RU2586939C1 - Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources - Google Patents

Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources Download PDF

Info

Publication number
RU2586939C1
RU2586939C1 RU2015115571/28A RU2015115571A RU2586939C1 RU 2586939 C1 RU2586939 C1 RU 2586939C1 RU 2015115571/28 A RU2015115571/28 A RU 2015115571/28A RU 2015115571 A RU2015115571 A RU 2015115571A RU 2586939 C1 RU2586939 C1 RU 2586939C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
atmosphere
light flux
hyperspectrometer
anthropogenic
recorded
Prior art date
Application number
RU2015115571/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Бондур
Елена Владимировна Гапонова
Елена Валентиновна Черепанова
Вячеслав Федорович Давыдов
Анатолий Владимирович Корольков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС")
Priority to RU2015115571/28A priority Critical patent/RU2586939C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2586939C1 publication Critical patent/RU2586939C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01WMETEOROLOGY
    • G01W1/00Meteorology
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands

Landscapes

  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: ecology; measurement technology.
SUBSTANCE: invention relates to remote methods of monitoring natural media and to sanitary and epidemiological surveillance of industrial regions. Method involves measuring spectrum of incident light flux that passed thickness of atmosphere, using photometers of global network observations “AERONET” with simultaneous synchronous probing of region using an onboard hyper-spectrometer configured to obtain an image in any spectral channel of visible range, combined processing of recorded signals of photometer and orbital means, determination of index of state of atmosphere q based regression relationship: q=1.2(λ/λet)1.5·(Wet/W)2.6, where λ/λet-relative change of weighted average wavelength of solar flux recorded by photometers of network “AERONET”, with respect to weight-average wavelength (λet) reference, by Planck, of solar flux; Wet/W - relative attenuation of light flux, calculated based on signal, recorded by onboard hyper-spectrometer.
EFFECT: invention enables to separate effects of interaction of light flux with atmosphere and underlying surface and, as a result, increases accuracy of determining index of state.
1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов.The invention relates to the field of ecology, in particular to remote methods for monitoring natural environments, and can find application in systems of sanitary and epidemiological control of industrial regions.

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.Industrial progress is inevitably associated with increased emissions of so-called greenhouse gases into the atmosphere, which are one of the causes of global climate change. Monitoring the state of air pollution is an integral part of the responsibilities of states that have signed the Kyoto Protocol on environmental environmental monitoring. The main types of environmental pollution subject to global monitoring by UNEP are: carbon dioxide CO 2 , nitrogen dioxide NO 2 , sulfur dioxide SO 2 . Under anticyclonal conditions, an accumulation of impurities of both anthropogenic nature and dust smokes from transboundary global transport, whose concentration is hundreds of ppm, occurs in the surface layer.

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].There is a method of assessing the state of the atmosphere by calculating the index of its state [see, for example, “Methodology for calculating the concentrations of harmful substances in atmospheric emissions in enterprises”, All-Union Normative Document, OND-86, USSR, Gidrometeoizdat, Leningrad, 1987, p. 4-5, as well as “The Yearbook of the State of Atmospheric Pollution in Cities in the Territory of Russia”, edited by E. Yu. Bezuglovoy, GGO them. A.I. Voeikova, St. Petersburg, 1994-1996 - analogue].

Обычно индекс состояния рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы:Usually, the state index is calculated for five components that determine the main contribution to air pollution:

Figure 00000001
Figure 00000001

где mi [мг/м3] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере;where m i [mg / m 3 ] is the average annual concentration of the i-th substance in the atmosphere;

CHi [мг/м3] - предельная допустимая санитарная норма концентрации i-го вещества в атмосферном воздухе, согласно ГОСТ;CH i [mg / m 3 ] - the maximum permissible sanitary norm for the concentration of the i-th substance in atmospheric air, according to GOST;

j - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 0,85, 1, 1,3, 1,5 для веществ, соответственно, IV, III, II и I классов опасности;j is the indicator of the degree of isoeffectiveness of the harmful substance equal to 0.85, 1, 1.3, 1.5 for substances, respectively, of the IV, III, II and I hazard classes;

ПДК - предельно допустимая концентрация веществ в атмосфере.MPC is the maximum permissible concentration of substances in the atmosphere.

Недостатками известных аналогов являются:The disadvantages of the known analogues are:

- статистическая неустойчивость метода единичных локальных измерений на местности в контрольных точках, как таковых;- statistical instability of the method of single local measurements on the ground at control points, as such;

- неопределенность выбора самих контрольных точек забора проб и зависимость результата измерений от случайных завихрений атмосферы в точках забора.- the uncertainty of the choice of the control points of sampling and the dependence of the measurement result on random turbulence of the atmosphere at the sampling points.

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:The well-known "Method for the determination of atmospheric pollution in megacities," Patent RU No. 2422859 of 06/27/2011 is the closest analogue. The closest analogue method includes remote measurement by a hyperspectrometer of the spectral characteristics of the reflected light flux from the atmosphere-underlying surface border while simultaneously obtaining an image of a region containing control industrial sites, in the red band 570 ... 670 nm, calculating the weighted average wavelength λ and energy of the reflected flux W, determining atmospheric pollution from regression dependence:

q[ПДК]=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6;q [MPC] = 1.2 (λ / λ et ) 1.5 · (W et / 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:sorting the pixels of the image by brightness, building a histogram of their distribution and linking the average value of the histogram to the calculated value q , calculating the absolute distribution of atmospheric pollution over the region in the form of a Rayleigh distribution with calculated numerical characteristics, where:

- q - среднее значение индекса состояния атмосферы региона, ПДК;- q - the average value of the atmospheric index of the region, MPC;

- λэт - средневзвешенное значение длины волны эталонного (по Планку) солнечного спектра;- λ et - weighted average wavelength of the reference (according to Planck) solar spectrum;

- Wэт - энергия эталонного солнечного спектра, нормированного относительно максимума.- W et - the energy of the reference solar spectrum, normalized relative to the maximum.

Недостатками ближайшего аналога являются:The disadvantages of the closest analogue are:

- невозможность параметрического разделения эффектов подстилающей поверхности и атмосферной «дымки» в регистрируемом результирующем сигнале отраженного солнечного потока дважды прошедшего атмосферу;- the impossibility of parametric separation of the effects of the underlying surface and atmospheric "haze" in the recorded resultant signal of the reflected solar flux twice through the atmosphere;

- необходимость обязательного присутствия в изображении региона контрольной промышленной площадки для калибровки измерительного тракта.- the need for the mandatory presence in the image of the region of the control industrial site for calibration of the measuring path.

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».The problem solved by the claimed method is to increase the accuracy of determining the atmospheric state index by remote sensing by additional measurements of the incident light flux spectrum by ground-based AERONET global photometers.

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:The problem is solved in that the method for determining the atmospheric state index of anthropogenic pollution sources includes measuring the spectrum I (λ) of the incident light flux by AERONET global network photometers geographically located in a controlled region, while simultaneously sensing this territory with a hyperspectrometer mounted on a space carrier, calculation of the relative shift λ / λ et weighted average wavelength λ of the incident light flux measured by a photometer to the weighted average length non-waves λ et reference, according to Planck, solar spectrum, calculation of the energy W of the signal twice transmitted through the atmosphere, recorded by the onboard hyperspectrometer, and its attenuation relative to the reference, according to Planck, signal W et / W, determining the atmospheric state index q from the regression dependence:

q=1,2(λ/λэт)1,5·(Wэт/W)2,6,q = 1.2 (λ / λ et ) 1.5 · (W et / 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

Figure 00000002
, выделение контуров изолиний техногенных нагрузок по всей площади антропогенных источников загрязнения.sorting the pixels of the image of anthropogenic pollution sources obtained by a hyperspectrometer by brightness n i , identifying the average value of brightness n cp with the calculated value q , calculating the absolute atmospheric pollution at each point q i from the ratio
Figure 00000002
, the allocation of contours of contours of technogenic loads over the entire area of anthropogenic sources of pollution.

Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

фиг. 1 - принцип измерений падающего светового потока фотометром а) и отраженного светового потока орбитальными средствами б);FIG. 1 - the principle of measuring the incident light flux by the photometer a) and the reflected light flux by orbital means b);

фиг. 2 - эталонный, по Планку, солнечный спектр в) и спектр, измеренный фотометром г);FIG. 2 - reference, according to Planck, solar spectrum c) and the spectrum measured by photometer g);

фиг. 3 - коэффициенты спектральной яркости I(λ) объектов подстилающей поверхности в видимом диапазоне;FIG. 3 - spectral brightness coefficients I (λ) of the objects of the underlying surface in the visible range;

фиг. 4 - регрессионные зависимости индекса состояния атмосферы от сдвига средней длины волны и относительного затухания сигнала;FIG. 4 - regression dependences of the atmospheric state index on the shift of the average wavelength and relative signal attenuation;

фиг. 5 - одна из реализаций измерений I(λ) бортовым гиперспектрометром, нормированная относительно I(λ)max;FIG. 5 - one of the implementations of I (λ) measurements by an onboard hyperspectrometer, normalized to I (λ) max ;

фиг 6 - гистограмма яркости пикселов изображения антропогенных источников загрязнения во всем видимом диапазоне;Fig 6 is a histogram of the brightness of the image pixels of anthropogenic pollution sources in the entire visible range;

фиг. 7 - изолинии техногенных нагрузок по площади антропогенных источников загрязнения;FIG. 7 - contours of technogenic loads over the area of anthropogenic sources of pollution;

фиг. 8 - функциональная схема устройства, реализующая способ.FIG. 8 is a functional diagram of a device that implements the method.

Техническая сущность изобретения заключается в следующем.The technical essence of the invention is as follows.

Различают два вида взаимодействия светового потока с атмосферой:There are two types of interaction of the light flux with the atmosphere:

- затухание светового потока, обусловленное резонансным поглощением энергии на примесных газах с последующим флуоресцентным переизлучением поглощенной энергии;- attenuation of the light flux due to the resonant absorption of energy by impurity gases, followed by fluorescence re-emission of the absorbed energy;

- диффузное рассеивание потока на аэрозолях.- diffuse dispersion of the flow on aerosols.

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) областьIn accordance with the Stokes law, re-emission of energy by molecules always occurs at a longer wavelength. As a result of the interaction of the light flux with impurity gas molecules, a shift of the solar spectrum to the long-wave (red) region is observed

[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.[see, for example, R. Mezheris. Laser remote sensing, translation from English, Mir, M, 1987, p. 124, tab. 3.4. The wave numbers of the Raman shift at a wavelength of 337.1 nm]. Below are some extracts from this Table for some impurity smog molecules.

Figure 00000003
Figure 00000003

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].However, a change in the ratio between the spectral components of the reflected light flux also occurs as a result of plant photosynthesis [see, for example, L.I. Chapursky. “Reflective properties of natural objects in the range 400 ... 2500 nm”, part 1, Min. Defense of the USSR, 1986, tables P7, P8, p. 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.The graphs of the spectral brightness coefficients (QPS) of the underlying surface objects are illustrated in FIG. 3. As follows from the graphs, the QWs of objects can change several times. Therefore, it is practically impossible to separate the effects of the interaction of the light flux with the atmosphere and the underlying surface in the resulting reflected signal during remote sensing.

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.In the claimed technical solution, such a separation is implemented by recording the incident light flux, once passing through the entire atmosphere, with a ground photometer and, twice passing through the atmosphere, with an onboard hyperspectrometer.

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 какThe well-known international global network for observing atmospheric transparency characteristics "AERONET", which includes about 500 stations [see Internet: http://aeronet.gsfc.nasa.gov/new_web/system_description.html]. The network uses photometers with optical density measurements in spectral regions with wavelengths: 340, 380, 440, 500, 675, 870, 1020 nm. The integral effect of the interaction of the light flux with the components of gas emissions into the atmosphere is to shift the spectrum of the visible range to the red region. The quantitative parameter of such a displacement is the weighted average wavelength λ, calculated as

Figure 00000004
Figure 00000004

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.The weighted average wavelength divides the area under the I (λ) curve (Fig. 2c, d) in half. The weighted average wavelength of the visible range (370 ... 670 nm) of the reference, according to Planck, solar spectrum (Fig. 1) is λ etal = 500 nm [see, for example, Great Soviet Encyclopedia, ed. AM Prokhorova, Volume 24. Solar radiation, p. 44]. The weighted average value of the spectrum recorded by the photometer, FIG. 2 (d), λ = 560, and their ratio for one of the implementations is λ / λ et = 560/500 = 1.12.

В способе ближнего аналога получена регрессионная зависимость индекса состояния q от соотношения (λ/λэт) в виде степенной функции:In the near analogue method, a regression dependence of the state index q on the relation (λ / λ et ) is obtained in the form of a power function:

q=q(λ/λэт)1,5 q = q (λ / λ et ) 1.5

Полное затухание светового потока, дважды прошедшего атмосферу, вычисляют путем обработки сигнала, регистрируемого бортовым гиперспектрометром.The total attenuation of the light flux that has twice passed through the atmosphere is calculated by processing the signal recorded by the onboard hyperspectrometer.

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:

Figure 00000005
. 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]:The energy of one quantum (according to Planck's quantum theory) w = hν, where h is the Planck constant, ν is the frequency. Since the wavelength λ = c / ν (c is the speed of light), then the quantum energy:
Figure 00000005
. The full reference energy of the light flux is calculated by the Rayleigh ratio [see, for example, Zayezhniy V.M. “Fundamentals of calculations in statistical radio engineering”, Svyaz-Izdat, Moscow, 1964, pp. 93-94]:

Figure 00000006
Figure 00000006

где I(λ) - огибающая спектра эталонного сигнала, фиг. 2(в).where I (λ) is the envelope of the spectrum of the reference signal, FIG. 2 (c).

Аналогично вычисляют энергию сигнала, регистрируемого бортовым гиперспектрометром, где в качестве огибающей используют текущие регистрограммы измерений.The energy of the signal recorded by the onboard hyperspectrometer is calculated similarly, where the current measurement registers are used as the envelope.

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.To correctly compare the reference, according to Planck, spectral characteristics and measurement registers, they are brought to a single scale by normalizing with respect to the maximum. In this case, the shooting conditions (height of the Sun, viewing angle) do not affect the result of the calculation of the analyzed parameters.

Поскольку измерения современных спектрометров представляются в виде дискретных цифровых отсчетов, то вычисление интеграла осуществляют специализированной математической программой, приводимой ниже в примере реализации.Since the measurements of modern spectrometers are presented in the form of discrete digital samples, the calculation of the integral is carried out by a specialized mathematical program described below in the implementation example.

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.The dependence of the atmospheric state index q on the relative signal attenuation on the propagation path is determined by the regression dependence of the closest analogue, i.e. q = q (W floor / 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 пропорцииThen, image processing of anthropogenic pollution sources obtained by the hyperspectrometer in the entire visible range is carried out by constructing a histogram of pixel brightness illustrated in FIG. 6. The average brightness of the histogram pixels n sr is identified with the calculated value q ∑ of the state index. The calculation of absolute atmospheric pollution by anthropogenic pollution sources at each point of its image is determined from the ratio of the proportion

Figure 00000007
Figure 00000007

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.According to the data array, the contour lines of anthropogenic loads are visualized using the standard contouring procedure (Fig. 7). The result is a document on the distribution of anthropogenic pressures over the area of anthropogenic pollution sources for environmental decision-making.

Пример реализации способаAn example implementation of the method

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.The claimed method can be implemented according to the scheme of FIG. 8. The functional diagram of the device comprises a spacecraft (SC) of observation 1 of the Resource type. A hyperspectrometer 2 (of the Astrogon type) is installed on the spacecraft. Frame-by-frame shooting of planned regions containing photometers 3 of the AERONET global network is carried out by commands from the on-board control complex (BCC) 4 from the Mission Control Center (MCC) 5 via the command control radio line 6. The measurement results are recorded in the buffer memory 7 and by BKU teams, in the radio visibility areas of the spacecraft from ground-based points, are reset via the mobile communication channel 8 to the information receiving points (PPI) 9. After the preliminary processing of the frames according to service signs (number of revolution, time of shooting , coordinates of the plot) on the means 10, the information is transmitted to the Thematic Processing Center 11, where through the input device 12 it is entered into the PC 13 in a standard set of elements: processor 14, hard drive 15, random access memory (RAM) 16, display 17, printer 18, keyboard 19. Through the input device 12 to the PC 13 synchronously transmit the measurement results of the spectral characteristics of the incident light flux, once passed through the atmosphere, recorded by the photometer 3 network "AERONET". The results of measurements of emissions of gas components along the spacecraft flight path are displayed on the Internet server 20.

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].The Astrogon-1 hyperspectrometer has several parallel spectral channels in the visible range with the ability to separately obtain images in each channel or in the entire visible range. Spectral resolution is from 1.5 to 50 nm, quantization resolution is 12 bits and the field of view is 0.11 ° [see, for example, “Vulkan-Astrogon Small Spacecraft with a high-resolution hyperspectrometer”, Engineering Note, RAKA, NIIEM, STC "Reagent", p. 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.One of the implementations of the spectrograms of the hyperspectrometer, normalized with respect to the maximum, is illustrated in FIG. 5. The calculation of the energy of the reflected flow of the register (Fig. 5) is carried out according to a specialized mathematical program.

Текст программы вычисления энергии светового потокаLuminous flux energy calculation program text

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Для регистрограмм измерений, реализации которых иллюстрируются графиками фиг. 2, фиг. 5, расчетные значения составили Wэт=15,6, Wтек=11,4.For measurement registers, the implementation of which is illustrated by the graphs of FIG. 2, FIG. 5, the calculated values were W et = 15.6, W tech = 11.4.

Индекс состояния атмосферы в соответствии с регрессионной зависимостью:

Figure 00000010
The atmospheric state index in accordance with the regression dependence:
Figure 00000010

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

Figure 00000011
,
Figure 00000012
.The average value of the image brightness of anthropogenic pollution sources in the standard quantization scale of 0 ... 255 levels (Fig. 6) is 70, the maximum brightness is 190, the minimum brightness is 20. Recalculated (in proportion) state index values
Figure 00000011
,
Figure 00000012
.

Все элементы устройства, реализующего способ, выполнены на существующей технической базе.All elements of the device that implements the method are made on the existing technical basis.

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.The efficiency of the device, based on separate measurement of the luminous flux parameters by a photometer (average wavelength shift) and an onboard hyperspectrometer (signal attenuation along the propagation path), is characterized by greater reliability and accuracy.

Claims (1)

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
Figure 00000013
, выделение контуров изолиний техногенных нагрузок по всей площади антропогенных источников загрязнения.
A method for determining the atmospheric state index for anthropogenic pollution sources involves measuring the I (λ) spectrum of incident light flux by AERONET global network photometers geographically located in a controlled region, while simultaneously sensing this territory with a hyperspectrometer mounted on a space carrier, calculating the relative shift λ / λ et weighted average wavelength λ of the incident light flux measured by a photometer to the weighted average wavelength λ et reference, according to Planck , solar spectrum, calculation of the energy W of the signal twice transmitted through the atmosphere, recorded by the onboard hyperspectrometer, and its attenuation relative to the standard, according to Planck, signal W et / W, determination of the atmospheric state index q Σ from the regression dependence
q Σ = 1.2 (λ / λ floor ) 1.5 · (W floor / W) 2.6 ,
sorting the pixels of the image of anthropogenic pollution sources obtained by the hyperspectrometer by brightness n i , identification of the average brightness n CP with the calculated value q Σ , calculation of the absolute atmospheric pollution at each point q i from the ratio q i = n from R n i q Σ
Figure 00000013
, the allocation of contours of contours of technogenic loads over the entire area of anthropogenic sources of pollution.
RU2015115571/28A 2015-04-24 2015-04-24 Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources RU2586939C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115571/28A RU2586939C1 (en) 2015-04-24 2015-04-24 Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015115571/28A RU2586939C1 (en) 2015-04-24 2015-04-24 Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2586939C1 true RU2586939C1 (en) 2016-06-10

Family

ID=56115704

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015115571/28A RU2586939C1 (en) 2015-04-24 2015-04-24 Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2586939C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106324204A (en) * 2016-11-02 2017-01-11 扬州大学 Method for determining PM2.5 primary pollution source in urban atmosphere
RU179118U1 (en) * 2016-12-23 2018-04-26 Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") OPTICAL-ELECTRONIC AEROSOL COMPLEX
CN117054353A (en) * 2023-08-17 2023-11-14 山西低碳环保产业集团有限公司 Atmospheric pollution source area positioning analysis method and system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7046859B2 (en) * 2003-01-31 2006-05-16 Bernstein Lawrence S Methods for determining a measure of atmospheric aerosol optical properties using a multi- or hyperspectral, multi-pixel image
RU2422859C1 (en) * 2010-01-11 2011-06-27 Государственное учреждение "Научный центр проблем аэрокосмического мониторинга" - ЦПАМ "АЭРОКОСМОС" Method of determining megapolis air pollution
RU2460059C1 (en) * 2011-06-09 2012-08-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining megapolis air pollution with harmful gases
RU2463630C1 (en) * 2011-03-28 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities
RU2468396C1 (en) * 2011-07-07 2012-11-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining atmospheric aerosol concentration in megapolises
RU2011137475A (en) * 2011-09-12 2013-03-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" METHOD FOR DETERMINING THE VOLUME OF EMISSIONS TO THE ATMOSPHERE FROM NATURAL FIRES

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7046859B2 (en) * 2003-01-31 2006-05-16 Bernstein Lawrence S Methods for determining a measure of atmospheric aerosol optical properties using a multi- or hyperspectral, multi-pixel image
RU2422859C1 (en) * 2010-01-11 2011-06-27 Государственное учреждение "Научный центр проблем аэрокосмического мониторинга" - ЦПАМ "АЭРОКОСМОС" Method of determining megapolis air pollution
RU2463630C1 (en) * 2011-03-28 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities
RU2460059C1 (en) * 2011-06-09 2012-08-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining megapolis air pollution with harmful gases
RU2468396C1 (en) * 2011-07-07 2012-11-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining atmospheric aerosol concentration in megapolises
RU2011137475A (en) * 2011-09-12 2013-03-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" METHOD FOR DETERMINING THE VOLUME OF EMISSIONS TO THE ATMOSPHERE FROM NATURAL FIRES

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106324204A (en) * 2016-11-02 2017-01-11 扬州大学 Method for determining PM2.5 primary pollution source in urban atmosphere
CN106324204B (en) * 2016-11-02 2018-09-28 扬州大学 The determination method of urban atmosphere PM2.5 primary pollution sources
RU179118U1 (en) * 2016-12-23 2018-04-26 Акционерное общество "Ордена Трудового Красного Знамени Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова" (АО "НИФХИ им. Л.Я. Карпова") OPTICAL-ELECTRONIC AEROSOL COMPLEX
CN117054353A (en) * 2023-08-17 2023-11-14 山西低碳环保产业集团有限公司 Atmospheric pollution source area positioning analysis method and system
CN117054353B (en) * 2023-08-17 2024-03-19 山西低碳环保产业集团有限公司 Atmospheric pollution source area positioning analysis method and system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Murayama et al. An intercomparison of lidar‐derived aerosol optical properties with airborne measurements near Tokyo during ACE‐Asia
Elias et al. Measuring SO2 emission rates at Kīlauea Volcano, Hawaii, using an array of upward-looking UV spectrometers, 2014–2017
Seyler et al. Monitoring shipping emissions in the German Bight using MAX-DOAS measurements
Flemming et al. Volcanic sulfur dioxide plume forecasts based on UV satellite retrievals for the 2011 Grímsvötn and the 2010 Eyjafjallajökull eruption
Gronoff et al. A method for quantifying near range point source induced O3 titration events using Co-located Lidar and Pandora measurements
Zeng et al. Constraining the vertical distribution of coastal dust aerosol using OCO-2 O2 A-band measurements
Ottaviani et al. Airborne and shipborne polarimetric measurements over open ocean and coastal waters: intercomparisons and implications for spaceborne observations
RU2422859C1 (en) Method of determining megapolis air pollution
RU2586939C1 (en) Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources
Sica et al. Retrieval of water vapor mixing ratio from a multiple channel Raman-scatter lidar using an optimal estimation method
Adam et al. Biomass burning events measured by lidars in EARLINET–Part 1: Data analysis methodology
Clarisse et al. Infrared sounding of volcanic ash
Krapivin et al. Mission to Mars. Reliable method for liquid solutions diagnostics
RU2460059C1 (en) Method of determining megapolis air pollution with harmful gases
Taylor et al. An adaptation of the CO 2 slicing technique for the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer to obtain the height of tropospheric volcanic ash clouds
RU2468396C1 (en) Method of determining atmospheric aerosol concentration in megapolises
Hurley et al. Retrieval of macrophysical cloud parameters from MIPAS: algorithm description
RU2422807C1 (en) Method of determining concentration of atmospheric carbon dioxide
Preusker et al. Remote sensing of cloud-top pressure using moderately resolved measurements within the oxygen A band—A sensitivity study
Singh et al. Study of variation of aerosol optical properties over a high altitude station in Indian Western Himalayan region, palampur using raman lidar system
Peshev et al. Lidar observations of long-range transported Saharan dust over Sofia, Bulgaria: a case study of dust mixed with local aerosols
Zhou et al. Cloud detection over sunglint regions with observations from the earth polychromatic imaging camera
Ye et al. Improving atmospheric CO2 retrieval based on the collaborative use of Greenhouse gases Monitoring Instrument and Directional Polarimetric Camera sensors on Chinese hyperspectral satellite GF5-02
RU2695086C1 (en) Method of measuring content of greenhouse gases in atmosphere
Reiche et al. Comparative study to evaluate three ground-based optical remote sensing techniques under field conditions by a gas tracer experiment