RU2578515C2 - Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires - Google Patents

Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires Download PDF

Info

Publication number
RU2578515C2
RU2578515C2 RU2014122430/28A RU2014122430A RU2578515C2 RU 2578515 C2 RU2578515 C2 RU 2578515C2 RU 2014122430/28 A RU2014122430/28 A RU 2014122430/28A RU 2014122430 A RU2014122430 A RU 2014122430A RU 2578515 C2 RU2578515 C2 RU 2578515C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fire
emissions
concentration
atmosphere
volume
Prior art date
Application number
RU2014122430/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014122430A (en
Inventor
Вячеслав Федорович Давыдов
Юрий Павлович Батырев
Евгений Геннадиевич Комаров
Алексей Викторович Соболев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ 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 образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО МГУЛ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО МГУЛ)
Priority to RU2014122430/28A priority Critical patent/RU2578515C2/en
Publication of RU2014122430A publication Critical patent/RU2014122430A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2578515C2 publication Critical patent/RU2578515C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: method includes synchronous surface shooting by a digital video camera and a hyper spectrometer installed on the space carrier, separation by methods of spatial differentiation of function of brightness of the video image of the fire outline, calibration of brightness of pixels inside the outline, calculation by hyper spectrometer measurements of concentration of harmful emissions from the fire by reference attenuation of the light beam which has passed twice the atmosphere in the oxygen absorption band 761…767 nanometres and its attenuation in the visible range. The volume of emissions is determined from the expression V = mΣ·S·H·A, where mΣ - average concentration of harmful emissions from the fire, S - the area of the fire outline, N - height of the source of emissions (forest crop), A - meteorological coefficient of height temperature stratification of the atmosphere.
EFFECT: possibility of quantitative determination of volume of emissions.
8 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 и региональных Центрах МЧС.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 and regional centers of the Ministry of Emergencies.

Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов в атмосферу, так называемых, «парниковых газов», вызывающих положительный тренд средней температуры Земли. Последнее обуславливает значительный рост природных пожаров в глобальном масштабе. Последствия природных пожаров (лесных, торфяных) в частности, привели к образованию смогов в Европейской части России в 2010 г. продолжительностью до 2-х месяцев, повысивших уровень ежедневной смертности в Москве в несколько раз.Industrial progress is inevitably associated with an increase in atmospheric emissions of so-called “greenhouse gases”, causing a positive trend in the average temperature of the Earth. The latter causes a significant increase in natural fires on a global scale. The consequences of natural fires (forest, peat) in particular, led to the formation of smogs in the European part of Russia in 2010 for up to 2 months, which increased the level of daily mortality in Moscow by several times.

Контроль загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств, подписавших Киотский протокол по экологическому мониторингу природных сред.Air pollution control is an integral part of the responsibilities of the states that have signed the Kyoto Protocol on environmental environmental monitoring.

Известен способ оценки состояния атмосферы путем расчета индекса ее состояния. Обычно индекс состояния qΣ рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в загрязнение атмосферы [см., например, «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе веществ, содержащихся в выбросах предприятий». Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, СССР, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1987 г., стр.4-5 - аналог]A known method of assessing the state of the atmosphere by calculating the index of its state. Usually, the state index q Σ is calculated for five components that determine the main contribution to air pollution [see, for example, “Methodology for calculating atmospheric air concentrations of substances contained in enterprise emissions”. All-Union normative document, OND-86, USSR, Hydrometeoizdat, Leningrad, 1987, pp. 4-5 - analogue]

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 - предельно допустимая санитарная норма i-го вещества в атмосферном воздухе, согласно ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»;CH i - the maximum permissible sanitary norm of the i-th substance in atmospheric air, according to GOST 12.1.005-88 “General sanitary and hygienic requirements for the air of the working area”;

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 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, respectively.

Известен способ решения обратных задач по определению мощности выброса источника М[г/с] по заданному уровню максимальной приземной концентрации q[г/м3] при прочих фиксированных параметрах выброса [см. там же ОНД-86, стр 17, … Решение обратных задач, формулы 2.41, 2.42 - аналог]There is a method for solving inverse problems of determining the source emission power M [g / s] at a given level of maximum surface concentration q [g / m 3 ] with other fixed emission parameters [see there is OND-86, p. 17, ... Solving inverse problems, formulas 2.41, 2.42 - analogue]

при f>100

Figure 00000002
for f> 100
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

где Н - высота источника выброса (для наземных источников Н=2 м);where H is the height of the source of emission (for terrestrial sources H = 2 m);

А - метеорологический коэффициент высотной стратификации атмосферы, при котором концентрация вредных веществ в атмосфере максимальна. Для Московской, Тульской, Рязанской, Костромской, Владимирской, Ивановской обл. А=140;A - meteorological coefficient of altitude stratification of the atmosphere, at which the concentration of harmful substances in the atmosphere is maximum. For Moscow, Tula, Ryazan, Kostroma, Vladimir, Ivanovo reg. A = 140;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосфере [для мелкодисперсных аэрозолей F=1, для крупнодисперсных F≈3];F is a dimensionless coefficient that takes into account the sedimentation rate of harmful substances in the atmosphere [for finely dispersed aerosols F = 1, for finely dispersed F≈3];

m(f), n(f) - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья, зависящие от промежуточных параметров [f, νm, ν m . '

Figure 00000004
, fc - см. аналог стр 6. формулы 2.3; 2.4; 2.5; 2.6];m (f), n (f) - coefficients that take into account the conditions for the exit of the gas-air mixture from the mouth, depending on the intermediate parameters [f, ν m , ν m . ''
Figure 00000004
, f c - see the analogue of page 6. of formula 2.3; 2.4; 2.5; 2.6];

η - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (для перепада высот до 50 м η→1);η is a dimensionless coefficient taking into account the influence of the terrain (for a height difference of up to 50 m η → 1);

V 1 = π D 2 4 ν 0

Figure 00000005
- расход газовоздушной смеси, D[м] - диаметр устья, V one = π D 2 four ν 0
Figure 00000005
- the flow rate of the gas-air mixture, D [m] is the diameter of the mouth,

ν0 - средняя скорость выхода газов воздушной смеси;ν 0 is the average gas velocity of the air mixture;

ΔТ - разность между температурой газовоздушной смеси и температурой окружающего воздуха.ΔТ is the difference between the temperature of the gas-air mixture and the temperature of the surrounding air.

Недостатками аналога являются:The disadvantages of the analogue are:

- невозможность непосредственного использования формулы для площадных источников, к которым относится природный пожар;- the impossibility of directly using the formula for areal sources, which include a natural fire;

- большая величина методической ошибки, равная сумме относительных ошибок каждого параметра исходной формулы, что делает неприемлемым непосредственное использование аналога.- a large amount of methodological error, equal to the sum of the relative errors of each parameter of the original formula, which makes the direct use of the analogue unacceptable.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ определения концентрации углекислого газа в атмосфере». Патент RU №2422807 от 27.06.2011 г.The closest analogue to the claimed technical solution is the "Method for determining the concentration of carbon dioxide in the atmosphere." Patent RU No. 2422807 of 06/27/2011

В способе ближайшего аналога путем лабораторных наземных измерений выбирают равное количество смежных спектральных полос поглощения кислорода O2 и углекислого газа CO2 в ближнем инфракрасном диапазоне, осуществляют, с космического носителя, спектрометрические измерения на выбранных спектральных полосах светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают энергию регистрируемых сигналов в полосе кислородаIn the closest analogue method, an equal number of adjacent spectral absorption bands of oxygen O 2 and carbon dioxide CO 2 in the near infrared range are selected by laboratory ground measurements, spectrometric measurements are carried out from a space carrier on the selected spectral bands of the light flux reflected from the underlying surface and transmitted twice atmosphere, calculate the energy of the recorded signals in the oxygen band

Figure 00000006
Figure 00000006

и углекислого газаand carbon dioxide

Figure 00000007
Figure 00000007

вычисляют суммарные потери на затухание в полосах О2 и CO2 как разницу между энергией эталонного, по Планку, солнечного спектра в тех же полосах Wэтал2) и Wэтал(CO2) и энергией зарегистрированных сигналовcalculate the total attenuation loss in the O 2 and CO 2 bands as the difference between the energy of the reference, according to Planck, solar spectrum in the same bands W etal (O 2 ) and W etal (CO 2 ) and the energy of the recorded signals

ΔW(O2)=Wэтал(O2)-W(O2); ΔW(CO2)=Wэтал(CO2)-W(CO2),ΔW (O 2 ) = W etal (O 2 ) -W (O 2 ); ΔW (CO 2 ) = W etal (CO 2 ) -W (CO 2 ),

а концентрацию углекислого газа в атмосфере по трассе полета носителя в каждом кадре спектрометрических измерений рассчитывают из соотношенияand the concentration of carbon dioxide in the atmosphere along the flight path of the carrier in each frame of spectrometric measurements is calculated from the ratio

Figure 00000008
Figure 00000008

где O2[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;where O 2 [%] is the oxygen concentration in the atmosphere, equal to 21%;

Ii(O2), Ii(CO2) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов;I i (O 2 ), I i (CO 2 ) - the amplitudes of the recorded signals of each of the gases;

λi - средняя длина волны спектральной линии;λ i is the average wavelength of the spectral line;

n - количество спектральных линий в каждой полосе.n is the number of spectral lines in each band.

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

- локальность получаемых результатов измерений, привязанная только к трассе узкого луча зондирования;- the locality of the obtained measurement results, tied only to the path of a narrow sounding beam;

- однокомпонентная оценка загрязнения атмосферы углекислым газом, в то время, как выбросы природного пожара содержат множество вредных веществ, в том числе, в основном, высокодисперсные аэрозоли.- a one-component assessment of atmospheric carbon dioxide pollution, while emissions from a natural fire contain many harmful substances, including mainly highly dispersed aerosols.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в выделении контура пожара на генерализованном изображении подстилающей поверхности, калибровку пикселей яркости внутри контура пожара по эталонным спектрометрическим измерениям в значениях суммарного загрязнения атмосферы qΣ[мг/м3], расчет объема выбросов V[тонн] как произведения площади S контура пожара на среднестатистическое значение mΣ[мг/м3] суммарного загрязнения и метеорологический коэффициент стратификации атмосферы А=140 и высоту Н[м] источника выбросов.The problem solved by the claimed method consists in highlighting the fire contour on a generalized image of the underlying surface, calibrating the brightness pixels inside the fire contour according to standard spectrometric measurements in the values of total atmospheric pollution q Σ [mg / m 3 ], calculating the emission volume V [tons] as a product the area S of the fire contour by the average statistical value m Σ [mg / m 3 ] of the total pollution and the meteorological coefficient of atmospheric stratification A = 140 and the height N [m] of the source of emissions.

Поставленная задача решается тем, что способ определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров включает синхронную съемку подстилающей поверхности цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, установленными на космическом носителе, с положением входной щели спектрометра соосно центральному участку кадра видеоизображения, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости I(x,y), градиентного контура пожара на видеоизображении, расчет концентрации qΣ[мг/м3] вредных выбросов от пожара по измеренному гиперспектрометром эталонному затуханию светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода 761…767 нм, концентрация которого в атмосфере считается известной, и его затуханию в видимом диапазоне, построение гистограммы яркости пикселей внутри контура и их калибровку в значениях измеренной концентрации для пикселей центрального участка кадра видеоизображения, определение объема выбросов V[тонн]=mΣ·S·A·H, где mΣ[мг/м3] - средняя концентрация суммарного загрязнения по всем прокалиброванным пикселям контура пожара, S[м2] - площадь контура пожара, А - метеорологический коэффициент высотной температурной стратификации атмосферы, Н[м] - высота источника выбросов.The problem is solved in that the method for determining the amount of atmospheric emissions from natural fires includes synchronous shooting of the underlying surface with a digital video camera and hyperspectrometer mounted on a space carrier, with the position of the spectrometer entrance slit aligned with the central portion of the video image frame, the spatial brightness differentiation of the brightness function I (x , y), a gradient contour fire in the video image, the calculation of the concentration q Σ [mg / m3] of harmful emissions from a fire on the measured thrust With an spectrometer, the reference attenuation of a light beam that has twice passed through the atmosphere in an oxygen absorption band of 761 ... 767 nm, the concentration of which in the atmosphere is considered known, and its attenuation in the visible range, plotting a histogram of the pixel brightness inside the loop and calibrating them in measured concentration values for pixels in the central part of the frame video images, determination of the volume of emissions V [tons] = m Σ · S · A · H, where m Σ [mg / m 3 ] is the average concentration of total pollution over all calibrated pixels of the fire circuit, S [m 2 ] - fire contour area, A - meteorological coefficient of altitude temperature stratification of the atmosphere, N [m] - height of the source of emissions.

Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

фиг. 1 - исходное видеоизображение пожара с соосным положением щели спектрометра в кадре;FIG. 1 - the original video image of the fire with the coaxial position of the slit of the spectrometer in the frame;

фиг. 2 - характерный профиль радиояркостных температур над пожаром;FIG. 2 - a characteristic profile of radio brightness temperatures over a fire;

фиг. 3 - выделенные контуры градиентов функции яркости видеоизображения;FIG. 3 - selected contours of the gradients of the brightness function of the video image;

фиг. 4 - метод измерений затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу;FIG. 4 - a method for measuring the attenuation of a light flux that has twice passed through the atmosphere;

фиг. 5 - эталонный, по Планку, солнечный спектр (1), нормированный относительно максимума, и спектрограмма (2) реального пожара (одна из реализации);FIG. 5 - reference, according to Planck, the solar spectrum (1), normalized relative to the maximum, and the spectrogram (2) of a real fire (one of the implementation);

фиг. 6 - полоса поглощения светового потока молекулами кислорода атмосферы;FIG. 6 - absorption band of the light flux by atmospheric oxygen molecules;

фиг. 7 - гистограмма пикселей яркости в контуре пожара и их калибровка в значениях концентрации вредных примесей [мг/м3];FIG. 7 - a histogram of brightness pixels in the fire circuit and their calibration in the values of the concentration of harmful impurities [mg / m 3 ];

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

Природные пожары возникают при антициклональных условиях, малооблачной или безоблачной погоде. Селектируемым признаком лесного (торфяного) пожара является шлейф дыма, который хорошо просматривается на изображении при безоблачной погоде и площадь которого в десятки раз превышает площадь возгорания. В отраженном солнечном излучении шлейф дыма представляется более светлой (белесой) полосой, начинающейся от фронта пожара, фиг. 1. Кроме шлейфа дыма пожар характеризуется раскаленной поверхностью горящей древесины (пламя фронта) и остывающими углями (выгоревшая, тыловая часть).Natural fires occur under anticyclone conditions, cloudless or cloudless weather. A selectable sign of a forest (peat) fire is a plume of smoke, which is clearly visible in the image in cloudless weather and whose area is ten times the area of ignition. In reflected solar radiation, a plume of smoke appears to be a lighter (whitish) band starting from the front of the fire, FIG. 1. In addition to a plume of smoke, a fire is characterized by a red-hot surface of burning wood (front flame) and cooling coals (burned out, rear part).

На рисунке фиг. 2 представлен характерный профиль радиояркостых температур над пожаром.In the figure of FIG. Figure 2 shows the characteristic profile of radio brightness temperatures above a fire.

В соответствии с законом смещения Вина, длина волны, соответствующая максимуму теплового излучения нагретого тела, определяется из соотношения: λ max [ м к м ] = [ с = 2898  мкм ] / T max ° K

Figure 00000009
. Более 99% энергии излучения пожара приходится на невидимую инфракрасную область спектра. Максимум теплового излучения пожара (Т°К∈[1000°…1500°] приходится на интервал 2…3 мкм. Поэтому в диапазоне длин волн λ<2 мкм пожар не оказывает влияние на отраженное солнечное излучение. Дымы пожаров - это высокодисперсные аэрозоли с твердыми частицами. По изменению спектральной яркости определяют полосу размывания дыма по мере удаления от фронта источника. Изображение пожара содержит всю информацию о мощности источника: размеру площади задымления, концентрации аэрозолей и других вредных продуктов горения.In accordance with the Wien displacement law, the wavelength corresponding to the maximum of the thermal radiation of a heated body is determined from the relation λ max [ m to m ] = [ from = 2898 μm ] / T max ° K
Figure 00000009
. More than 99% of the radiation energy of the fire falls on the invisible infrared region of the spectrum. The maximum thermal radiation of the fire (T ° K∈ [1000 ° ... 1500 °] falls on the interval 2 ... 3 μm. Therefore, in the wavelength range λ <2 μm, the fire does not affect the reflected solar radiation. Smoke fires are highly dispersed aerosols with solid particles. By the change in spectral brightness, the smoke erosion band is determined as the distance from the source front. The image of the fire contains all the information about the source power: the size of the smoke area, the concentration of aerosols and other harmful combustion products.

Визуальное восприятие образа человеком-оператором происходит на уровне контурного рисунка. Контурный рисунок шлейфа дыма от пожара получают путем вычисления градиента скалярной функции яркости I(x,y) видеоизображения в каждой точке изображения какThe visual perception of the image by the human operator occurs at the level of the outline drawing. A contour drawing of a plume of smoke from a fire is obtained by calculating the gradient of the scalar brightness function I (x, y) of the video image at each image point as

Figure 00000010
Figure 00000010

[см., например, «Производная по направлению», в учебнике Н.С. Пискунов. «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, 5-е изд., т. 1, Наука, М., 1964 г., стр. 264-268]. Производные по направлению функции яркости задают векторное поле градиентов. Для получения контурного рисунка выбирают регулярный оператор с апертурой окна |2×2| элемента;[see, for example, “Derivative in direction,” in the textbook N.S. Piskunov. "Differential and integral calculus for technical colleges, 5th ed., Vol. 1, Science, M., 1964, pp. 264-268]. The directional derivatives of the brightness function define the vector field of the gradients. To obtain a contour drawing, a regular operator with a window aperture of | 2 × 2 | item;

i,ji, j i,j+1i, j + 1 i+1,ji + 1, j i+1,j+1i + 1, j + 1

Элементы окна связаны по диагоналям (двум взаимно ортогональным направлениям) операцией вычитания. Вычисляют оператор Робертса в каждой точке:Window elements are connected along diagonals (two mutually orthogonal directions) by a subtraction operation. The Roberts operator is calculated at each point:

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) |,

выводят на экран точки, для которых R(i,j)≥ порог [см., например. Дуда P.O., Харт П.Е. «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ, М., Мир, 1976 г. § 7-3, «Пространственное дифференцирование», стр. 287-288, рис. 7.3].displays points for which R (i, j) ≥ threshold [see, for example. Duda P.O., Hart P.E. “Pattern Recognition and Scene Analysis”, trans. from English, M., Mir, 1976 § 7-3, “Spatial differentiation”, pp. 287-288, Fig. 7.3].

При больших значениях пороговой величины возможна потеря существенной информации, пропадание края контурного рисунка. При малых значениях порога появляется недопустимое число ложных линий, многоконтурность. Величину порога в каждом конкретном случае выбирают исходя из интервала значений (функции яркости изображения). Выделенные контуры на изображении пожара (фиг. 1) иллюстрируются рисунком фиг. 3. Исходя из масштаба изображения определяют разрешение одного пикселя. Число пикселей изображения пожара, выделенного на фоне подстилающей поверхности, определяет площадь (S) распространения продуктов горения и мощность источника выбросов.At large values of the threshold value, the loss of essential information and the disappearance of the edge of the contour pattern are possible. With small threshold values, an unacceptable number of false lines appears, multi-circuit. The threshold value in each case is selected based on the range of values (image brightness function). The highlighted contours in the fire image (FIG. 1) are illustrated by the drawing of FIG. 3. Based on the image scale, the resolution of one pixel is determined. The number of pixels of the image of the fire highlighted against the underlying surface determines the area (S) of the distribution of combustion products and the power of the emission source.

Рассмотренный выше алгоритм реализуется следующей программой.The algorithm considered above is implemented by the following program.

Программа выделения контуров на изображении пожара.The program for selecting contours in the image of the fire.

Figure 00000011
Figure 00000011

Выделенные контуры изображения пожара иллюстрируются фиг. 3. Яркость пикселей внутри выделенного контура зависит от мощности выбросов, размеров пожара и шлейфа, фронтальной или тыловой части пожара, отображаемых в кадре [см., например, Л.И. Чапурский. «Отражательные свойства природных объектов в диапазоне 400…2500 нм», часть I, Мин. Обороны СССР, 1986 г., стр. 105-107, «Результаты измерений и расчетов КСЯ воздушной дымки»]. Следующей задачей является калибровка пикселей яркости в значениях концентрации вредных выбросов от пожара. В заявленном способе измерение концентрации вредных выбросов осуществляют по операциям ближайшего аналога, на основе анализа поглощения светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода (O2), концентрация которого в атмосфере равна 21%, и его поглощения вредными выбросами в видимом диапазоне. Способ спектрометрических измерений поглощения светового потока, дважды прошедшего атмосферу, иллюстрируется фиг.4. Для исчисления абсолютной величины затухания сигналов по трассе распространения в спектральных полосах измерений необходим эталон для сравнения. В качестве эталона используют функцию солнечного спектра I(λ) по Планку. Эталонная (по Планку) функция солнечного спектра, нормированная по интенсивности, иллюстрируется графиком фиг.5.The highlighted contours of the fire image are illustrated in FIG. 3. The brightness of the pixels inside the selected contour depends on the emission power, the size of the fire and the train, the front or rear of the fire displayed in the frame [see, for example, L.I. Chapursky. “Reflective properties of natural objects in the range 400 ... 2500 nm”, part I, Min. Defense of the USSR, 1986, pp. 105-107, “Results of measurements and calculations of the QWS of air haze”]. The next task is to calibrate the brightness pixels in the values of the concentration of harmful emissions from the fire. In the claimed method, the measurement of the concentration of harmful emissions is carried out according to the operations of the closest analogue, based on the analysis of the absorption of a light beam that has twice passed the atmosphere in the oxygen absorption band (O 2 ), the concentration of which in the atmosphere is 21%, and its absorption by harmful emissions in the visible range. The method of spectrometric measurements of the absorption of the light flux that has twice passed through the atmosphere is illustrated in Fig. 4. To calculate the absolute value of signal attenuation along the propagation path in the spectral bands of measurements, a reference is needed for comparison. The Planck function of the solar spectrum I (λ) is used as a reference. The reference (according to Planck) function of the solar spectrum, normalized in intensity, is illustrated in the graph of FIG. 5.

Энергию затухания светового потока за счет поглощения вредными выбросами по трассе распространения, дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают из соотношенийThe attenuation energy of the light flux due to the absorption of harmful emissions along the propagation path twice through the atmosphere is calculated from the relations

ΔW(O2)=Wэтал-W(O2); ΔW(пож)=Wэтал-W(пож)ΔW (O 2 ) = W etal- W (O 2 ); ΔW (po) = W etal -W (po)

где W(i) - энергия сигналов в спектральных полосах измерений,where W (i) is the energy of the signals in the spectral bands of the measurements,

Wэтал - энергия эталонного (по Планку) солнечного спектра в тех же спектральных полосах.W etal is the energy of the reference (according to Planck) solar spectrum in the same spectral bands.

Энергия одного кванта (по квантовой теории Планка) w=hν, где h - постоянная Планка, ν - частота. Поскольку длина волны λ=c/ν (с - скорость света), то энергия кванта w = h c λ

Figure 00000012
. 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), the quantum energy w = h c λ
Figure 00000012
. The full reference energy of the luminous flux is calculated by the Rayleigh ratio [see, for example, Zaezdny VM, “Fundamentals of calculations on statistical radio engineering”, Sviaz-izdat, M., 1964, pp. 93-94]

Figure 00000013
Figure 00000013

где I(λi) - амплитуда эталонного сигнала на спектральной линии λi;where I (λ i ) is the amplitude of the reference signal on the spectral line λ i ;

n - количество спектральных линий в полосе затухания, на которых проводят измерения.n is the number of spectral lines in the attenuation band on which measurements are made.

Устойчивость результата измерений, независимого от систематических ошибок, высоты Солнца, азимута зондирования, достигается также использованием метода отношений измеряемых величин, а именноThe stability of the measurement result, independent of systematic errors, the height of the Sun, the azimuth of sounding, is also achieved by using the method of ratios of measured values, namely

Figure 00000014
Figure 00000014

С учетом изложенного, приоритетное значение приобретает правильный выбор спектральных полос поглощения для кислорода (О2) и вредных выбросов пожаров.In view of the foregoing, priority is given to the correct choice of spectral absorption bands for oxygen (O 2 ) and harmful fire emissions.

В качестве канала сравнения выбрана полоса поглощения атмосферного кислорода ≈764 нм, наиболее близкая к полосе видимого диапазона. Полоса поглощения (пропускания) кислорода иллюстрируется графиком фиг. 6.The absorption band of atmospheric oxygen ≈764 nm, which is closest to the band of the visible range, was chosen as the comparison channel. The oxygen absorption (transmission) band is illustrated by the graph of FIG. 6.

По расчетной суммарной концентрации вредных выбросов, для пикселей центрального участка кадра видеоизображения, осуществляют их калибровку для всего выделенного контура. Гистограмма яркости пикселей и расчетные значения суммарного загрязнения пикселей центрального участка иллюстрируются графиком фиг. 7. Конкретные расчеты величин представлены в примере реализации.According to the calculated total concentration of harmful emissions, for the pixels of the central portion of the video frame, they are calibrated for the entire selected circuit. The histogram of pixel luminance and the calculated values of the total pixel pollution of the central portion are illustrated in the graph of FIG. 7. Specific calculations of quantities are presented in an example implementation.

Пример реализации способа.An 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 установлена цифровая видеокамера 2 для получения изображения подстилающей поверхности 3 видимого диапазона (типа «DCS 760») и соосный гиперспектрометр 4 (типа «Астрогон») с положением входной щели, соответствующей центральному участку изображения видеокамеры. Трассовую покадровую съемку запланированных регионов 3 осуществляют по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 5 из Центра управления полетом (ЦУП) 6 по радиолинии командного управления 7. Результаты измерений записывают в буферное запоминающее устройство 8 и по командам БКУ, в зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, сбрасывают по мобильному каналу связи 9 на пункты приема информации (ПЛИ) 10. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 11 информацию передают в Центр тематической обработки 12, где через устройство ввода 13 она вводится в ПЭВМ 14 в стандартном наборе элементов: процессор 15, винчестер 16, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 17, дисплей 18, принтер 19, клавиатура 20. Результаты измерений концентрации вредных примесей по трассе полета КА выводятся на сервер 21 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 digital video camera 2 is installed on the spacecraft to obtain an image of the underlying surface 3 of the visible range (such as “DCS 760”) and a coaxial hyperspectrometer 4 (such as “Astrogon”) with the position of the entrance slit corresponding to the central portion of the video camera image. Frame-by-frame shooting of the planned regions 3 is carried out according to commands from the onboard control complex (BCC) 5 from the Flight Control Center (MCC) 6 via the command control radio line 7. The measurement results are recorded in the buffer memory 8 and according to the BCC commands, in the spacecraft radio visibility zones from ground points, reset via the mobile communication channel 9 to the information reception points (PLI) 10. After the preliminary processing of the frames according to service signs (number of revolution, time of shooting, site coordinates) on the means 11 information distributed to the Thematic Processing Center 12, where through the input device 13 it is entered into the PC 14 in a standard set of elements: processor 15, hard drive 16, random access memory (RAM) 17, display 18, printer 19, keyboard 20. Results of measurements of the concentration of harmful impurities along the flight path, the spacecraft are displayed on the Internet server 21.

Гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет три параллельных спектральных канала, в видимом 0,3…0,4; 0,4…0,65 мкм и ближнем инфракрасном диапазоне 0,65…0,9 мкм со спектральным разрешением 1…50 нм, разрядностью квантования 12 бит и углом 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 three parallel spectral channels, in the visible 0.3 ... 0.4; 0.4 ... 0.65 μm and a near infrared range of 0.65 ... 0.9 μm with a spectral resolution of 1 ... 50 nm, a quantization resolution of 12 bits and a field of view of 0.11 ° [see, for example, “Small spacecraft "Volcano-Astrogon" with a high-resolution hyperspectrometer. " Engineering note, CANCER, NIIEM, STC "Reagent", pp. 8-10].

Минимальная яркость пикселей внутри контура изображения составила Imin=19, максимальная Imax=242, средняя Icp=116.The minimum brightness of the pixels inside the image path was I min = 19, the maximum I max = 242, the average I cp = 116.

При исходных данных трактов зондирования и полос поглощения кислорода (фиг. 6), эталонной по Планку функции солнечного спектра (фиг. 5(1)) и измеренным гиперспектрометром амплитудам сигналов (фиг. 5(2)) расчетные величины параметров приняли значения, представленные табл.1With the initial data of the sensing paths and oxygen absorption bands (Fig. 6), the Planck reference function of the solar spectrum (Fig. 5 (1)) and the signal amplitudes measured by the hyperspectrometer (Fig. 5 (2)), the calculated values of the parameters took the values presented in Table .one

Таблица 1Table 1 Тракт измеренийMeasurement path Полоса измерений, нмBand of measurements, nm Энергия эталонного сигнала, отн.ед.Energy of a reference signal, rel. Энергия регистрируемого сигналаSignal Energy ΔW затухание сигналаΔW signal attenuation Концентрация, %Concentration,% О2 About 2 Ближ. ИК-диапазон 7Middle IR range 7 0,140.14 0,080.08 0,060.06 21%21% Выбросы от пожаровFire emissions Видимый диапазон 300Visible Range 300 0,4540.454 0,44940.4494 0,00460.0046 1,6%1.6%

По измеренному процентному [%] содержанию вредных примесей пожара в атмосфере воздуха рассчитывают их максимальную концентрацию для пикселей центрального участка кадра изображения, в которых измерялось эталонное затухание светового потока в кислороде атмосферы.Based on the measured percentage [%] content of harmful impurities of the fire in the air atmosphere, their maximum concentration is calculated for the pixels of the central part of the image frame, in which the standard attenuation of the light flux in atmospheric oxygen was measured.

Известно, что один моль любого газа занимает объем, равный 22,4 л. Молярные веса окислов продуктов горения CO2=44 г, NO2=46 г, SO2=64 г… В первом приближении (с учетом высокодисперсных аэрозолей) средний молярный вес продуктов горения принят равным ~50 г/моль. Концентрацию вредных примесей исчисляют из соотношенияIt is known that one mole of any gas occupies a volume of 22.4 liters. The molar weights of the oxides of the combustion products CO 2 = 44 g, NO 2 = 46 g, SO 2 = 64 g ... In a first approximation (taking into account highly dispersed aerosols), the average molar weight of the combustion products is taken to be ~ 50 g / mol. The concentration of harmful impurities is calculated from the ratio

Figure 00000015
Figure 00000015

Минимальная концентрация вредных примесей по размытым краям шлейфа дыма mmin=0,29 г/м3.The minimum concentration of harmful impurities along the blurry edges of the smoke plume m min = 0.29 g / m 3 .

Средняя концентрация вредных примесей внутри контура пожараThe average concentration of harmful impurities inside the fire circuit

m ¯ = 1,72  г/м 3

Figure 00000016
. m ¯ = 1.72 g / m 3
Figure 00000016
.

Масштаб снимка видеоизображения фиг. 1 М:1 см = 1000 м. Площадь контура пожара (количество пикселей × разрешение пикселя) составляет: (фиг. 3) S=56·106 м2. Средняя высота (древостоя) источника выбросов [см., например, Н.П. Анучин. «Лесная таксация», 5-е издание, Москва, Лесная промышленность, 1982 г., стр. 206-213, § 44. Средняя высота насаждений Н=15 м]. Объем выброса пожара V = m ¯ S A H 2,04 10 5  т о н н

Figure 00000017
.The video image scale of FIG. 1 M: 1 cm = 1000 m. The area of the fire contour (number of pixels × pixel resolution) is: (Fig. 3) S = 56 · 10 6 m 2 . The average height (stand) of the source of emissions [see, for example, N.P. Anuchin. “Forest taxation”, 5th edition, Moscow, Timber industry, 1982, pp. 206-213, § 44. The average height of the stands H = 15 m]. Fire release volume V = m ¯ S A H 2.04 10 5 t about n n
Figure 00000017
.

Эффективность заявляемого способа характеризуется возможностью дистанционного определения объема выбросов от природных пожаров и документальностью (регистрограммы измерений + видеоизображение пожара) результатов оценок.The effectiveness of the proposed method is characterized by the ability to remotely determine the amount of emissions from natural fires and the documentary (register of measurements + fire video image) of the results of the estimates.

Claims (1)

Способ определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров включает синхронную съемку подстилающей поверхности цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, установленными на космическом носителе, с положением входной щели спектрометра соосно центральному участку кадра видеоизображения, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости I(х,у), градиентного контура пожара на видеоизображении, расчет концентрации qΣ[мг/м3] вредных выбросов от пожара по измеренному гиперспектрометром эталонному затуханию светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода 761…767 нм, концентрация которого в атмосфере считается известной, и его затуханию в видимом диапазоне, построение гистограммы яркости пикселей внутри контура и их калибровку в значениях измеренной концентрации для пикселей центрального участка кадра видеоизображения, определение объема выбросов V[т]=mΣ·S·А·Н, где mΣ[мг/м3] - средняя концентрация суммарного загрязнения по всем прокалиброванным пикселям контура пожара, S[м2] - площадь контура пожара, А - метеорологический коэффициент высотной температурной стратификации атмосферы, Н[м] - высота источника выброса. The method for determining the volume of atmospheric emissions from natural fires includes synchronous shooting of the underlying surface with a digital video camera and hyperspectrometer mounted on a space carrier, with the position of the spectrometer entrance slit coaxial to the central portion of the video image frame, spatial isolation of the brightness function I (x, y), gradient contour fire in the video image, the calculation of the concentration q Σ [mg / m3] of harmful emissions from a fire on the measured reference hyperspectrometer damped light beam that has twice passed the atmosphere in the oxygen absorption band of 761 ... 767 nm, the concentration of which in the atmosphere is considered to be known, and its attenuation in the visible range, the construction of a histogram of the pixel brightness inside the loop and their calibration in the values of the measured concentration for pixels of the central portion of the video image frame, determination of the emission volume V [t] = m Σ · S · A · N, where m Σ [mg / m 3 ] is the average concentration of total pollution over all calibrated pixels of the fire circuit, S [m 2 ] is the area of the fire circuit, A - meteorologist cal factor altitude temperature stratification of the atmosphere, H [m] - the height of the emission source.
RU2014122430/28A 2014-06-03 2014-06-03 Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires RU2578515C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014122430/28A RU2578515C2 (en) 2014-06-03 2014-06-03 Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014122430/28A RU2578515C2 (en) 2014-06-03 2014-06-03 Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014122430A RU2014122430A (en) 2015-12-10
RU2578515C2 true RU2578515C2 (en) 2016-03-27

Family

ID=54843179

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014122430/28A RU2578515C2 (en) 2014-06-03 2014-06-03 Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2578515C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619837C1 (en) * 2016-08-05 2017-05-18 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining the volume of emissions of gas components in the atmosphere

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2422807C1 (en) * 2010-04-02 2011-06-27 Государственное учреждение "Научный центр проблем аэрокосмического мониторинга" (ЦПАМ "АЭРОКОСМОС") Method of determining concentration of atmospheric carbon dioxide
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
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 (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2422807C1 (en) * 2010-04-02 2011-06-27 Государственное учреждение "Научный центр проблем аэрокосмического мониторинга" (ЦПАМ "АЭРОКОСМОС") Method of determining concentration of atmospheric carbon dioxide
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
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 (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2619837C1 (en) * 2016-08-05 2017-05-18 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining the volume of emissions of gas components in the atmosphere

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014122430A (en) 2015-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gross et al. Dual-wavelength linear depolarization ratio of volcanic aerosols: Lidar measurements of the Eyjafjallajökull plume over Maisach, Germany
Read et al. Aura Microwave Limb Sounder upper tropospheric and lower stratospheric H2O and relative humidity with respect to ice validation
Kristiansen et al. Remote sensing and inverse transport modeling of the Kasatochi eruption sulfur dioxide cloud
Eckmann et al. Using multiple endmember spectral mixture analysis to retrieve subpixel fire properties from MODIS
Léon et al. Profiling of a Saharan dust outbreak based on a synergy between active and passive remote sensing
Chazette et al. New approach for aerosol profiling with a lidar onboard an ultralight aircraft: application to the African Monsoon Multidisciplinary Analysis
Luo et al. Improving satellite retrieved night-time infrared sea surface temperatures in aerosol contaminated regions
Alexandrov et al. Retrievals of cloud droplet size from the research scanning polarimeter data: Validation using in situ measurements
Strandgren et al. Towards spaceborne monitoring of localized CO 2 emissions: an instrument concept and first performance assessment
Szczodrak et al. The effects of anomalous atmospheres on the accuracy of infrared sea-surface temperature retrievals: Dry air layer intrusions over the tropical ocean
Hu et al. A study of long-range transported smoke aerosols in the Upper Troposphere/Lower Stratosphere
RU2586939C1 (en) Method of determining index of state of atmosphere for anthropogenic pollution sources
Jäkel et al. Vertical distribution of the particle phase in tropical deep convective clouds as derived from cloud-side reflected solar radiation measurements
RU2578515C2 (en) Method of determination of volume of atmospheric emissions from natural fires
RU2460059C1 (en) Method of determining megapolis air pollution with harmful gases
Meléndez et al. Measurement of forest fire parameters with multi-spectral imaging in the medium infrared
RU2422807C1 (en) Method of determining concentration of atmospheric carbon dioxide
RU2468396C1 (en) Method of determining atmospheric aerosol concentration in megapolises
Reiche et al. Comparative study to evaluate three ground-based optical remote sensing techniques under field conditions by a gas tracer experiment
Broman et al. Common volume satellite studies of polar mesospheric clouds with Odin/OSIRIS tomography and AIM/CIPS nadir imaging
Noh et al. Vertically-resolved profiles of mass concentrations and particle backscatter coefficients of Asian dust plumes derived from lidar observations of silicon dioxide
Hansell et al. Remote sensing of mineral dust aerosol using AERI during the UAE2: A modeling and sensitivity study
RU2695086C1 (en) Method of measuring content of greenhouse gases in atmosphere
Naeger et al. Multiplatform analysis of the radiative effects and heating rates for an intense dust storm on 21 June 2007
RU2619837C1 (en) Method of determining the volume of emissions of gas components in the atmosphere

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160604