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/λ_эт)^1,5·(W_эт/W)^2,6,

где λ/λ_эт - относительное изменение средневзвешенной длины волны солнечного потока, регистрируемого фотометрами сети «AERONET», по отношению к средневзвешенной длине волны (λ_эт) эталонного, по Планку, солнечного потока; W_эт/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 m_i [мг/м³] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;

CH_i [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/λ_эт)^1,5·(W_эт/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;

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

- W_эт - 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/λ_эт средневзвешенной длины волны λ падающего светового потока, измеренного фотометром, к средневзвешенной длине волны λ_эт эталонного, по Планку, солнечного спектра, расчет энергии W сигнала, дважды прошедшего атмосферу, регистрируемого бортовым гиперспектрометром, и его затухания относительно эталонного, по Планку, сигнала W_эт/W, определение индекса состояния атмосферы q_∑ по регрессионной зависимости:

q_∑=1,2(λ/λ_эт)^1,5·(W_эт/W)^2,6,

сортировку пикселей изображения антропогенных источников загрязнения, получаемого гиперспектрометром по яркости n_i, отождествление среднего значения яркости n_ср с расчетной величиной q_∑, расчет абсолютного загрязнения атмосферы в каждой точке q_i 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 λ_этал=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/λ_эт=560/500=1,12.

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

q_∑=q_∑(λ/λ_эт)^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_∑(W_эт/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 n_ср 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 W_эт=15,6, W_тек=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/λ_эт средневзвешенной длины волны λ падающего светового потока, измеренного фотометром, к средневзвешенной длине волны λ_эт эталонного, по Планку, солнечного спектра, расчет энергии W сигнала, дважды прошедшего атмосферу, регистрируемого бортовым гиперспектрометром, и его затухания относительно эталонного, по Планку, сигнала W_эт/W, определение индекса состояния атмосферы q_Σ по регрессионной зависимости
q_Σ=1,2(λ/λ_эт)^1,5·(W_эт/W)^2,6,
сортировку пикселей изображения антропогенных источников загрязнения, получаемого гиперспектрометром, по яркости n_i, отождествление среднего значения яркости n_ср с расчетной величиной q_Σ, расчет абсолютного загрязнения атмосферы в каждой точке q_i из соотношения пропорции $$q_i=\frac{n_{ср}}{n_i}{q}_{\Sigma }$$ , выделение контуров изолиний техногенных нагрузок по всей площади антропогенных источников загрязнения.