способ оценки загрязнения атмосферы
Классы МПК: | G01N33/00 Исследование или анализ материалов особыми способами, не отнесенными к группам 1/00 G01C11/04 расшифровка изображений G01C11/10 с использованием вычислительных устройств для контроля положения изображения G03B37/00 Панорамная фотосъемка и съемка широкоэкранных кинофильмов; фотографирование обширных поверхностей, например для топографической съемки; фотографирование полостей, например внутренней поверхности труб G01N21/00 Исследование или анализ материалов с помощью оптических средств, те с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей G06F17/14 преобразования Фурье, Уолша или аналогичные преобразования G06F17/15 вычисление корреляционных функций G06F17/16 матричные или векторные вычисления G06F17/17 вычисление функций приближенными методами, например интерполяцией или экстраполяцией, сглаживанием, методом наименьших квадратов A01G23/00 Лесное хозяйство |
Автор(ы): | Давыдов В.Ф., Щербаков А.С., Шалаев В.С., Мещерякова И.А., Маковская О.Ю. |
Патентообладатель(и): | Московский государственный университет леса |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-06-26 публикация патента:
10.08.1998 |
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286t.gif)
Формула изобретения
Способ оценки загрязнения атмосферы на основе дистанционного получения спектрозонального снимка региона, включающего контрольные промышленные площадки, отличающийся тем, что дополнительно преобразуют путем дискретизации аналоговые значения спектральной яркости I(x, y) в цифровые матрицы G, R изображений видимого диапазона размерностью![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-17t.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117065/8805.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-18t.gif)
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным измерениям индекса состояния атмосферы, и может найти применение в национальных системах экологического мониторинга. Для оценки уровня загрязнения атмосферы используют несколько показателей:максимальная разовая концентрация вредного вещества - примеси в воздухе, размерность мг/м3 или ПДК,
среднегодовое значение однокомпонентной примеси в воздухе и ее среднеквадратическое отклонение, мг/м3 или ПДК. Важнейшей проблемой является корректная оценка суммарного загрязнения в городах с множеством (до нескольких сотен ингредиентов) вредных веществ. Суммарный индекс состояния атмосферы рассчитывается по следующему соотношению:
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-3t.gif)
где
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-4t.gif)
ПДКi - предельно допустимая концентрация i-го вещества в атмосферном воздухе жилой зоны,
j - показатель степени изоэффективности вредного вещества, равный 0,85; 1; 1,3; 1,5 для веществ соответственно IV, III, II и I классов опасности (см. , например, Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России в 1994 г. Под редакцией Э.Ю. Безугловой, ГГО им. А.И. Воейкова, Санкт-Петербург, 1996). Обычно Im рассчитывают для пяти составляющих, определяющих основной вклад в суммарное загрязнение атмосферы при условии, что I1 > I2 > I3 > I4 > I5. Известен способ оценки индекса состояния лесных массивов, включающий дистанционное измерение спектральной яркости растительного полога, расчет хроматических коэффициентов r, g, характеризующих содержание или степень разрушения хлорофилла и каротина в хвое, листве и оценку по соотношению хроматических коэффициентов r/g индекса состояния в условных баллах (см. патент РФ N 2038001, кл. A 01 G 23/00, 1995, аналог). Недостатком аналога является невозможность непосредственного использования для оценки индекса состояния атмосферы. Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является способ оценки концентрации загрязняющих веществ на основе лидарного зондирования (см. , например, Мониторинг источников загрязнений. В кн.: Р. Межерис. Лазерное дистанционное зондирование. Перевод с англ. М.: Мир, 1987, с. 455 - 460). В способе ближайшего аналога:
зондируют участок атмосферы импульсами лидара на контролируемой трассе;
принимают по первому каналу сигнал основного излучения за счет упругого обратного рассеяния;
принимают по второму каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул основного газа атмосферы N2 или O2;
принимают по третьему каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул загрязняющего вещества NO2 или CO2;
нормируют сигнал комбинационного рассеяния от молекул загрязняющего вещества по обратному сигналу комбинационного рассеяния от молекул основного газа;
по известной концентрации молекул основного газа в атмосфере и по пронормированному отношению сигналов обратного рассеяния получают концентрацию загрязняющего вещества. Недостатками ближайшего аналога являются
невозможность получения интегральной оценки состояния атмосферы по всем ингредиентам одновременно;
локальность получаемых результатов оценок, привязанных только к трассе распространения луча зондирования;
необходимость генерации энергии для активного зондирования атмосферы в выбранном участке светового диапазона. Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении возможности оперативной дистанционной количественной оценки индекса состояния атмосферы региона и скорости его флуктуаций по пространственным координатам. Поставленная задача достигается тем, что в способе оценки загрязнения атмосферы на основе дистанционного получения спектрозонального снимка региона, включающего контрольные промышленные площадки, дополнительно преобразуют путем дискретизации аналоговые значения спектральной яркости I (x, y) в цифровые матрицы G, R изображений видимого диапазона размерностью
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-5t.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117065/8805.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-6t.gif)
статистическая устойчивость результатов интегральной оценки;
документальная достоверность проведенных оценок, возможность зонирования территории региона по уровням ПДК и их визуализация для потребителя;
верификация системы наземных измерений, выбор оптимальной стратегии локальных измерений на местности. Это позволяет утверждать, что заявляемый способ удовлетворяет критерию "Изобретательский уровень". Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере зависит от множества факторов: количества источников, объема выбросов, скорости ветра, градиента температур, времени года, суток, инфраструктуры региона. Поэтому результат любого локального измерения на местности представляется величиной случайной. Относительная методическая погрешность измерений, вычисленная как полный дифференциал функциональной зависимости концентрации вредного вещества по варьируемым факторам, составляет порядка 45% по амплитуде и порядка 0,35 км по координате (см., например, Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Общесоюзный нормативный документ, ОНД-86, Гидрометеоиздат, Л., 1987, с. 3 - 22). Следовательно, оценка состояния атмосферы региона по единичным измерениям является статистически неустойчивой. Ввиду высокой стоимости и трудоемкости метода забора проб с последующим химическим анализом при множестве ингредиентов и контрольных точек на местности получить оперативную и достоверную оценку состояния не представляется возможным. Полной характеристикой случайной величины является ее функция распределения вероятностей. Статистически устойчивая оценка загрязнения атмосферы должна предусматривать нахождение функции распределения вероятностей индекса состояния. В этом плане метод дистанционного зондирования из космоса обеспечивает существенные преимущества. Загрязнение атмосферы в городах непосредственно над промышленными площадками достигает значений единиц и даже десятков ПДК. Физически это проявляется в увеличении количества частиц антропогенного происхождения в воздухе, увеличении мутности атмосферы, образовании смогов. При съемке из космоса мутность атмосферы определяет интервал изменений коэффициента спектральной яркости системы "атмосфера - подстилающая поверхность". Взаимодействие солнечного излучения с антропогенными частицами происходит на молекулярном уровне. У сложных молекул органического и фотохимического происхождения наблюдается уширение полос разрешенных энергетических уровней. При поглощении молекулами фотонов с большой энергией (h
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117001/957.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117001/957.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117065/8805.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-7t.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-8t.gif)
После сортировки получают результирующую матрицу и вычисляют ее числовые характеристики: математическое ожидание, дисперсию. Известными математическими процедурами (см., например, Вычисление статистик случайной выборки. В кн. : Справочник по математике. Г. Корн, Т. Корн. Перевод с англ. М.: Наука, 1979, с. 537 - 539) получают гистограмму выборочного распределения вероятностей уровня яркостей результирующего R-изображения. На фиг. 1 представлена одна из реализаций выборочного распределения, нормированная относительно стандартного отклонения (I/
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117068/963.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-9t.gif)
В связи с разработкой и практическим применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) вся процедура вычисления автокорреляционной функции индекса состояния атмосферы может быть автоматизирована. Для этого предварительно вычисляется двумерный пространственный спектр G (fx, fy) результирующей матрицы
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-10t.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-11t.gif)
Данная операция входит в состав специализированного комплекса программ ER MAPPER-5.0 (см. Пакет программ для обработки изображений в науках о Земле, GENASYS, Inc., San Diego, USA). Интегрированием двумерного пространственного спектра по кольцевым сегментам, в соответствии с программным расчетом (см., например, Методы и аппаратура цифровой обработки изображений, версии 2.1, 2.2. Маски интегрирования Фурье-спектра, технический отчет, МГУ, 1986, с. 61 - 64) выделяется огибающая пространственного спектра G (1/L) в функции пространственного периода (L). Энергетический спектр сигнала S (F) связан с его амплитудным спектром G (1/L) соотношением
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-12t.gif)
где
AB - интервал определения функции G (1/L), в данном случае линейные размеры снимка региона (см. , например, Заездный А.М. Основы расчетов по статистической радиотехнике. Связь-издат, М., 1969, с. 93, формула 7.30). Так как энергетический спектр сигнала - четная функция частоты (отрицательных частот быть не может), то автокорреляционная функция рассчитывается как косинус преобразования от энергетического спектра
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-13t.gif)
Последний интеграл вычисляется программным расчетом (см., например, В.П. Дьяконов. Справочник "Система MATH CAD, Радио и связь". М., 1993, с. 61). Пример реализации способа. Заявляемый способ может быть реализован по функциональной схеме фиг. 2. Структура технических средств включает орбитальный комплекс 1 с размещенным на нем длиннофокусным фотоаппаратом 2 (типа КФА-1000), осуществляющим съемку площадных (от 50 x 50 до 200 x 200 км) объектов 3, содержащих контрольные промышленные площадки 4. Включение фотоаппарата 2 над заданными районами наблюдения 3 осуществляется от бортовой системы управления 5 по программам, передаваемым из Центра управления полетом 6 посредством радиоканала управления 7. Отснятые кадры с экологической обстановкой районов наблюдения оперативно в составе отстреливаемых капсул 8 доставляются в ЦУП. После проявки отснятые кадры поступают в Центр обработки информации 9. Каждый снимок региона 10 последовательно через сканирующее устройство ввода информации 11 (типа Panasonik) в виде цифровых измерительных файлов (матриц m x n) R и G изображений записывается в оперативное запоминающее устройство процессора 12. Комплект программ специализированной цифровой обработки изображений ER MAPPER 5.0, MATH KAD, записывается на винчестер 13. Обработанные массивы информации (результирующих матриц) в виде гистограмм распределений, спектров Фурье, автокорреляционных функций визуализируются на дисплее 14 с распечаткой и документированием результатов расчетов на цветном принтере 15 (типа UGA). В качестве ПЭВМ обработки изображений используются станции типа SUN или IBM PC 486/487. На фиг. 1 представлена гистограмма распределения индекса состояния атмосферы г. Сергиев Посад, полученная при обработке спектрозонального снимка Московского региона. Числовые характеристики обрабатываемого участка изображения были следующими: размер введенного в ПЭВМ участка изображения 4,3 x 4,3 см, масштаб снимка 1 см : 1,7 км. Размер отсканированной матрицы 675 x 675 элементов, пространственное разрешение 10,8 м на пиксел. В диапазоне изменения значений квантованных уровней яркости изображения 0 - 256 математическое ожидание электрического сигнала матрицы составило 203,9, а стандартное отклонение 61. Поскольку при изменении условий съемки (время года, суток, азимут, высота Солнца) меняется яркость изображения, то гистограмму распределения строят в значениях яркости, пронормированных относительно стандартного отклонения (I/
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117068/963.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117049/916.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-14t.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-15t.gif)
Из графика фиг. 1 находят, что для площади "хвоста" кривой, равной 0,1, отношение
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117286/2117286-16t.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117068/963.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117068/963.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117002/8776.gif)
![способ оценки загрязнения атмосферы, патент № 2117286](/images/patents/354/2117001/183.gif)
Класс G01N33/00 Исследование или анализ материалов особыми способами, не отнесенными к группам 1/00
Класс G01C11/04 расшифровка изображений
Класс G01C11/10 с использованием вычислительных устройств для контроля положения изображения
Класс G03B37/00 Панорамная фотосъемка и съемка широкоэкранных кинофильмов; фотографирование обширных поверхностей, например для топографической съемки; фотографирование полостей, например внутренней поверхности труб
Класс G01N21/00 Исследование или анализ материалов с помощью оптических средств, те с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей
Класс G06F17/14 преобразования Фурье, Уолша или аналогичные преобразования
Класс G06F17/15 вычисление корреляционных функций
Класс G06F17/16 матричные или векторные вычисления
Класс G06F17/17 вычисление функций приближенными методами, например интерполяцией или экстраполяцией, сглаживанием, методом наименьших квадратов
Класс A01G23/00 Лесное хозяйство