Способ определения индекса состояния атмосферы для антропогенных источников загрязнения

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов. Способ включает измерение спектра падающего светового потока, прошедшего толщу атмосферы, фотометрами глобальной сети наблюдений «AERONET» с одновременным синхронным зондированием территории региона бортовым гиперспектрометром с возможностью получения изображения в любом спектральном канале видимого диапазона, совместную обработку регистрируемых сигналов фотометра и орбитальных средств, определение индекса состояния атмосферы q по регрессионной зависимости:

q=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6,

где λ/λэт - относительное изменение средневзвешенной длины волны солнечного потока, регистрируемого фотометрами сети «AERONET», по отношению к средневзвешенной длине волны (λэт) эталонного, по Планку, солнечного потока; Wэт/W - относительное затухание светового потока, вычисляемое по сигналу, регистрируемому бортовым гиперспектрометром. Изобретение позволяет разделить эффекты взаимодействия светового потока с атмосферой и подстилающей поверхностью и, как следствие, повысить точность определения индекса состояния. 8 ил.

 

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. Основными видами загрязнений природных сред, подлежащих глобальному мониторингу по ЮНЕП, являются: двуокись углерода CO2, двуокись азота NO2, двуокись серы SO2. При антициклональных условиях в приземном слое происходит накопление примесей как антропогенного характера, так и пылевых дымок от трансграничных переносов глобального характера, концентрация которых составляет сотни ppm.

Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета индекса ее состояния [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр. 4-5, а также «Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России», под редакцией Э.Ю. Безугловой, ГГО им. А.И. Воейкова, Санкт-Петербург, 1994-1996 гг. - аналог].

Обычно индекс состояния рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы:

где mi [мг/м3] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;

CHi [мг/м3] - предельная 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, соответственно, IV, III, II и I классов опасности;

ПДК - предельно допустимая концентрация веществ в атмосфере.

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 зависимость результата измерений от случайных завихрений атмосферы в точках забора.

Известен «Способ определения загрязнения атмосферы мегаполисов», Патент RU №2422859 от 27.06.2011 г. - ближайший аналог.Способ ближайшего аналога включает дистанционное измерение гиперспектрометром спектральной характеристики отраженного светового потока от границы атмосфера-подстилающая поверхность с одновременным получением изображения региона, содержащего контрольные промышленные площадки, в красной полосе 570…670 нм, вычисление средневзвешенного значения длины волны λ и энергии отраженного потока W, определение загрязнения атмосферы по регрессионной зависимости:

q[ПДК]=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6;

сортировку пикселей изображения по яркости, построение гистограммы их распределения и привязки среднего значения гистограммы к расчетному значению q, расчет абсолютного распределения загрязнения атмосферы по площади региона в виде распределения Рэлея с расчетными числовыми характеристиками, где:

- q - среднее значение индекса состояния атмосферы региона, ПДК;

- λэт - средневзвешенное значение длины волны эталонного (по Планку) солнечного спектра;

- Wэт - энергия эталонного солнечного спектра, нормированного относительно максимума.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- невозможность параметрического разделения эффектов подстилающей поверхности и атмосферной «дымки» в регистрируемом результирующем сигнале отраженного солнечного потока дважды прошедшего атмосферу;

- необходимость обязательного присутствия в изображении региона контрольной промышленной площадки для калибровки измерительного тракта.

Задача, решаемая заявленным способом, состоит в повышении точности определения индекса состояния атмосферы дистанционным зондированием путем дополнительных измерений спектра падающего светового потока наземными фотометрами глобальной сети «AERONET».

Поставленная задача решается тем, что способ определения индекса состояния атмосферы антропогенных источников загрязнения включает измерение спектра I(λ) падающего светового потока фотометрами глобальной сети «AERONET», территориально расположенными в контролируемом регионе, с одновременным синхронным зондированием этой территории гиперспектрометром, установленным на космическом носителе, вычисление относительного сдвига λ/λэт средневзвешенной длины волны λ падающего светового потока, измеренного фотометром, к средневзвешенной длине волны λэт эталонного, по Планку, солнечного спектра, расчет энергии W сигнала, дважды прошедшего атмосферу, регистрируемого бортовым гиперспектрометром, и его затухания относительно эталонного, по Планку, сигнала Wэт/W, определение индекса состояния атмосферы q по регрессионной зависимости:

q=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6,

сортировку пикселей изображения антропогенных источников загрязнения, получаемого гиперспектрометром по яркости ni, отождествление среднего значения яркости nср с расчетной величиной q, расчет абсолютного загрязнения атмосферы в каждой точке qi из соотношения пропорции , выделение контуров изолиний техногенных нагрузок по всей площади антропогенных источников загрязнения.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - принцип измерений падающего светового потока фотометром а) и отраженного светового потока орбитальными средствами б);

фиг. 2 - эталонный, по Планку, солнечный спектр в) и спектр, измеренный фотометром г);

фиг. 3 - коэффициенты спектральной яркости I(λ) объектов подстилающей поверхности в видимом диапазоне;

фиг. 4 - регрессионные зависимости индекса состояния атмосферы от сдвига средней длины волны и относительного затухания сигнала;

фиг. 5 - одна из реализаций измерений I(λ) бортовым гиперспектрометром, нормированная относительно I(λ)max;

фиг 6 - гистограмма яркости пикселов изображения антропогенных источников загрязнения во всем видимом диапазоне;

фиг. 7 - изолинии техногенных нагрузок по площади антропогенных источников загрязнения;

фиг. 8 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем.

Различают два вида взаимодействия светового потока с атмосферой:

- затухание светового потока, обусловленное резонансным поглощением энергии на примесных газах с последующим флуоресцентным переизлучением поглощенной энергии;

- диффузное рассеивание потока на аэрозолях.

В соответствии с законом Стокса переизлучение энергии молекулами всегда происходит на большей длине волны. В результате взаимодействия светового потока с молекулами примесных газов наблюдается сдвиг солнечного спектра в длинноволновую (красную) 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 примесных молекул смогов.

Однако изменение соотношения между спектральными составляющими отраженного светового потока происходит и в результате фотосинтеза растений [см., например, Л.И. Чапурский. «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400…2500 нм», ч. 1, Мин. Обороны СССР, 1986 г, таблицы П7, П8, стр. 128-129, 130-131].

Графики коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) объектов подстилающей поверхности иллюстрируются фиг. 3. Как следует из графиков, КСЯ объектов могут изменяться в несколько раз. Поэтому разделить эффекты взаимодействия светового потока с атмосферой и подстилающей поверхностью в результирующем отраженном сигнале при дистанционном зондировании практически невозможно.

В заявленном техническом решении подобное разделение реализовано путем регистрации падающего светового потока, один раз прошедшего всю толщу атмосферы, наземным фотометром и, дважды прошедшего атмосферу, бортовым гиперспектрометром.

Известна международная глобальная сеть наблюдений за характеристиками прозрачности атмосферы «AERONET», включающая порядка 500 станций [см. Интернет: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/new_web/system_description.html]. В работе сети используют фотометры с измерениями оптической плотности в спектральных участках с длиной волны: 340, 380, 440, 500, 675, 870, 1020 нм. Интегральный эффект взаимодействия светового потока с компонентами газовых эмиссий в атмосферу состоит в сдвиге спектра видимого диапазона в красную область. Количественным параметром такого смещения служит средневзвешенная длина волны λ, исчисляемая как

Средневзвешенное значение длины волны делит площадь под кривой I(λ) (фиг. 2в, г) пополам. Средневзвешенное значение длины волны видимого диапазона (370…670 нм) эталонного, по Планку, солнечного спектра (фиг. 1) составляет λэтал=500 нм [см., например, Большая Советская энциклопедия, под ред. A.M. Прохорова, том 24. Солнечная радиация, стр. 44]. Средневзвешенное значение спектра, регистрируемое фотометром, фиг. 2(г), λ=560, а их отношение для одной из реализаций λ/λэт=560/500=1,12.

В способе ближнего аналога получена регрессионная зависимость индекса состояния q от соотношения (λ/λэт) в виде степенной функции:

q=q(λ/λэт)1,5

Полное затухание светового потока, дважды прошедшего атмосферу, вычисляют путем обработки сигнала, регистрируемого бортовым гиперспектрометром.

Энергия одного кванта (по квантовой теории Планка) w=hν, где h - постоянная Планка, ν - частота. Поскольку длина волны λ=c/ν (c - 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]:

где I(λ) - огибающая спектра эталонного сигнала, фиг. 2(в).

Аналогично вычисляют энергию сигнала, регистрируемого бортовым гиперспектрометром, где в качестве огибающей используют текущие регистрограммы измерений.

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 анализируемых параметров.

Поскольку измерения современных спектрометров представляются в виде дискретных цифровых отсчетов, то вычисление интеграла осуществляют специализированной математической программой, приводимой ниже в примере реализации.

Зависимость индекса состояния атмосферы q от относительного затухания сигнала на трассе распространения определяют по регрессионной зависимости ближайшего аналога, т.е. q=q(Wэт/W)2,6.

Затем осуществляют обработку изображения антропогенных источников загрязнения, получаемого гиперспектрометром во всем видимом диапазоне путем построения гистограммы яркости пикселов, иллюстрируемой фиг. 6. Отождествляют среднюю яркость пикселей гистограммы nср с расчетной величиной q индекса состояния. Расчет абсолютного загрязнения атмосферы антропогенными источниками загрязнения в каждой точке его изображения определяют из соотношения пропорции

По полученному массиву данных, стандартной процедурой выделения контуров визуализируют изолинии техногенных нагрузок (фиг. 7). В результате получают документ распределения техногенных нагрузок по площади антропогенных источников загрязнения для принятия экологических решений.

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 установлен гиперспектрометр 2 (типа «Астрогон»). Трассовую покадровую съемку запланированных регионов, содержащих фотометры 3 глобальной сети «AERONET», осуществляют по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 4 из Центра управления полетом (ЦУП) 5 по радиолинии командного управления 6. Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство 7 и по командам БКУ, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, сбрасываются по мобильному каналу связи 8 на пункты приема информации (ППИ) 9. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 10 информацию передают в Центр тематической обработки 11, где через устройство ввода 12 она вводится в ПЭВМ 13 в стандартном наборе элементов: процессор 14, винчестер 15, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 16, дисплей 17, принтер 18, клавиатура 19. Через устройство ввода 12 в ПЭВМ 13 синхронно передают результаты измерений спектральной характеристики падающего светового потока, однократно прошедшего атмосферу, регистрируемого фотометром 3 сети «AERONET». Результаты измерений эмиссий газовых компонент по трассе полета КА выводятся на сервер 20 сети Интернет.

Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет несколько параллельных спектральных каналов в видимом диапазоне с возможностью раздельного получения изображений в каждом канале или во всем видимом диапазоне. Спектральное разрешение от 1,5 до 50 нм, разрядностью квантования 12 бит и угол поля зрения 0,11° [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан-Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения», Инженерная записка, РАКА, НИИЭМ, НТЦ «Реагент», стр. 8-10].

Одна из реализаций спектрограмм гиперспектрометра, нормированная относительно максимума, иллюстрируется фиг. 5. Расчет энергии отраженного потока регистрограмм (фиг. 5) осуществляют по специализированной математической программе.

Текст программы вычисления энергии светового потока

Для регистрограмм измерений, реализации которых иллюстрируются графиками фиг. 2, фиг. 5, расчетные значения составили Wэт=15,6, Wтек=11,4.

Индекс состояния атмосферы в соответствии с регрессионной зависимостью:

Среднее значение яркости изображения антропогенных источников загрязнения в стандартной шкале квантования 0…255 уровней (фиг. 6) равно 70, максимальная яркость 190, минимальная яркость 20. Пересчитанные (по пропорции) значения индекса состояния , .

Все элементы устройства, реализующего способ, выполнены на существующей технической базе.

Эффективность устройства, основанная на раздельном измерении параметров светового потока фотометром (сдвиг средней длины волны) и бортовым гиперспектрометром (затухание сигнала на трассе распространения), характеризуется большей достоверностью и точностью.

Способ определения индекса состояния атмосферы для антропогенных источников загрязнения включает измерение спектра I(λ) падающего светового потока фотометрами глобальной сети «AERONET», территориально расположенными в контролируемом регионе, с одновременным синхронным зондированием этой территории гиперспектрометром, установленным на космическом носителе, вычисление относительного сдвига λ/λэт средневзвешенной длины волны λ падающего светового потока, измеренного фотометром, к средневзвешенной длине волны λэт эталонного, по Планку, солнечного спектра, расчет энергии W сигнала, дважды прошедшего атмосферу, регистрируемого бортовым гиперспектрометром, и его затухания относительно эталонного, по Планку, сигнала Wэт/W, определение индекса состояния атмосферы qΣ по регрессионной зависимости
qΣ=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6,
сортировку пикселей изображения антропогенных источников загрязнения, получаемого гиперспектрометром, по яркости ni, отождествление среднего значения яркости nср с расчетной величиной qΣ, расчет абсолютного загрязнения атмосферы в каждой точке qi из соотношения пропорции q i = n с р n i q Σ , выделение контуров изолиний техногенных нагрузок по всей площади антропогенных источников загрязнения.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к сфере космических исследований. Осуществляют распыление водяного пара в атмосфере Марса.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для изучения вулканического состояния Марса. На Марсе осуществляют вскрытие бурением закупоренных фумарол.
Изобретение относится к системам освещения ледовой обстановки и предотвращения воздействия ледовых образований на морские объекты хозяйственной деятельности.

Изобретение относится к области гидрометеорологии и может быть использовано для прогнозирования штормовых подъемов уровней воды или наводнений. Сущность: создают архив наводнений (дата-уровень) за максимально возможный период.

Изобретение относится к способам исследований атмосферных электрических полей. Сущность: осуществляют мониторинг характеристик рассеянного атмосферой поляризованного солнечного света в плоскости, нормальной к вектору, ориентированному от контролируемой области пространства в направлении на Солнце.

Изобретение относится к области океанографии и может быть использовано для определения характеристик поверхностных морских течений. Сущность: двухполяризационные радиолокационные изображения трансформируют в два новых изображения, которые несут информацию о спектре коротких Брэгговских волн и обрушений ветровых волн.

Изобретение относится к области физики атмосферы и атмосферного электричества и может быть использовано для обнаружения когерентных турбулентных структур приземной атмосферы и определения их пространственно-временных масштабов.

Изобретение относится к области дистанционного мониторинга природной среды и касается способа определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров. Способ включает синхронную съемку поверхности установленными на космическом носителе цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости видеоизображения контура пожара, калибровку яркости пикселей внутри контура, расчет по измерениям гиперспектрометра концентрации вредных выбросов от пожара по эталонному затуханию дважды прошедшего атмосферу светового луча в полосе поглощения кислорода 761…767 нм и его затуханию в видимом диапазоне.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интегральной влажности атмосферы над океаном. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 18,7 ГГц и 36,5ГГц горизонтальной поляризации и 23,8 ГГц вертикальной и горизонтальной поляризаций.

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (Ts) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети.

Изобретение относится к оптической системе регистрации для мониторинга полимеразной цепной реакции (ПЦР) в реальном времени в совокупности камер для образцов с помощью совокупности оптических блоков.

Изобретение относится к средствам создания градуировочных моделей измерительных приборов. Техническим результатом является повышение точности определения анализируемых свойств образца.

Представлено одноразовое впитывающее изделие, имеющее множество компонентов и включающее область контроля, подлежащую контролю с использованием инфракрасного излучения.
Изобретение относится к области молекулярной биологии и биохимии. Устройство состоит из источника света, излучение от которого направлено на прозрачную подложку с иммобилизованными на ее поверхности олигонуклеотидами и расположенной под ней системой детекции интенсивности света, прошедшего через подложку.

Изобретение относится к медицине, а именно к исследованию и анализу медицинских препаратов, и может быть использовано при стандартизации лекарственного растительного сырья.

Изобретение относится к мониторингу окружающей среды и биологических объектов на предмет определения содержания ионов металлов в жидких средах с использованием фотохромных соединений.

Изобретение относится к области обнаружения газов и касается системы спектрального анализа для определения газов с использованием обработанной ленты. Система включает в себя обработанную ленту, источник регулируемого цвета, фотодиод, датчик для определения цвета и микропроцессор.

Изобретение относится к новым цинковым комплексам стириловых красителей для оптических сенсоров и спектрофотометрических датчиков. Описываются 15-краун-5- и дитиа-18-краун-6-содержащие 2-метил-9-стирилфенантролины формулы: где ; , в качестве оптических сенсоров на катионы кальция, бария и свинца.

Способ дистанционного определения деградации почвенного покрова. Способ включает зондирование подстилающей поверхности, содержащей тестовые участки многоканальным спектрометром, установленнЫм на аэрокосмическом носителе с одновременным получением изображений на каждом канале; расчет методом зональных отношений амплитуд сигналов в каналах частных индексов деградации, а именно процентного содержания гумуса (Н), индекса засоленности (NSI) и индекса влагопотерь (W); определение интегрального показателя деградации D по многопараметрической регрессивной зависимости, вида: D = ( H 0 H ) 1,9 ⋅ ( N S I N S I 0 ) 0,5 ⋅ ( W 0 W ) 0,3 пересчет значениЙ пикселей яркости изображений в масштабе вычисленного показателя деградации каждого пикселя; выделение контуров их результирующих изображений с установленными градациями степени деградации.

Настоящее изобретение относится к способу термической стабилизации полимера, получаемого полимеризацией с раскрытием кольца, а также к способу получения полигидроксикислот, способу анализа остатков металла в полимере и к полилактиду.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к системе и способу для определения пригодности к применению смазочных материалов и времени, когда необходимо заменять смазочные материалы. Система на основе процессора для прогнозирования интервала между заменами смазочного материала в двигателе на основании множества значений аналитического параметра, измеряемых во множестве образцов использованного моторного смазочного материала, отобранного из двигателя в течение периода времени, содержит первый вход, который принимает множество значений аналитических параметров и множество статистических значений аналитических параметров для двигателя. Эти параметры указывают на одну или более характеристик использованного смазочного материала. Также через первый вход происходит сохранение значений аналитических параметров и статистических значений аналитических параметров в памяти процессора. Второй вход принимает пороговое значение аналитического параметра для использованного смазочного материала в конце интервала обслуживания и сохраняет пороговое значение аналитического параметра в памяти процессора. Модуль определения определяет будущее значение аналитического параметра для определения интервала между заменами смазочного материала путем выполнения моделирования на множестве значений аналитических параметров и множестве статистических значений аналитических параметров. Затем сравнивается будущее значение аналитического параметра с пороговым значением аналитического параметра для определения того, превышает ли будущее значение аналитического параметра пороговое значение аналитического параметра в конце интервала обслуживания, чтобы обеспечить выходной сигнал, указывающий на интервал между заменами смазочного материала в двигателе. Моделирование, выполняемое модулем определения, выбрано из модели регрессии частных наименьших квадратов и модели нейронной сети. Упомянутые значения аналитических и статистических параметров содержат три или более аналитических параметра использованного смазочного материала. Также раскрыт способ прогнозирования интервала между заменами смазочного материала в двигателе. Технический результат заключается в повышении надежности работы двигателя за счет прогнозирования, на основе анализа масла, необходимости замены. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к области экологии, а именно к дистанционным методам мониторинга природных сред и к санитарно-эпидемиологическому контролю промышленных регионов. Способ включает измерение спектра падающего светового потока, прошедшего толщу атмосферы, фотометрами глобальной сети наблюдений «AERONET» с одновременным синхронным зондированием территории региона бортовым гиперспектрометром с возможностью получения изображения в любом спектральном канале видимого диапазона, совместную обработку регистрируемых сигналов фотометра и орбитальных средств, определение индекса состояния атмосферы q∑ по регрессионной зависимости:q∑1,21,5·2,6,где λλэт - относительное изменение средневзвешенной длины волны солнечного потока, регистрируемого фотометрами сети «AERONET», по отношению к средневзвешенной длине волны эталонного, по Планку, солнечного потока; WэтW - относительное затухание светового потока, вычисляемое по сигналу, регистрируемому бортовым гиперспектрометром. Изобретение позволяет разделить эффекты взаимодействия светового потока с атмосферой и подстилающей поверхностью и, как следствие, повысить точность определения индекса состояния. 8 ил.

Наверх