Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема
Владельцы патента RU 2622721:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" (ФГБОУ ВО СПГУ) (RU)
Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для обнаружения нефтяных разливов. Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема заключается в установке тепловизора на беспилотный летательный аппарат, располагаемый в зависшем состоянии над зоной разлива, тепловизор осуществляет съемку в виде ряда цифровых изображений, которые через приемно-передающее устройство беспилотного летательного аппарата передаются в режиме реального времени на пункт круглосуточного дистанционного наблюдения, где оцениваются параметры разлива нефти или нефтепродуктов. На основании данной информации строятся прогнозные карты распространения разливов нефти или нефтепродуктов, которые в виде телеметрической информации передаются на экипажные или безэкипажные катера, которые осуществляют развертывание в районе загрязнений боновых заграждений и осуществляют последующий сбор нефти или нефтепродуктов. Предлагаемый способ позволяет минимизировать интервал времени от обнаружения разлива нефти до его сбора, повысить точность определения координат разливов, снизить трудозатраты. 1 ил.
Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема.
Известен способ определения поверхностного загрязнения вод водоемов нефтью и нефтепродуктами (Методические указания по санитарной охране водоемов от загрязнения нефтью №1417-76, НИИ Гигиены им. Φ.Ф. Эрисмана, 1976, с. 39), заключающийся в том, что поверхностное загрязнение водоемов нефтью определяется описательно, поскольку количество его определить практически невозможно вследствие неравномерности его распределения. При наблюдениях отмечают направление и силу ветра (тихо, легкий ветер, заметный, сильный, очень сильный) и состояние водной поверхности (зеркальная, рябь, зыбь, волнение, сильное волнение).
Основной недостаток данного способа заключается в невозможности определить значительное загрязнение поверхности водоема нефтью уже при слабом волнении, а также невозможности работы без дополнительного освещения.
Известен способ выявления сильно загрязненных участков акваторий (Таргулян О.Ю. Темные страницы черного золота. Экологические аспекты деятельности нефтяных компаний в России. Москва, Изд. Гринпис России, 2002 г., с. 35), заключающийся в дешифрировании материалов космической съемки. Дешифрирование проводится в несколько этапов. На первом этапе производится полевое обследование региона с целью выявления общего состояния территории (акватории). На втором этапе проводится визуальный анализ снимка с целью выделения объектов, различных по оптической плотности, цвету и внутренней структуре, а также предварительная интерпретация этих объектов на основе полевых данных. На третьем этапе, при повторном обследовании территории, различные объекты, представленные на снимке, «привязываются» на местности и «кладутся» на карту.
Недостаток данного способа заключается в ограниченности применения из-за отсутствия актуальных космоснимков акватории, увеличенное время обнаружения из-за необходимости дважды обследовать территорию исследования.
Известен способ обнаружения нефтяных загрязнений на поверхности водоемов (Шилин Б.В., Молодчанин И.А. Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъемкой. М.: Недра, 1992 г., с. 8, 20), принятый за прототип, заключающийся в преобразовании ИК-излучения элементов ландшафта в электрические сигналы, обработка сигналов, их регистрация на фотопленку или магнитный носитель с использованием тепловизора, установленного на борту самолета. Аэросъемка выполняется при высоте полета 70-100 м.
Недостатком данного способа является низкая оперативность обнаружения (связанная с необходимостью дешифрирования аэрофильмов вне борта вертолета), низкая точность определения координат загрязнения (связанная с привязкой кадров по характерным ориентирам), невозможность прогнозирования распространения загрязнения из-за постоянного движения самолета, увеличенное время обнаружения загрязнения (связанное с низкой высотой полета самолета) и дороговизна способа.
Техническим результатом способа обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема является повышение оперативности обнаружения и сбора разливов нефтепродуктов на поверхности водных объектов, повышение точности определения координат разливов нефти или нефтепродуктов, прогнозирование распространения разлива нефти или нефтепродуктов на краткосрочный и долгосрочный период времени, возможность работы в любых климатических условиях и независимость от параметра день/ночь.
Технический результат достигается тем, что способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема включающий преобразование ИК-излучения элементов ландшафта в электрические сигналы, обработку сигналов, их регистрацию на фотопленку или магнитный носитель с использованием тепловизора, отличающийся тем, что тепловизор устанавливают на беспилотном летательном аппарате, располагаемом в зависшем состоянии над зоной разлива, тепловизор осуществляет съемку в виде ряда цифровых изображений, которые через приемно-передающее устройство беспилотного летательного аппарата передаются в режиме реального времени в частотном диапазоне от 900 до 928 МГц на пункт круглосуточного дистанционного наблюдения, где оцениваются параметры разлива нефти или нефтепродуктов, его площадь, скорость, направление распространения с использованием программно-математической обработки, и на основании данной информации создается прогноз на краткосрочный или долгосрочный период времени, с построением прогнозных карт распространения разливов нефти или нефтепродуктов, которые в виде телеметрической информации передаются на экипажные или безэкипажные катера, которые осуществляют развертывание в районе загрязнений боновых заграждений и осуществляют последующий сбор нефти или нефтепродуктов.
При использовании беспилотных летательных аппаратов (БЛА), способных по своим тактико-техническим характеристикам «зависать» в воздухе, и для контроля состояния акватории водного объекта можно минимизировать время, затрачиваемое на обследование.
Способ поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 - схема обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов, где:
1 - тепловизионная камера;
2 - средства радиосвязи;
3 - группа метеорологических датчиков;
4 - пункт дистанционного наблюдения;
5 - беспилотный летательный аппарат;
6 - экипажный/безэкипажный катер;
7 - боновые заграждения.
Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов осуществляется следующим образом. Согласно фиг. 1, представлена структурная схема предлагаемого способа обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов, который содержит тепловизионную камеру 1 (тепловизионный модуль ТС384 представляет собой компактный, легкий, моноблочный тепловизор с высокой чувствительностью и высоким качеством изображения). Благодаря усовершенствованной обработке тепловых изображений ТС384 обеспечивают четкое тепловое видео, которое можно воспроизвести на любом мониторе. ТС384 легко встраивается в систему с необходимыми интерфейсами на задней стороне. Модуль ТС поддерживает цифровой видеовыход (LVDS), композитный видеовыход (BNC), дистанционное управление по интерфейсу (RS232), а также цифровой фотоаппарат со сменным объективом NEX-5 SONY), установленные на борту беспилотного летательного аппарата (БЛА), совершающего облет над акваторией по заданному маршруту 5, передающего по средствам радиосвязи 2 актуальную информацию о наличии (отсутствии) разливов нефти или нефтепродуктов на пункт дистанционного наблюдения 4, группа датчиков 3, установленная на пункте дистанционного наблюдения, определяет метеорологические параметры состояния окружающей среды, информация о разливе нефти по радиоканалу 2 передается на экипажный или безэкипажный катер 6, который устанавливает боновые заграждения в акватории водного объекта по маршруту 7.
Получаемая с помощью тепловизионной камеры (фиг. 1) 1, установленной на борту БЛА, информация о состоянии акватории водного объекта поступает по средствам радиосвязи 2 на пункт дистанционного наблюдения (ПДН) 4, где анализируется оператором ПДН, что позволяет составить представление об общем уровне загрязнения акватории водного объекта в реальный момент времени.
С помощью программно-технического комплекса строятся ореолы распространения нефти или нефтепродуктов. Установка в ПДН соответствующего программного обеспечения позволяет создать карту пространственного и временного распространения нефти или нефтепродуктов, прогноз траектории распространения разлива нефти или нефтепродуктов в зависимости от метеорологических данных, собираемых группой датчиков на ПДН и уточняемых группой датчиков на борту БЛА.
В случае обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов в акватории водного объекта информация, содержащая координаты разлива, а также прогноз распространения разлива, передается по средствам радиосвязи на борт экипажного или безэкипажного катера, оборудованного системой установки боновых заграждений.
При поступлении с ПДН сигнала о наличии разлива нефти или нефтепродуктов в акватории водного объекта экипажный или безэкипажный катер по заранее разработанному, с учетом прогноза распространения разлива, маршруту выдвигается в заданный район, где разворачивается система боновых заграждений.
Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов с использованием малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (мБЛА), а также экипажными или безэкипажными катерами заключается в выполнении следующих функций:
- проведение видеосъемки и аэрофотосъемки акваторий с высот от 50 м до 1000 м;
- проведение тепловизионного мониторинга акваторий;
- измерение температуры, давления/разрежения в зоне проведения мониторинговых исследований;
- определение координат разливов нефти или нефтепродуктов;
- прогноз распространения разливов нефти или нефтепродуктов;
- автоматическая или ручная установка заградительных бонов, донных якорей.
Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов может быть реализован в широком диапазоне климатических параметров окружающей среды (таких как скорость и направление ветра, интенсивность атмосферных осадков, температура атмосферного воздуха и др.).
Благодаря применению БЛА с установленными датчиками контроля загрязнения акватории водного объекта нефтью или нефтепродуктами, системы GPS, датчиков метеорологических параметров, безэкипажных катеров, оборудованных системами установки заградительных бонов, расширяются функциональные возможности способа обнаружения и сбора разливов нефти или нефтепродуктов, минимизируется время сбора аварийного разлива нефти, снижается вероятность ошибочного обнаружения.
Пример использования предлагаемого способа обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема.
Мониторинговые работы проводились в целях наблюдения за состоянием экологической безопасности территории Санкт-Петербурга с использованием мониторингового комплекса с малогабаритными беспилотными летательными аппаратами вертолетного типа (МК с мБЛА) для обеспечения экологического контроля. Данная работа является частью комплекса мероприятий по наблюдению за состоянием окружающей среды и источниками антропогенного воздействия, проводимых в целях получения достоверной информации, необходимой для предотвращения и уменьшения неблагоприятных последствий изменения окружающей среды.
Исследования осуществлялись в районе «Ивановские пороги - Саперный» на реке Неве, где произошла посадка на мель сухогруза, нарушение герметичности топливных танков и разлив нефтепродуктов.
Согласно задачам работ, было предусмотрено применение мониторингового комплекса с малогабаритными летательными аппаратами вертолетного типа мБЛА-35 «Горный». При этом участие расчета (оперативной группы) МК мБЛА-35 «Горный» в работах заключалось в следующем: после получения сигнала о начале работ и последующего принятия решения на ликвидацию разлива нефтепродуктов Дежурной службой Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и экологической безопасности (далее - Комитет) расчет МК мБЛА-35 «Горный» выполняет проведение воздушной разведки нефтяного пятна в районе работ.
В результате выполнения воздушной разведки с применением аэрофотосъемки в ИК-диапазоне на поверхности водного объекта было обнаружено пятно аварийного разлива нефтепродуктов площадью 120 м2.
Наблюдение за распространением разлива нефтепродуктов на поверхности водного объекта обеспечивалось беспилотным летательным вертолетом комплекса мБЛА-35 «Горный», на высоте 200 метров зависшего над местом аварийного разлива нефтепродуктов, где в течение 10 минут наблюдений с использованием последовательной тепловизионной съемки было установлено двукратное увеличение площади разлива до 220 м2. При этом профиль пятна аварийного разлива вытянулся в северо-западном направлении.
На основании данных оперативного наблюдения и автоматизированной обработки получаемого сигнала по частоте в интервале 900 до 928 МГц были построены прогнозные карты распространения пятна аварийного разлива нефти, был сделан вывод о необходимости введения опережающего коэффициента, в целях полной локализации и сбора аварийного разлива нефтепродуктов.
Информация о разливе нефти по радиоканалу, используемому мониторинговым комплексом, передавалась на безэкипажный катер отечественного производства, который в автоматическом режиме устанавливал боновое заграждение в акватории водного объекта по маршруту, сформированному с учетом полученных ранее прогнозных карт распространения разливов нефти или нефтепродуктов. После обвода боновым заграждением места загрязнения оба его конца соединялись с помощью устройства для соединения концов бонового заграждения, при этом образуя замкнутый контур. После выполнения данной операции нефтяное пятно подтягивалось к месту сбора нефтепродуктов, где удаление утолщенного слоя нефтепродуктов происходило с помощью насосов и скримеров.
После сбора разлива нефти или нефтепродуктов на акватории р. Невы и побережье силами и средствами Комитета расчет МК мБЛА-35 «Горный» выполнил воздушный мониторинг района с целью контроля чистоты акватории и береговой черты, а также определения возможности завершения работ по сбору и утилизации нефти или нефтепродуктов. Никаких больше загрязнений выявлено не было, что свидетельствует о высокой оперативности и эффективности предлагаемого способа.
На выполнение работ с использованием МК мБЛА-35 «Горный» предусматривается 24-часовая готовность оперативной группы (расчета) МК к выполнению мониторинговых работ в случае чрезвычайной ситуации (аварийной ситуации), связанной с нарушением экологической безопасности Санкт-Петербурга.
В качестве аппаратуры полезной нагрузки использовались цифровой фотоаппарат Sony NEX-5 Alpha с установленным объективом SEL-50F18 и цифровая видеокамера GF-R1319H, а также тепловизионный модуль ТС384.
Координаты района проведения работ (с учетом выбора места взлета и посадки мБЛА-35 «Горный»):
- 59° 47'02'' СШ, 030° 43'38'' ВД;
- 59° 47'02'' СШ, 030° 44'33'' ВД;
- 59° 46'37'' СШ, 030° 44'33'' ВД;
- 59° 46'37'' СШ, 030° 43'38'' ВД;
- 59° 47'02'' СШ, 030° 43'38'' ВД.
Для достижения поставленной цели были проведены следующие мероприятия:
- определены границы района работ и составлен план полета;
- согласовано с Единым центром Организации воздушного движения выполнение полетов в заданном районе;
- выбрана позиция для размещения НСУ, позиция для запуска и посадки мБЛА-35 «Горный», а также выполнен облет акватории реки Невы в районе работ с выполнением аэрофотосъемки района;
- проведен выезд расчета МК мБЛА-35 «Горный» для выполнения работ.
Полеты в районе работ выполнялись в октябре 2015 г. во временной интервал с 12.00 ч. до 17.00 ч. (Мск). Погодные условия: небольшая облачность, без осадков, температура воздуха - 7°С, ветер на рабочей высоте - 10 м/с.
В ходе выполнения полета выполнялся телевизуальный контроль территории с помощью курсовой цифровой видеокамеры GF-R1319H. Видеосъемка производилась с высоты 200 метров.
В дополнение к видеонаблюдению производилась аэрофотосъемка района работ с помощью фотоаппарата Sony NEX 5 Alpha с установленным объективом SEL-50F18, а также в ИК-диапазоне с применением тепловизионного модуля ТС384. Разрешение исходных кадров составляет 3000×4000 пикселей. Следует отметить, что для конкретной величины высоты полета мБЛА (порядка 100-200 м) величина разрешающей способности на местности составляет порядка 3 см/пикс, что позволяет уверенно идентифицировать объекты размером порядка 30 см.
Таким образом, предлагаемый способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов описывает усовершенствованный алгоритм действий по обнаружению аварийных разливов нефти или нефтепродуктов в акватории водного объекта, позволяет минимизировать интервал времени от обнаружения аварийного разлива нефти или нефтепродукта до его сбора, повысить точность определения координат аварийных разливов, снизить трудозатраты на проведение работ по обнаружению и сбору разливов, проводить сравнительный анализ полученных данных.
Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема, включающий преобразование ИК-излучения элементов ландшафта в электрические сигналы, обработку сигналов, их регистрацию на фотопленку или магнитный носитель с использованием тепловизора, отличающийся тем, что тепловизор устанавливают на беспилотном летательном аппарате, располагаемом в зависшем состоянии над зоной разлива, тепловизор осуществляет съемку в виде ряда цифровых изображений, которые через приемно-передающее устройство беспилотного летательного аппарата передаются в режиме реального времени в частотном диапазоне от 900 до 928 МГц на пункт круглосуточного дистанционного наблюдения, где оцениваются параметры разлива нефти или нефтепродуктов, его площадь, скорость, направление распространения с использованием программно-математической обработки, и на основании данной информации создается прогноз на краткосрочный или долгосрочный период времени, с построением прогнозных карт распространения разливов нефти или нефтепродуктов, которые в виде телеметрической информации передаются на экипажные или безэкипажные катера, которые осуществляют развертывание в районе загрязнений боновых заграждений и осуществляют последующий сбор нефти или нефтепродуктов.
