхности, по операциям способа, проводят на средствах ПЭВМ в стандартном наборе элементов: процессор 14, винчестер 15, оперативное запоминающее устройство 16, дисплей 17, принтер 18, клавиатура 19. Результаты обработки выводят на сайт 20 сети Интернет. В качестве примера приводилась оценка пирологического состояния территорий Забайкалья (Бурятия, Читинская обл.), имеющих устойчиво высокую горимость лесов по результатам многолетних наблюдений с координатами 50°, 55°, 60° Северной широты и 100°, 110° Восточной долготы. При анализе использовались имеющиеся измерения средствами РЖ-радиометра МСУ-СК, РЖ-радиометра AVNRR космической системы NOAA, работающей в режиме открытого доступа с пунктами приема г. Красноярск, г. Москва, а также результаты летных испытаний СВЧ-радиометра РК-21-8 на самолетном носителе. Учитывались погодные данные метеостанций региона. Совместной обработкой получена калибровочная функция суммарного тракта, иллюстрируемая графиком фиг. 3. В качестве конкретного примера обрабатывалась матрица элементов, максимальное значение яркости пиксела соответствовало 212, минимальное 40 уровней квантования, максимальное значение класса пожарной опасности IV, минимальное I.

На распечатке фиг. 4 представлена визуализация пирологического состояния территорий с нанесением на контурную карту региона. При визуализации, для однозначного опознавания пожароопасных территорий, выбрана их «заливка» черным тоном. Непожароопасные территории отображены более светлыми тонами. Эффективность заявленного способа характеризуется такими показателями, как глобальность, оперативность, достоверность, точность, документальность.

Способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности включает ее дистанционное зондирование средствами орбитального космического носителя с получением изображений в двух независимых каналах, ИК-диапазоне 8-11 мкм и восходящего СВЧ излучения дециметрового диапазона, формирование синтезированной матрицы изображений путем попиксельного перемножения сигналов канальных матриц, нормирование синтезированных матриц в стандартной шкале 0…255 уровней квантования, калибровку суммарного тракта по значениям показателя пожарной опасности эталонных площадок, пересчет матриц значений пикселов суммарного канала в матрицы со значениями пикселей пожарной опасности, выделение областей классов пожарной опасности, их ретуширование программой Photoshop и визуализация с распечаткой и нанесением на контурную карту региона.