RU2463630C1 - Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities - Google Patents

Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities Download PDF

Info

Publication number
RU2463630C1
RU2463630C1 RU2011111563/28A RU2011111563A RU2463630C1 RU 2463630 C1 RU2463630 C1 RU 2463630C1 RU 2011111563/28 A RU2011111563/28 A RU 2011111563/28A RU 2011111563 A RU2011111563 A RU 2011111563A RU 2463630 C1 RU2463630 C1 RU 2463630C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
brightness
image
values
emissions
images
Prior art date
Application number
RU2011111563/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Григорьевич Бондур (RU)
Валерий Григорьевич Бондур
Вячеслав Федорович Давыдов (RU)
Вячеслав Федорович Давыдов
Анатолий Владимирович Корольков (RU)
Анатолий Владимирович Корольков
Владимир Евгеньевич Воробьев (RU)
Владимир Евгеньевич Воробьев
Виктор Викторович Замшин (RU)
Виктор Викторович Замшин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ГОУ ВПО МГУЛ)
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", Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ГОУ ВПО МГУЛ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС"
Priority to RU2011111563/28A priority Critical patent/RU2463630C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2463630C1 publication Critical patent/RU2463630C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: ecology.
SUBSTANCE: method is proposed to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities. A multispectral image of a region is produced remotely with high resolution (≤2 m/pixel), containing control industrial sites, in the form of digital values of spectral brightness of the image I(x,y) in the red stripe of the visible spectrum (570…670 nm). Contours are identified on images by methods of spatial differentiation with established brightness gradations, lineation analysis is carried out on gradient fields inside identified contours, and graphical images are produced for sources of emissions in the form of aligned lineaments. The point of lineaments crossing is identified with location of a source of emission. Image pixel brightness values are normalised relative to maximum brightness, and pixel brightness is calibrated in PLC values by their values for control sites.
EFFECT: higher statistical stability, efficiency and validity of megacity atmosphere environmental condition assessment results.
7 dwg, 1 tbl

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.Industrial progress is inevitably associated with an increase in emissions of so-called "greenhouse" gases into the atmosphere, which are one of the causes of global climate change on the planet. Monitoring the state of air pollution is an integral part of the obligations of the states that have signed the Kyoto Protocol for environmental monitoring of natural environments.

Методологической проблемой при экологической экспертизе является документальный контроль соответствия реальных объемов выбросов каждым предприятием региона установленным предельным значением, согласно экологическому паспорту, за которые предприятие платит штрафы в бюджет.A methodological problem in environmental assessment is the documentary control of the compliance of the actual emissions with each enterprise in the region with the established limit value, according to the environmental passport, for which the company pays fines to the budget.

Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета суммарного индекса qΣ [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий», Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Лен, 1987 г., стр 4…5 - аналог]:A known method for assessing the state of the atmosphere by calculating the total index q Σ [see, for example, “Methodology for calculating the concentrations of harmful substances in atmospheric emissions in enterprises”, All-Union Normative Document, OND-86, USSR, Hydrometeoizdat, Len, 1987 , p. 4 ... 5 - analogue]:

Обычно qΣ (рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы при условии, что q1>q2>q3>q4>q5 [см., например, Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России, под редакцией Э.Ю.Безугловой, ГТО им. А.И.Воейкова, Санкт-Петербург, 1994…1996 гг. - аналог]:Usually q Σ (calculated for five components that determine the main contribution to air pollution, provided that q 1 > q 2 > q 3 > q 4 > q 5 [see, for example, the Yearbook of the State of Atmospheric Pollution in Cities in Russia, under Edited by E.Yu. Bezuglova, State Technical University named after A.I. Voeykov, St. Petersburg, 1994 ... 1996 - analogue]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где mi [мг/м3] - средняя за год концентрация i-го вещества в атмосфере, определяемая по локальным измерениям на местности;where m i [mg / m 3 ] - the average annual concentration of the i-th substance in the atmosphere, determined by local measurements on the ground;

CHi - предельно допустимая санитарная норма концентрации i-го вещества в атмосферном воздухе согласно ГОСТ;CH i - 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 IV, III, II и I классов опасности.j is an indicator of the degree of isoefficiency of the harmful substance equal to 0.85; one; 1.3; 1.5 for substances of IV, III, II and I hazard classes.

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 существенное влияние на результат измерений розы ветров и случайных завихрений атмосферы в точках забора;- the uncertainty of the choice of the sampling control points themselves and the significant influence on the result of measurements of the wind rose and random atmospheric turbulence at the sampling points;

- неоперативность методов аналитической химии путем забора проб, составляющая от 6 до 12 час по одной пробе, высокая стоимость химического анализа пробы;- the inoperability of analytical chemistry methods by sampling, ranging from 6 to 12 hours per sample, the high cost of chemical analysis of the sample;

- невозможность одновременного контроля всего множества ингредиентов (до 600) из-за неоперативности и высокой стоимости;- the inability to simultaneously control the entire set of ingredients (up to 600) due to inoperability and high cost;

- невозможность документальной проверки субъективно составляемых протоколов по результатам локальных измерений.- the impossibility of documentary verification of subjectively compiled protocols based on the results of local measurements.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ оценки загрязнения атмосферы» Патент RU №2117286, 1998 г.The closest analogue to the claimed technical solution is the "Method for assessing atmospheric pollution" Patent RU No. 2117286, 1998

Способ ближайшего аналога включает дистанционное получение спектрозонального снимка региона, включающего контрольные промышленные площадки, в виде цифровых значений спектральной яркости I(x, y) изображений G, R видимого диапазона, размерностью |m×n| элементов каждая, с линейным разрешением каждого элемента больше фрактального участка подстилающей поверхности, поэлементную логическую сортировку пикселей в обоих матрицах в соответствии с алгоритмом, если R≥G, то R, если R<G, то R=Rmax-|k|·G, где k - коэффициент корреляции хроматических коэффициентов r, g, получают результирующую матрицу тех же размеров, вычисляют числовые характеристики результирующей матрицы - математическое ожидание, дисперсию, огибающую пространственного спектра, автокорреляционную функцию, рассчитывают гистограмму распределения пикселей по яркости, осуществляют привязку полученного относительного закона распределения к абсолютным значениям индекса состояния атмосферы региона по его значениям и площади контрольных площадок.The closest analogue method involves remotely obtaining a spectrozonal image of a region, including control industrial sites, in the form of digital values of spectral brightness I (x, y) of visible G, R images, dimension | m × n | each element, with a linear resolution of each element larger than the fractal portion of the underlying surface, elementwise logical sorting of pixels in both matrices in accordance with the algorithm, if R≥G, then R, if R <G, then R = R max - | k | · G , where k is the correlation coefficient of the chromatic coefficients r, g, the resulting matrix of the same size is obtained, the numerical characteristics of the resulting matrix are calculated - mathematical expectation, variance, envelope of the spatial spectrum, autocorrelation function, the histogram of the races is calculated definiteness pixel brightness, binds the obtained relative to the law of distribution of absolute values of the state of the atmosphere in the region of its index values and area control sites.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:The disadvantages of the closest analogue include:

- неадекватность алгоритма логической сортировки пикселей результирующей матрицы измеряемому физическому процессу, и как следствие, несоответствие получаемых гистограмм физическому процессу;- the inadequacy of the algorithm of logical sorting of pixels of the resulting matrix to the measured physical process, and as a result, the discrepancy between the obtained histograms and the physical process;

- неочевидность калибровки относительного закона распределения пикселей по яркости измерениями контрольных площадок.- the non-obviousness of the calibration of the relative law of the distribution of pixels in brightness by measurements of control sites.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании из спектрозонального снимка промышленного региона документа из местоположения источников локальных выбросов в атмосферу с оценкой их количественного вклада в суммарное загрязнение.The problem solved by the invention is to create a document from a spectrozonal image of an industrial region from the location of sources of local emissions into the atmosphere with an estimate of their quantitative contribution to the total pollution.

Технический результат достигается тем, что способ определения источников выбросов в атмосферу по изображениям мегаполисов, включающий дистанционное получение спектрозонального снимка региона высокого разрешения (≤2 м/пиксель) содержащего контрольные промышленные площадки, в виде цифровых значений спектральной яркости изображения I(x, y) в красной полосе видимого диапазона (570…670 нм), выделение методами пространственного дифференцирования контуров на изображении с установленными градациями яркости, линеаментный анализ градиентных полей внутри выделенных контуров, получение графических образов источников выбросов в виде ориентированных линеаментов, отождествление точки пересечения линеаментов с координатами источников выбросов, нормирование значений яркости пикселов изображения относительно максимальной яркости, калибровку яркостей пикселей в значениях ПДК по их значениям для контрольных площадок, пересчет пикселей яркости изображения в изолинии контуров значений ПДК по площади мегаполисов.The technical result is achieved in that a method for determining sources of atmospheric emissions from images of megacities, including remote sensing of a high-resolution spectrozonal image of a region (≤2 m / pixel) containing industrial control sites, in the form of digital values of the spectral brightness of the image I (x, y) in the red band of the visible range (570 ... 670 nm), the allocation by the methods of spatial differentiation of the contours in the image with established gradations of brightness, linear analysis of gradient along inside the selected contours, obtaining graphical images of the sources of emissions in the form of oriented lineaments, identifying the point of intersection of the lineaments with the coordinates of the sources of emission, normalizing the brightness of the image pixels relative to the maximum brightness, calibrating the pixel brightness in the MPC values for their reference areas, recalculating the image brightness pixels in the contour of the MPC values by the area of megacities.

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

фиг.1 - фрагмент исходного спектрозонального изображения мегаполиса;figure 1 is a fragment of the original spectrozonal image of the metropolis;

фиг.2 - взаимодействие квантов видимого света с молекулами газов при флуоресценции;figure 2 - the interaction of the quanta of visible light with gas molecules during fluorescence;

фиг.3 - контуры установленных градаций яркости на обрабатываемом изображении;figure 3 - contours of the established gradations of brightness on the processed image;

фиг.4 - узор рисунка поля линеаментов внутри выделенного контура;figure 4 - pattern of the lineament field inside the selected path;

фиг.5 - гистограммы распределения пикселей изображения по яркости: а) абсолютные значения; б) нормированные значения;5 is a histogram of the distribution of image pixels by brightness: a) absolute values; b) normalized values;

фиг.6 - изолинии значений ПДК контуров, прокалиброванные по значениям ПДК контрольных площадок;6 is a contour of the values of the MPC of the contours, calibrated by the values of the MPC of control sites;

фиг.7 - функциональная схема устройства, реализующего способ.7 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.

Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере зависит от множества факторов: количества источников, объема выбросов, скорости ветра, стратификации градиента температур, времени года, суток, ландшафта и инфраструктуры региона. Поэтому результат любого локального измерения на местности представляется случайной величиной. В этом плане оценки состояния воздушной среды по спектрозональным изображениям, с количеством пикселей в матрице измерений, например, |512×512| цифровых отсчетов обеспечивает статистическую устойчивость результата.The surface concentration of harmful substances in the atmosphere depends on many factors: the number of sources, emissions, wind speed, stratification of the temperature gradient, time of year, day, landscape and infrastructure of the region. Therefore, the result of any local measurement on the ground is a random variable. In this regard, the assessment of the state of the air by spectrozonal images, with the number of pixels in the measurement matrix, for example, | 512 × 512 | digital readings provides statistical stability of the result.

Загрязнение атмосферы в мегаполисах непосредственно над промышленными площадками достигает единиц и даже десятков ПДК [см. - аналог]. Физически это проявляется в увеличении количества частиц антропогенного происхождения в воздухе, увеличении мутности атмосферы, образованием смогов. При съемке из космоса мутность атмосферы определяет интервал изменения коэффициента спектральной яркости (КСЯ) системы «атмосфера-подстилающая поверхность». Взаимодействие солнечного излучения с антропогенными частицами происходит на молекулярном уровне. При сталкивании фотонов светового потока с молекулами газов происходит передача квантов энергии (hυ*) молекулам, которые переходят в возбужденное состояние. При всех видах возможного взаимодействия светового потока с молекулами смогов над мегаполисами, как то: поглощение, рассеяние, флуоресцентное переизлучение - интегральный эффект состоит в смещении спектра видимого диапазона в его длинноволновую часть (красная область), [см., например, Р.Межерис, Лазерное дистанционное зондирование, перевод с англ., М.: Мир, 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 «парниковых» молекул смогов.Atmospheric pollution in megacities directly above industrial sites reaches units and even tens of MPC [see - analogue]. Physically, this is manifested in an increase in the number of particles of anthropogenic origin in the air, an increase in the turbidity of the atmosphere, and the formation of smogs. When shooting from space, the turbidity of the atmosphere determines the interval of variation of the coefficient of spectral brightness (CSN) of the "atmosphere-underlying surface" system. The interaction of solar radiation with anthropogenic particles occurs at the molecular level. When photons of the light flux collide with gas molecules, energy quanta (hυ * ) are transferred to the molecules, which transform into an excited state. For all types of possible interaction of the light flux with smog molecules over megacities, such as absorption, scattering, and fluorescence re-emission, the integral effect is to shift the spectrum of the visible range to its long-wavelength part (red region), [see, for example, R. Mežeris, Laser remote sensing, translation from English, Moscow: Mir, 1987, p. 124, Tables 3, 4. Wave numbers of the Raman shift at a wavelength of 337.1 nm]. Below are some extracts from this Table for some greenhouse smog molecules.

Тип молекулы веществаType of substance molecule NO2 NO 2 SO2 SO 2 CO2 CO 2 NH3 NH 3 C2H2 C 2 H 2 H2SH 2 s COCO NONO H2OH 2 O Длина волны рассеянного излучения, нмThe wavelength of scattered radiation, nm 345,7345.7 350,8350.8 352,5352.5 378,8378.8 380,3380.3 369369 363,9363.9 365,9365.9 384,4384.4 Абсолютная величина смещения Δλ, нмThe absolute value of the displacement Δλ, nm 8,68.6 13,713.7 15,415.4 42,742.7 43,243,2 3232 16,816.8 18,818.8 47,347.3

В результате комбинационного рассеяния солнечного света происходит перераспределение энергии между спектральными составляющими видимого диапазона, а регистрируемое спектральное изображение антропогенно загрязненных участков приобретает преимущественно красноватый или темно-вишневый оттенок. Кроме того, в случаях мощных антропогенных дымок органического и фотохимического происхождения имеет место дополнительное интенсивное поглощение (красного и ближнего ИК-диапазонов), сопровождаемое «замыванием» пикселей изображения подстилающей поверхности [см., например, «Коэффициенты спектральной яркости воздушной дымки», Л.И.Чапурский «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400…2500 нм», ч.1, Мин. Обороны СССР, 1986 г., стр.103-107, 134-137, табл.П.10].As a result of the Raman scattering of sunlight, energy is redistributed between the spectral components of the visible range, and the recorded spectral image of anthropogenically contaminated sites acquires a predominantly reddish or dark cherry hue. In addition, in cases of powerful anthropogenic haze of organic and photochemical origin, there is an additional intense absorption (red and near infrared ranges), accompanied by “blurring” of the pixels of the image of the underlying surface [see, for example, “Spectral brightness coefficients of airborne haze”, L. I. Chapursky “Reflective properties of natural objects in the range 400 ... 2500 nm”, part 1, Min. Defense of the USSR, 1986, pp. 103-107, 134-137, tab. P. 10].

Визуальными селектируемыми признаками загрязненных участков атмосферы при спектрозональной съемке из космоса является желто-оранжевое смещение спектра рассеянного переизлучения и темно-вишневый оттенок областей интенсивного поглощения. Очевидно, что чем больше смещение спектра и поглощение энергии падающего светового потока, тем больше загрязнение атмосферы. В оцифрованном спектрозональном изображении, в стандартной шкале квантования 0…255 уровней, перепад яркости пикселей в красной полосе видимого спектра достигает Imin≈92, Imax=248. (см. фиг.1).Visual selectable signs of contaminated atmospheric portions during spectrozonal imaging from space are the yellow-orange shift of the spectrum of scattered re-radiation and the dark cherry hue of the areas of intense absorption. Obviously, the greater the shift in the spectrum and the absorption of energy from the incident light flux, the greater the pollution of the atmosphere. In the digitized spectrozonal image, in the standard quantization scale of 0 ... 255 levels, the difference in pixel brightness in the red band of the visible spectrum reaches I min ≈92, I max = 248. (see figure 1).

Изрезанность спектрозонального изображения содержит скрытую информацию о местоположении локальных источников выбросов.The irregularity of the spectrozonal image contains hidden information about the location of local sources of emissions.

Конечной целью заявляемого способа является создание документа с координатами источников выбросов на анализируемом изображении и значениями ПДК прилегающей территории. Последнее достигается путем выделения контуров (контурного рисунка) на изображениях, осуществляемое методами пространственного дифференцирования (см., например, Дуда P.O., Харт П.Е. «распознавание образов и анализ сцен», перевод с англ., изд. Мир, М, 1976 г. «Пространственное дифференцирование», стр.287-288). Существует несколько известных стандартных операторов (Робертса, Лапласа, Собела), позволяющих вычислять контура на двумерных изображениях. В частности, например, перекрестный оператор Робертса рассчитывают в окне (маске) 2×2 элемента, для каждой дискретной точки изображения I(x, y) из соотношения:The ultimate goal of the proposed method is to create a document with the coordinates of the sources of emissions in the analyzed image and the MPC values of the adjacent territory. The latter is achieved by isolating the contours (contour drawing) in the images, carried out by methods of spatial differentiation (see, for example, Duda PO, Hart P.E. “pattern recognition and scene analysis”, translated from English, ed. Mir, M, 1976 d. "Spatial differentiation", pp. 287-288). There are several well-known standard operators (Roberts, Laplace, Sobel) that allow you to calculate the contour in two-dimensional images. In particular, for example, the Roberts cross operator is calculated in a window (mask) of 2 × 2 elements, for each discrete image point I (x, y) from the relation:

R(i, j)=|I(i, j)-I(i+1, j+1)|-|I(i+1, j)-I(i, j+1)|R (i, j) = | I (i, j) -I (i + 1, j + 1) | - | I (i + 1, j) -I (i, j + 1) |

Вычисленное значение оператора сравнивают с установленным порогом R(i, j)>П, выводят на экран точки, для которых R(i, j) превышает порог. Выделение контуров на изображении с использованием масок различных операторов представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения (см., например, MATH САД. 6.0. PLVS, издание второе, стереотипное, информационно-издательский дом «Филинъ», 1997 г., стр.50-68). Выделенные контуры установленных градаций яркости на обрабатываемом изображении фиг.1 иллюстрируются фиг.3.The calculated value of the operator is compared with the set threshold R (i, j)> П, points for which R (i, j) exceed the threshold are displayed. The selection of the contours in the image using masks of various operators seems to be a standard mathematical operation included in the specialized software package (see, for example, MATH SAD. 6.0. PLVS, second edition, stereotyped, information and publishing house Filin, 1997, p. 50-68). The highlighted contours of the established gradations of brightness in the processed image of FIG. 1 are illustrated in FIG.

Следующей задачей анализа является извлечение скрытой информации из изображения. Отметим, что амплитуды пикселов изображения обратно пропорциональны степени загрязнения атмосферы соответствующих участков. Следовательно градиент изменения яркости пикселов содержит информацию о местоположении источников выбросов. По определению, векторное поле градиентов скалярной функции изображения I(x, y) для любой точки вычисляют как (см., например, «Производная по направлению» в книге Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления», учебник для ВТУЗов, 5-е изд., т.1, М.: Наука, 1964 г., стр.264-266)The next task of the analysis is to extract hidden information from the image. Note that the amplitudes of the image pixels are inversely proportional to the degree of atmospheric pollution of the respective sections. Therefore, the gradient of the brightness of the pixels contains information about the location of the emission sources. By definition, the vector field of the gradients of the scalar image function I (x, y) for any point is calculated as (see, for example, “Derivative in direction” in the book of N. S. Piskunov “Differential and Integral Calculus”, textbook for technical schools, 5 -th ed., vol. 1, Moscow: Nauka, 1964, pp. 264-266)

Figure 00000002
Figure 00000002

Возле каждого пиксела изображения расположено 8 смежных пикселов. Поэтому, в принципе, производные каждой точки изображения могут вычисляться как минимум по 8 направлениям. Вычисление производных по направлению осуществляют в режиме «сканирующей точки». Длину выделяемых линеаментов устанавливают во входных параметрах программы обработки, которые зависят от ряда условий: масштаба снимка, разрешения одного пиксела, шкалы уровней квантования сигнала по амплитуде. При известных координатах верхнего и нижнего концов линеамента (x1, y1) и (x2, y2) длина линеамента определяется по формуле:Near each pixel in the image, there are 8 adjacent pixels. Therefore, in principle, the derivatives of each image point can be calculated in at least 8 directions. The calculation of the directional derivatives is carried out in the “scanning point” mode. The length of highlighted lineaments is set in the input parameters of the processing program, which depend on a number of conditions: the image scale, the resolution of one pixel, the scale of the quantization levels of the signal in amplitude. With the known coordinates of the upper and lower ends of the lineament (x 1 , y 1 ) and (x 2 , y 2 ), the length of the lineament is determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

а азимут:and azimuth:

Figure 00000004
при xi<xj; yi<yj;
Figure 00000004
for x i <x j ; y i <y j ;

Figure 00000005
, при xi<xj; yi>yj;
Figure 00000005
, for x i <x j ; y i > y j ;

Роза-диаграмма определена как функция:A rose chart is defined as a function:

Figure 00000006
Figure 00000006

где li(A) - длина i-го линеамента, ориентированного по азимуту A; k - число линеаментов, ориентированных по азимуту A. Генерализация распределения линеаментов по азимутальным направлениям ведется методом «сканирующего окна». Вычисляется суммарная длина или число линеаментов в сканирующем окне на данном шаге. Результат заносится в ячейку выходного массива, индекс которого строго соответствует координатам «сканирующего окна». После завершения сканирования проводится обработка сформированного массива и построение изолиний плотности линеаментов. Программа генерализации и построения плотности изолиний линеаментов представлена в примере реализации. Результат программного расчета иллюстрируется фиг.4where l i (A) is the length of the i-th lineament oriented in azimuth A; k is the number of lineaments oriented in azimuth A. Generalization of the distribution of lineaments in azimuthal directions is carried out by the method of “scanning window”. The total length or number of lineaments in the scanning window at this step is calculated. The result is entered into the cell of the output array, the index of which strictly corresponds to the coordinates of the “scanning window”. After the scan is completed, the formed array is processed and the lineament density isolines are built. The program for generalization and construction of the density of lineament isolines is presented in the implementation example. The result of the software calculation is illustrated in figure 4

В результате генерализации азимутов роз-диаграмм линеаментов получают векторное поле преимущественных направлений изменений яркости изображения внутри контуров. Точку пересечения линеаментов внутри контуров отождествляют с местоположением источника выбросов. Форма получаемых рисунков (узоров) дает представление об «образе» источников выбросов.As a result of the generalization of the azimuths of the lineament rose-diagrams, a vector field is obtained of the preferred directions of the image brightness changes inside the contours. The intersection point of lineaments within the contours is identified with the location of the source of emissions. The shape of the resulting drawings (patterns) gives an idea of the "image" of emission sources.

Для количественной оценки загрязнения атмосферы мегаполиса сортируют пикселы изображения по яркости и строят их гистограмму распределения. Поскольку абсолютная величина яркости пикселей зависит от условий съемки (высоты Солнца, угла визирования, времени суток) осуществляют их приведение к единому масштабу путем нормирования относительно максимума яркости. Данная операция позволяет прокалибровать относительные значения яркости в значениях ПДК (предельно допустимых концентрациях) по относительным значениям яркости контрольных площадок. Гистограммы распределения пикселей обрабатываемого фрагмента исходного изображения (фиг.1) иллюстрируются фиг.5. В результате получают документ (фиг.6) в виде изолиний контуров значений ПДК по площади мегаполисов и местоположения источников выбросов для принятия экологических решений.To quantify the air pollution of a megalopolis, the image pixels are sorted by brightness and their distribution histogram is built. Since the absolute value of the brightness of pixels depends on the shooting conditions (the height of the Sun, viewing angle, time of day), they are brought to a single scale by normalizing with respect to the maximum brightness. This operation allows you to calibrate the relative brightness values in the MPC values (maximum permissible concentrations) against the relative brightness values of the control sites. Histograms of the distribution of pixels of the processed fragment of the original image (figure 1) are illustrated in figure 5. The result is a document (Fig.6) in the form of contours of the MPC values by the area of megacities and the location of emission sources for environmental decisions.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства фиг.7 содержит орбитальный комплекс наблюдения 1 типа космического аппарата (КА) «Ресурс» с установленной на его борту цифровой фотокамерой высокого разрешения 2 (типа DCS760) для приема сигнала светового потока, отраженного от подстилающей поверхности 3 через светофильтр 4 в красной полосе видимого диапазона. Оперативную съемку запланированных объектов и включение фотокамеры 2 осуществляет бортовой комплекс управления (БКУ) 5 по командам, передаваемым из центра управления полетом (ЦУП) 6 по радиолинии командного управления 7. Отснятые кадры записывают в буферное запоминающее устройство 8 и в зонах видимости КА с наземных пунктов по автономному высокоскоростному каналу передачи данных 9 сбрасывают на пункты приема информации (ППИ) 10, где осуществляют их запись на средствах 11. Информацию с ППИ перегоняют по наземным каналам связи 12 в экологический центр 13, где осуществляют выделение отснятых кадров по служебным признакам. Скомпонованные массивы изображений мегаполисов помещают в базу данных 14 сети Интернет 15. (Сайт открытого доступа для пользователей «Ресурс»).The inventive method can be implemented on the basis of the device according to the scheme of Fig.7. The functional diagram of the device of Fig. 7 contains an orbital observation complex of the Resource type 1 spacecraft (SC) with a high-resolution digital camera 2 (type DCS760) installed on its board for receiving a light flux signal reflected from the underlying surface 3 through a light filter 4 in red band of visible range. Operational shooting of the planned objects and turning on the camera 2 is carried out by the onboard control complex (BCC) 5 according to the commands transmitted from the flight control center (MCC) 6 via the command control radio 7. The captured frames are recorded in the buffer memory 8 and in the visibility areas of the spacecraft from ground points through an autonomous high-speed data transmission channel 9, they are dumped to information reception points (PPI) 10, where they are recorded on the means 11. Information from the PPI is distilled via terrestrial communication channels 12 to the environmentally friendly Room 13, where the selection is carried out of captured frames on official grounds. Arranged arrays of images of megacities are placed in the database 14 of the Internet 15. (Public access site for users "Resource").

Программную обработку изображений по операциям способа проводят на средствах ПЭВМ 16 в стандартном наборе элементов: процессор 17, винчестер 18, оперативное запоминающее устройство 19, дисплей 20, принтер 21, клавиатура 22. Программы выделения контуров и линеаментного анализа записывают на винчестер 18. В качестве примера обрабатывался спектрозональный снимок г.Мытищи Московской обл. Снимок заказан в Госцентре «Природа», Заказ №11/93-42. Уровень квантования сигнала по амплитуде соответствовал шкале (0…255), пространственное разрешение на пиксел составляло 1,56 м. Фрагмент обрабатываемого изображения (фиг.1) соответствовал матрице |m×n|элементов [512×512]. Максимальная яркость Imax=248, минимальная яркость Imin=92, среднее значение яркости Iср=190. При программном выделении контуров градация яркостей составляла ΔI~ 20. Выделенные контуры на изображении иллюстрируются фиг.3. Для одного из контуров проведен градиентный анализ направлений поля линеаментов. Операция получения градиентного поля линеаментов реализуется следующей программой:Software image processing for the operations of the method is carried out on a PC 16 in a standard set of elements: a processor 17, a hard drive 18, a random access memory 19, a display 20, a printer 21, a keyboard 22. The contouring and linear analysis programs are recorded on the hard drive 18. As an example A spectrozonal image of Mytishchi, Moscow Region was processed. The picture was ordered at the State Center "Nature", Order No. 11 / 93-42. The amplitude quantization level of the signal corresponded to a scale (0 ... 255), the spatial resolution per pixel was 1.56 m. A fragment of the processed image (Fig. 1) corresponded to the | m × n | matrix of elements [512 × 512]. The maximum brightness I max = 248, the minimum brightness I min = 92, the average brightness value I cf = 190. When programmatically selecting contours, the gradation of brightness was ΔI ~ 20. The highlighted contours in the image are illustrated in FIG. For one of the contours, a gradient analysis of the directions of the lineament field was carried out. The operation of obtaining a gradient field of lineaments is implemented by the following program:

Figure 00000007
Figure 00000008
Figure 00000007
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Наибольшее загрязнение на изображении имеет атмосфера над территорией Мытищинского машиностроительного завода (ММЗ), выбранная в качестве эталонной промплощадки. Средний уровень ПДК по территории ММЗ на дату получения сигнала составил 4,7 ПДК. Гистограмма распределения пикселей по яркости анализируемого изображения иллюстрируется фиг.5, где а) гистограмма абсолютных значений яркости; б) гистограмма нормированных относительно Imax значений. Минимальная яркость на изображении соответствует максимальным значениям ПДК (максимальное затухание сигнала). Для эталонной промплощадки (ПДК=4,7) относительное значение яркости пикселей соответствует: Iпром.площ./Imax≈k=0,37. Откуда калибровочный коэффициент обратно пропорциональной зависимости для любой точки относительной яркости гистограммы соответствует:The atmosphere is most polluted in the image above the territory of the Mytishchi Machine-Building Plant (MMZ), chosen as a reference industrial site. The average MPC level in the territory of the MMZ as of the date of receipt of the signal was 4.7 MPC. A histogram of the distribution of pixels by brightness of the analyzed image is illustrated in FIG. 5, where a) a histogram of absolute brightness values; b) a histogram of values normalized with respect to Imax. The minimum brightness in the image corresponds to the maximum MAC values (maximum signal attenuation). For a reference industrial site (MPC = 4.7), the relative value of the pixel brightness corresponds to: I industrial area. / I max ≈k = 0.37. Whence the calibration coefficient inversely proportional for any point of the relative brightness of the histogram corresponds to:

Figure 00000010
Figure 00000010

На фиг.6 представлен рабочий документ в виде изолиний ПДК и местоположений источников выбросов на изображении для принятия экологических решений.Figure 6 presents the working paper in the form of MPC isolines and locations of emission sources in the image for environmental decision-making.

Эффективность способа характеризуется статистической устойчивостью, оперативностью, достоверностью, невысокой стоимостью и документальностью результатов оценки экологического состояния атмосферы мегаполисов по сравнению с известными аналогами.The effectiveness of the method is characterized by statistical stability, efficiency, reliability, low cost and documentary results of the assessment of the ecological state of the atmosphere of megacities in comparison with well-known analogues.

Claims (1)

Способ определения источников выбросов в атмосферу по изображениям мегаполисов, включающий дистанционное получение спектрозонального снимка региона высокого разрешения (≤2 м/пиксель), содержащего контрольные промышленные площадки, в виде цифровых значений спектральной яркости изображения I(x,y) в красной полосе видимого диапазона (570…670 нм), выделение методами пространственного дифференцирования контуров на изображении с установленными градациями яркости, линеаментный анализ градиентных полей внутри выделенных контуров, получение графических образов источников выбросов в виде ориентированных линеаментов, отождествление точки пересечения линеаментов с координатами источников выбросов, нормирование значений яркости пикселей изображения относительно максимальной яркости, калибровку яркостей пикселей в значениях ПДК по их значениям для контрольных площадок, пересчет пикселей яркости изображения в изолинии контуров значений ПДК по площади мегаполисов. A method for determining sources of atmospheric emissions from images of megacities, including remote sensing of a high-resolution spectrozonal image of a region (≤2 m / pixel) containing industrial control sites in the form of digital values of the spectral brightness of the image I (x, y) in the red band of the visible range ( 570 ... 670 nm), the allocation by methods of spatial differentiation of the contours in the image with established gradations of brightness, lineament analysis of gradient fields inside the selected contours, obtaining g afichesky images of sources of emissions in the form of oriented lineaments, identification of the point of intersection of lineaments with the coordinates of the sources of emissions, normalization of the brightness of the image pixels relative to the maximum brightness, calibration of the brightness of pixels in the MPC values for their reference areas, recalculation of the image brightness pixels in the contour of the MPC values area of megacities.
RU2011111563/28A 2011-03-28 2011-03-28 Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities RU2463630C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011111563/28A RU2463630C1 (en) 2011-03-28 2011-03-28 Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011111563/28A RU2463630C1 (en) 2011-03-28 2011-03-28 Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2463630C1 true RU2463630C1 (en) 2012-10-10

Family

ID=47079690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011111563/28A RU2463630C1 (en) 2011-03-28 2011-03-28 Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2463630C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2586939C1 (en) * 2015-04-24 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018156C1 (en) * 1991-04-19 1994-08-15 Научно-исследовательский институт онкологии Томского научного центра РАМН Method for detecting polluted areas in atmosphere
RU2117286C1 (en) * 1997-06-26 1998-08-10 Московский государственный университет леса Method for evaluation of air pollution
RU2209452C1 (en) * 2002-05-14 2003-07-27 Сорокин Владимир Николаевич Method for detection of seismic centres
CN101414009A (en) * 2008-11-15 2009-04-22 大连海事大学 Portable airborne offshore oil overflowing remote sense monitoring system
CN101957991A (en) * 2010-09-17 2011-01-26 中国科学院上海技术物理研究所 Remote sensing image registration method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2018156C1 (en) * 1991-04-19 1994-08-15 Научно-исследовательский институт онкологии Томского научного центра РАМН Method for detecting polluted areas in atmosphere
RU2117286C1 (en) * 1997-06-26 1998-08-10 Московский государственный университет леса Method for evaluation of air pollution
RU2209452C1 (en) * 2002-05-14 2003-07-27 Сорокин Владимир Николаевич Method for detection of seismic centres
CN101414009A (en) * 2008-11-15 2009-04-22 大连海事大学 Portable airborne offshore oil overflowing remote sense monitoring system
CN101957991A (en) * 2010-09-17 2011-01-26 中国科学院上海技术物理研究所 Remote sensing image registration method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2586939C1 (en) * 2015-04-24 2016-06-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ben-Dor Quantitative remote sensing of soil properties
Lausch et al. Linking remote sensing and geodiversity and their traits relevant to biodiversity—Part I: soil characteristics
Zhang et al. Derivative spectral unmixing of hyperspectral data applied to mixtures of lichen and rock
Mitchell et al. Estimating particulate inorganic carbon concentrations of the global ocean from ocean color measurements using a reflectance difference approach
Gerighausen et al. Spatially explicit estimation of clay and organic carbon content in agricultural soils using multi-annual imaging spectroscopy data
CN101101338A (en) Exploration method and system for oil and gas
RU2422859C1 (en) Method of determining megapolis air pollution
Karaska et al. AVIRIS measurements of chlorophyll, suspended minerals, dissolved organic carbon, and turbidity in the Neuse River, North Carolina
Del Pozo et al. Multispectral imaging in cultural heritage conservation
Schneider et al. MUSICA MetOp/IASI {H 2 O, δD} pair retrieval simulations for validating tropospheric moisture pathways in atmospheric models
Mélin Uncertainties in ocean colour remote sensing
Okyay et al. Ground-based hyperspectral image analysis of the lower Mississippian (Osagean) reeds spring formation rocks in southwestern Missouri
van der Meer Imaging spectrometry for geological remote sensing
Raiho et al. Exploring mission design for imaging spectroscopy retrievals for land and aquatic ecosystems
RU2460059C1 (en) Method of determining megapolis air pollution with harmful gases
Coren et al. Integrating LiDAR intensity measures and hyperspectral data for extracting of cultural heritage
Dekker et al. Imaging spectrometry as a research tool for inland water resources analysis
RU2463630C1 (en) Method to detect sources of emissions into atmosphere by images of megacities
RU2586939C1 (en) Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources
Tarasov et al. Estimating the water turbidity in the Selenga River and adjacent waters of Lake Baikal using remote sensing data
RU2117286C1 (en) Method for evaluation of air pollution
Zhuo et al. Quantitative retrieving of soil organic matter using field spectrometer and hyperspectral remote sensing
Pe'eri et al. Macroalgae and eelgrass mapping in Great Bay Estuary using AISA hyperspectral imagery
Arnone et al. Real-time use of ocean color remote sensing for coastal monitoring
RU2132606C1 (en) Method for ecological zoning of regions