Содержание к диссертации
Введение
1 Мониторинг лесных пожаров и их последствий. Возможности применения крупномасштабных цифровых фотосъемок при локальных пожарных экспериментах 9
1.1 Общая характеристика и параметры распространения лесных пожаров 9
1.2 Экологические последствия лесных пожаров 13
1.3 Методы мониторинга лесных пожаров и их последствий 17
1.4 Натурно-модельные эксперименты по изучению лесных пожаров и области применимости цифровых фотосъемок 25
1.4.1 Особенности проведения натурно - модельных экспериментов 25
1.4.2 Структура данных об экспериментальных участках 27
1.4.3 Области применимости цифровых съемок при локальных экологических исследованиях 33
1.5 Выводы 52
2 Информационное обеспечение натурных экспериментов при моделировании лесных пожаров на основе материалов цифровых фотосъемок 54
2.1 Способы проведения цифровых фотосъемок в условиях комплексных натурных экспериментов 54
2.2 Методики обработки материалов цифровых съемок 57
2.2.1 Формирование фотосхем 57
2.2.2 Определение проективного покрытия по материалам цифровой съемки с близких расстояний 61
2.2.3 Формирование анаглифических стереомоделей 63
2.2.4 Создание мультимедийной базы данных по изучению лесных пожаров 65
2.3 Опыт применения крупномасштабных фотосъемок при натурных экспериментах в сосняках Средней Сибири 71
2.3.1 Лесоводственно-таксационное и геоботаническое описания экспериментальных участков 71
2.3.2 Характеристика моделируемых пожаров 75
2.3.3 Результаты натурно-модельных экспериментов в сосняках Средней Сибири 80
2.4 Выводы 85
3 Исследование особенностей распространения искусственных дымовых шлейфов по материалам синхронной наземной цифровой стереофотосъемки 87
3.1 Моделирование дымовых шлейфов 87
3.2 Особенности методики проведения цифровой наземной стереофотосъемки для регистрации пространственно-временной изменчивости геометрии искусственных дымовых шлейфов 89
3.3 Исследование динамики распространения дымовых шлейфов 102
3.4 Выводы 109
Заключение 111
Список использованных источников 112
Приложение А 112
Приложение Б 126
Приложение В 127
Приложение Г 128
- Методы мониторинга лесных пожаров и их последствий
- Формирование фотосхем
- Результаты натурно-модельных экспериментов в сосняках Средней Сибири
- Исследование динамики распространения дымовых шлейфов
Введение к работе
Актуальность темы. Важным фактором в локальных, региональных и даже глобальных экологических процессах являются лесные пожары Планирование охраны лесов от пожаров, а также использование огня в различных целях лесного хозяйства должно регламентироваться применительно к конкретным лесным экосистемам, ландшафтам и лесорастительным зонам. Для этого необходимы исследования природы пожаров, условий их возникновения и распространения, а также лесоводственных, экологических и экономических последствий воздействия огня на компоненты экосистемы.
Оценка последствий пожаров необходима для устойчивого управления лесными ресурсами, охраны окружающей среды, поддержания видового разнообразия, а также прогноза динамики восстановления растительности и принятия мер по смягчению последствий изменения климата
Регулярная оценка пройденных огнем площадей в России выполняется службой охраны лесов Для этих целей активно развиваются технологии применения материалов дистанционного зондирования Тем не менее, получение ряда важных сведений, характеризующих процесс распространения пожаров и оценку их последствий на естественных пожарах, затруднено, поэтому необходимы натурные эксперименты Их реализация выполняется при контролируемых выжиганиях небольших лесных участков, а для имитации дымовых шлейфов используются мобильные генераторы Проведение натурных экспериментов в реальных природных условиях позволяет получить комплекс объективных данных, необходимых для построения компьютерных прогностических моделей
Эффективным средством информационного обеспечения локальных натурных экспериментов являются цифровые наземные стереосъемки, которые дают возможность детально изучать различные компоненты биоценоза и незаменимы при отслеживании динамических процессов, сопровождающих пожары Поэтому проблема информационного обеспечения локальных экологических исследований является актуальной
Целью диссертационной работы являлась разработка научно-методических основ информационного обеспечения локальных экологических исследований при натурном моделировании лесных пожаров по материалам цифровых крупномасштабных фотосъемок
Задачами исследований являлись:
определение возможностей и организационных форм использования материалов крупномасштабных цифровых съемок при проведении локальных экологических исследований,
разработка методики информационного обеспечения комплексных натурных экспериментов по контролируемому выжиганию лесных участков для выявления природы пожаров и их экологических последствий,
установление особенностей пространственно-временного распространения дымовых шлейфов, имитируемых генератором регулируемой дисперсности для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесных пожарах,
получение и систематизация цифровых фотоматериалов натурно-модельных экспериментов для изучения последствий лесных пожаров
Объектом исследований являются комплексные натурно-модельные эксперименты по выжиганию лесных участков, а предметом исследования -методика информационного обеспечения локального мониторинга лесных пожаров по материалам цифровых наземных фотосъемок
Теоретическую и методологическую базу исследования составляют труды по исследованию природы пожаров и их последствий, теория и методы цифровой фотограмметрии, алгоритмы цифровой обрабогки изображений В качестве программного обеспечения использовались Adobe Photoshop, Erdas Imagine, 3D Images, SDS (СГГА), Mapmfo Professional, Golden Software Surfer, S12
Информационную базу исследования составили обширные материалы натурных наблюдений и цифровых наземных съемок лесных участков Красноярского края, на которых проводились контролируемые выжигания
Научная новизна работы:
впервые применены цифровые фотосъемки разных масштабов для информационного обеспечения натурно-модельных экспериментов по контролируемому выжиганию лесных участков, которые обеспечили получение новых сведений о геоморфологических и геоботанических характеристиках участков, важных для оценки экологических последствий лесных пожаров,
выявлены некоторые особенности пространственно-временного распространения дымовых шлейфов, имитируемых генератором регулируемой дисперсности, по материалам цифровой синхронной стереофотосъемки, необходимые для оценки мощности эмиссий аэрозолей при лесных пожарах,
для отслеживания послепожарных сукцессии на экспериментальных лесных участках Красноярского края сформирована мультимедийная база данных, включающая фотоматериалы, на которых зафиксирована объективная информация о состоянии участков в разные годы, в том числе до проведения пожара
Теоретическая значимость. Предлагаемая методика информационного обеспечения по материалам цифровых фотосъемок позволяет получить новые объективные сведения об экологических особенностях территорий, в частности при комплексных натурных экспериментах по выжиганию лесных участков и имитации дымовых шлейфов
Практическая значимость. Предложенные методики реализованы при выполнении международного проекта 99-ICA-076 «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири» и интеграционного проекта СО РАН «Аэрозоли Сибири - 2» Накоплена обширная информационная 4
база данных для отслеживания динамики восстановления растительного покрова после воздействия пожара Даны рекомендации по проведению цифровых крупномасштабных съемок в условиях натурных экспериментов для оперативного сбора данных
Апробация работы и публикации. Реализация результатов исследований осуществлена при выполнении следующих НИР:
совместный российско-американский проект 99-ICA-076 «Оценка и мониторинг воздействия гарей и интенсивности пожаров на эмиссии, баланс углерода, состояние и устойчивость лесов Средней Сибири»;
«Аэрозоли Сибири - 2 Гетерогенная химия и физика атмосферы Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы» (интеграционный проект СО РАН)
Результаты исследований были представлены на научно-технической конференции «Проблемы метрологического обеспечения топографо-геоде-зического производства и землеустроительных работ» (Новосибирск, 2001); «IX Рабочая группа Аэрозоли Сибири» (Томск, 2002), Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 2003), 5-й Международной конференции «Природные пожары возникновение, распространение, тушение и экологические последствия» (Томск, 2003); научно-практической конференции «Дальнейшее совершенствование природной, техногенной и пожарной безопасности населения и территорий — устойчивое развитие Сибирского региона» (Новосибирск, 2004); Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2005» (Новосибирск, 2005), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2006» (Новосибирск, 2006), 3-й Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии» (Томск, 2006); 2-й Международной научно-практической конференции «Геопространственные технологии и сферы их применения» (Москва, 2006), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007)
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 13 научных работах, из них 1 - в ведущем рецензируемом журнале, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определяемый Высшей аттестационной комиссией
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений Объём рукописи составляет 129 страниц, включает 5 таблиц, 45 рисунков, 4 приложения и список использованной литературы, содержащий ПО источников, в том числе 17 иностранных
Методы мониторинга лесных пожаров и их последствий
Мониторинг лесных пожаров предназначен для решения комплекса функциональных задач, связанных с оценкой и прогнозом пожарной опасности в лесах, обнаружением и контролем динамики лесных пожаров, послепо-жарной инвентаризацией лесов, управлением работой лесопожарных служб [46]. Существующая в России система борьбы с огнем обеспечивает соответствующий современным требованиям уровень противопожарной защиты лесов лишь на ограниченных территориях европейской части России, Сибири и Дальнего Востока. Для организации и поддержания системы по обнаружению и тушению лесных пожаров на всей территории лесного фонда России имеющихся ресурсов недостаточно. В результате, оперативность обнаружения возникающих пожаров и принятия мер по их ликвидации, особенно на неохраняемых территориях, постоянно снижается [47].
Мероприятия по обнаружению лесных пожаров проводят по следующим направлениям:
- патрулирование лесов (наземное и авиационное) с целью своевременного обнаружения лесных пожаров;
- наблюдение за лесными массивами с пожарных наблюдательных вышек (мачт), пунктов;
- анализ изображений со спутников Земли для обнаружения очагов возгорания и определения площадей распространения.
Наземное патрулирование проводится лесной охраной, механизированными отрядами на автомашинах, мотоциклах, велосипедах, катерах и других средствах. При этом патрульная группа или лесник должны иметь подручные средства для самостоятельной ликвидации пожара.
Наземная охрана лесов наибольшее развитие получила в регионах страны с развитой инфраструктурой. Она осуществляется силами и средствами лесхозов, в составе которых функционирует до 2,6 тыс. пожарно-химических станций и до 2,2 тыс. пожарных наблюдательных вышек. К районам наземной охраны отнесено около 210 млн. га, в том числе к районам наземной охраны без авиапатрулирования лесов - 35 млн. га.
Доминирующую роль в обнаружении и тушении лесных пожаров в течении нескольких десятилетий играла авиационная охрана лесов. Авиацией обнаруживалось до 70 % всех пожаров, возникающих на всей обслуживаемой ею территории лесного фонда и до 95 % пожаров в районах преимуществен ного применения авиационных сил и средств пожаротушения. С применением авиации ликвидировалось до 45 % пожаров, возникающих на всей обслуживаемой авиацией территории, и до 95 % пожаров в районах преимущественного применения авиационных сил и средств пожаротушения.
Среди методов контроля состояния лесов, с точки зрения оперативного обнаружения пожаров на ранней стадии их развития, наряду с широко известными наземными системами наблюдения (визуальными, телевизионными и т. п.) и авиационным патрулированием в последнее десятилетие все более широкое применение находят системы спутникового мониторинга. Также спутниковая аппаратура позволяет получать ряд параметров состояния поверхности земли и приземного слоя атмосферы, таких как радиационная температура поверхности, влажность воздуха, скорость и направление ветра, распределение давления.
Космические средства обеспечивают решение следующих основных задач:
а) раннее обнаружение возникающих лесных пожаров с определением их координат, площади очагов горения, и оперативное доведение информации до потребителей;
б) наблюдение за динамикой развития ранее обнаруженных лесных пожаров с определением направлений перемещения и скорости поступательного движения кромки пожара;
в) энергетическая диагностика кромки лесных пожаров с оценкой уровня интенсивности тепловыделения;
г) определение метеорологических параметров атмосферы (облачность, очаги гроз, температура воздуха, поле ветра);
д) оценка степени пожарной опасности для прилегающих к зоне пожара участков насаждений и прогнозирование развития лесных пожаров;
е) послепожарная инвентаризация лесов.
В России активно развивались методы и технологии анализа и обработки спутниковых данных для решения задач мониторинга лесных пожаров. Был создан ряд систем для обеспечения работ по организации обнаружения и тушения лесных пожаров на федеральном и региональном уровне, и на их основе разработана система спутникового мониторинга пожаров в интересах службы авиационной охраны лесов России от пожаров (ФГУ «Авиалесоох-рана»). В 2000 г. при поддержке программы «TACIS» были созданы центры приема и обработки данных NOAA в Центральной и Иркутской базах авиа-лесоохраны. За время эксплуатации системы апробированы не только методики обработки спутниковых данных, но и методы их использования в работе авиаохраны, что позволяет эффективно использовать спутниковый мониторинг в оперативной практике [48].
До 2003 г. космическая компонента системы мониторинга лесных пожаров базировались на данных метеорологических спутников NOAA и радиометров высокого разрешения AVHRR, наблюдающих одну и ту же территорию несколько раз в сутки [49].
Перспективность использования данных спутников серии NOAA обусловлена, прежде всего, высокой периодичностью поступления информации (до 4 раз в сутки), шириной полосы обзора, наличием точной географической привязки в пределах всего изображения, широким спектральным диапазоном, а также доступной информации.
Данные сканерной съемки радиометра AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), а так же данные микроволнового зондирования атмосферы комплексом TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder) позволяет отследить формирование и развитие крупномасштабных атмосферных образований, таких как атмосферные фронты, циклоны, антициклоны, штормовые ветры.
Съёмка AVHRR в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах позволяет следить за динамикой распределения индекса зелёной растительности (Normalized Difference Vegetation Index, NDVI) - показателем развития вегетирующей биомассы, а также показателем влагообеспеченности. Анализ данных NDVI позволяет проводить классификацию территорий, в том числе исследовать послепожарную динамику поврежденных участков леса.
Данные инфракрасного и теплового диапазона радиометра AVHRR используются для детектирования и мониторинга действующих лесных пожаров. Разработаны алгоритмы обработки изображений AVHRR, позволяющие дешифрировать термически активные точки, определять их точные координаты, а также площади. Вероятность обнаружения крупных лесных пожаров 90%, при этом с вероятностью порядка 50% фиксируется малоразмерные высокоэнергетические источники теплового излучения. Минимальный экспериментальный пожар, зафиксированный с использованием аппаратуры AVHRR, составлял 6 га.
Комбинация трёх каналов AVHRR (видимого, ближнего инфракрасного и теплового) позволяет фиксировать дымовые шлейфы от действующих лесных пожаров, проводя оценку возможных эмиссий аэрозолей.
Съёмка в видимом и инфракрасном диапазонах также используется для вычисления индекса снега и льда, что позволяет выделять зоны активного снеготаяния, как критерия начала пожароопасного сезона. К основным характеристикам съёмочной платформы относятся: тип орбиты (полярная), её высоты (870 км) и количество находящихся на орбите спутников (до 4 одновременно), что позволяет контролировать почти каждую точку поверхности земного шара с периодичностью до десяти и более раз в сутки, наличие в приборе AVHRR спектрального канала 2,75 мкм (частота, близкая к максимальной интенсивности инфракрасного излучения лесных пожаров), а также каналов в видимой и дальней ИК области спектра (что позволяет разделять пожары, некоторые атмосферные фоны и поверхностные объекты не различимые в канале 2,75 мкм) [50].
Появление новых космических систем (TERRA/AQUA) с радиометром среднего пространственного разрешения MODIS и развитие телекоммуникационных сетей существенно расширили возможности космических средств и методов наблюдения за лесными пожарами. Таким образом, материалы дистанционного зондирования активно используются не только для обнаружения лесных пожаров, но и для отслеживания распространения дымовых шлейфов.
Формирование фотосхем
Научные исследования об изучении лесных пожаров и их влиянии на лесной биоценоз являются многолетними и направлены на выявление особенностей восстановления растительного покрова после пожаров, поэтому целесообразно выполнять повторные (через 1, 2, 3 года) панорамные и стереофотосъемки. Анализ таких изображений на разные даты позволит отслеживать динамику детальных изменений растительного покрова.
Во многом этому будут способствовать адаптированные к условиям проведения экспериментов предложенные способы выполнения цифровых фотосъемок разных масштабов. Для обработки материалов съемок подобран набор оптимальных программных средств и алгоритмов обработки получаемых изображений (рисунок 9), что обеспечило получение оперативной (по сравнению с визуальным геоботаническим описанием) и объективной информации о состоянии растительности и рельефа до и после пожара.
При выборе программных средств руководствовались принципами их доступности для специалистов, изучающих природную среду и достижения необходимого качества результата.
Формирование фотосхем по материалам панорамной съемки осуществляется программными средствами Photoshop. Компоновка отдельных снимков в цельное панорамное изображение выполняется по идентичным объектам, находящимся в зоне перекрытия соседних снимков. Этапы формирования панорамных фотосхем в Photoshop: 1. открытие меню программы Файл - Автоматизация- Объединение фото. В появившимся окне выбираем все фотоснимки, относящиеся к панораме (рисунок 10).
Далее открывается окно приложения Photomerge и программа пытается автоматически найти на фотоснимках идентичные точки, по которым можно выполнить состыковку. Однако, т.к. на снимках изображена густая лесная растительность, программа выдает сообщение, что Photomerge не сможет автоматически скомпоновать изображения в единое панорамное. Поэтому выполняется ручная приближенная состыковка снимков по визуально наблюдаемому совпадению контуров (рисунок 11). После этого на основе вычислительных операций приложение формирует панорамную фотосхему (рисунок 12).
Заданные заранее параметры съемки сводят взаимные перспективные искажения соседних снимков к минимуму. Формирование нескольких фотосхем, снятых с базовых точек, расположенных на разных сторонах участка обеспечивает полное представление об участке в целом. Рассматривая такие фотосхемы на мониторе с последовательным увеличением выбираемых зон, можно идентифицировать объекты размером до 1 см и даже крупнее за счет использования при съемке цифровых фотоаппаратов с большим разрешением. Детальность объектов на фотоизображении даже превышает степень подробности геоботанических описаний.
Результаты натурно-модельных экспериментов в сосняках Средней Сибири
Эксперименты по моделированию пожаров в сосняках проводились при непосредственном участии соискателя в период с 2002 по 2006 год в рамках международного проекта.
На экспериментальных участках до и после пожара определяли запасы напочвенных горючих материалов, упавших древесных материалов по классам их размера и кроновых горючих материалов в соответствии с методиче скими приемами, описанными ранее (Курбатский, 1962, 1970; McRae, Alexander and Stocks 1979). Также, на тринадцати участках выполнена крупномасштабная цифровая съемка и геодезические работы в соответствии с разработанными методиками. Для каждой из площадок по результатам геодезических измерений сформированы цифровые модели рельефа (ЦМР) средствами программы Surfer.
Образцы напочвенных горючих материалов: мхи, лишайники, опад, лесная подстилка, кустарнички и самосев, не превышающий их по высоте, отбирали на равномерно расположенных площадках 25 х 20 см послойно. Всего было заложено на каждом экспериментальном участке по 25 учетных площадок и взято более 150 образцов.
Общие запасы напочвенных ЛГМ на экспериментальных участках в среднетаежных сосняках составили 4,9-5,3 кг/м2, а в южнотаежных от 3,8 кг/м2 (участок 5 X) до 4,9 кг/м (участок 2 Г). Запасы определяются синузи-альной структурой живого напочвенного покрова. В тоже время, запас горючих материалов зависит не только от структуры напочвенного покрова, но и обусловлен плотностью покрова на единицу площади.
Мозаичная структура живого напочвенного покрова на экспериментальных участках хорошо выражена. Она обусловлена микрорельефом и постоянно корректируется давностью и интенсивностью последнего пожара. Моховой покров варьирует от 30 до 100%, доминирует мох Шребера. Лишайниковый покров развит также повсеместно. Проективное покрытие варьирует от 20 до 100%. Соотношение мхов и лишайников варьирует по участкам.
Методика определения запасов напочвенных ЛГМ. Структуру и запасы напочвенных ЛГМ определяли двумя способами.
В первом случае образцы напочвенных ЛГМ отбирали деструктивным методом (McRae et al., 1979) на каждой второй точке базовой сетки (1, 3, 5 и т.д.). Пробная площадка 20 х 25 см закладывается на расстоянии 2 м справа от базовой точки. Всего закладывалось по 25 площадок на каждом экспери ментальном участке, что позволяло получить довольно высокую точность определения запаса напочвенных ЛГМ. Сначала на площадке срезался живой напочвенный покров и собирался опад, находящийся на поверхности и сохранивший структуру (хвоя, кора, и т.п.) Затем отбирали мхи, лишайники и подстилку горизонтальными слоями (по 2 см) до минерального слоя почвы. Толщину всей органической подстилки измеряли с точностью 0,1 см на каждом углу площадки. Такой отбор образцов позволяет получить запасы напочвенных ЛГМ послойно и более точно.
Количество упавших древесных ЛГМ определялось методом пересеченных линий, теория которого разработана Ван Вагнером (Van Wagner, 1968) и Брауном (Brown, 1971). Процедура отбора образцов была разработана Д. Макреем (McRae et al., 1979). Метод заключается в определении классов диаметра элементов древесных ЛГМ, попавших в вертикальную плоскость пересечения с пробной линией. Все упавшие древесные ЛГМ разделены на следующие размерные классы: 0,0-0,49; 0,5-0,99; 1,0-2,99; 3,0-4,99; 5,0-6,99; 7,0 см и более.
С целью наблюдения и фиксирования динамики восстановления растительного покрова созданы цифровые панорамные фотосхемы как до проведения пожарных экспериментов, так и в последующие годы. Фотосхемы сформированы с высоким разрешением и обеспечивают хороший обзор местности. В приложении Б, в качестве примера, представлены три фотосхемы, отражающие состояние растительного покрова одной из площадок до выжигания и спустя 2 и 3 года, они получены с тех же закрепленных на местности точек. Увеличенные фрагменты панорамных фотосхем приведены для демонстрации степени детальности отображения растительного разнообразия, в частности, на них различима структура коры деревьев, мелкие ветки, листья и т.д. Визуальный анализ таких фотосхем показывает изменение структуры растительного покрова после пожара.
На всех исследуемых лесных участках выполнена горизонтальная сте-реофотосъемка с близких расстояний. Стереопары получены с каждой базо вой точки, равномерно распределенных по участку, площадь покрытия од-ним снимком составила порядка 1 м . По стереопарам сформированы сте-реомодели для их рассматривания на мониторе анаглифическим методом, которые включены в мультимедийную базу данных. Кроме того, по таким снимкам определялось проективное покрытие видов напочвенной растительности, выполняемое с целью идентификации ее структуры для последующего отслеживания первичных сукцессии (рисунок 24).
Исследование динамики распространения дымовых шлейфов
Для определения влияния неоднородности подстилающей поверхности на распространение дымовых шлейфов проведена серия экспериментов в Мошковском районе Новосибирской области в окрестности учебного полигона СГТА и п. Издревое. Структура подстилающей поверхности и рельефа показана на рисунке 38. Разработана схема размещения опорных точек и выполнена их маркировка. Пространственные координаты замаркированных точек определялись геодезическим методом. Для фиксирования динамики распространения генерируемого облака использовалась наземная съемка двумя синхронизированными цифровыми камерами Casio QV-3000EX, с базиса, расположенного приближенно параллельного направлению распространения аэрозольного облака (таблица 4). Схема размещения оборудования при съемке показана на рисунках 39,40.
Для определения пространственных координат замаркированных точек были использованы два теодолита, расположенные на определенном, точно измеренном базисе. После выполнения угловых измерений на замаркированные точки были вычислены их пространственные координаты в местной системе координат.
Эксперименты проводились в переходный период (вечер и раннее утро), так как в это время происходит перестройка структуры приземного и пограничного слоев атмосферы с условий конвективной стратификации к устойчивой и наоборот, а также в дневное время.
Для оценки влияния дисперсного состава дымового облака на динамику его распространения опыты проведены в разных режимах ГРД. Например при термоконденсационном режиме создаются капли субмикронных размеров, а при механическом (пневматическом) - со средним размером капель около 20 мкм. Также важно было оценить влияние начального перегрева аэрозольного облака и его начальных размеров на характер изменения, его размера при движении в условиях динамической и термической неоднородности приземного и пограничного слоев атмосферы, поэтому режимы работы ГРД также отличаются температурой нагрева облака.
В результате проведения полевых экспериментов получен ряд стереоизображений аэрозольных облаков в разное время суток. Примеры полученных стереопар показаны в приложениях В, Г. В утренние часы производилась съемка облаков, при использовании грубодисперсного и термоконденсационного режимов образования аэрозолей, в полдень - термомеханического режима, а вечером - с помощью термомеханического и пневматического. Всего получено 23 стереопары цифровых изображений (таблица 5). Пример цифрового изображения аэрозольного облака показан на рисунке 41.
На фотографиях хорошо заметно различие в конфигурации и поведении дымового облака в разное время суток и при разных условиях его образования. Утром, нагретое дымовое облако с минимальным размером частиц резко поднимается вверх (режим термоконденсационный), в то время как грубодисперсное облако более монотонно поднимается по мере удаления от источника. Влияние размера частиц более отчетливо проявляется в изменении оптических свойств дымового облака (что видно на фотографиях). Яркость облака с грубодисперсными частицами заметно ниже, и при удалении от генератора становится соизмеримой с яркостью фона. Необходимо отметить, что наилучший стереоскопический эффект при наблюдении поверхности облака по стереопаре цифровых снимков возникает в случае плотного дымового шлейфа.
Было выполнено измерение контуров аэрозольных облаков по шести снимкам (рисунок 42). Результатом измерений являются каталоги координат точек (X; Z), относящихся к границам облаков. При визуализации результатов выполнено графическое совмещение контуров дымовых шлейфов, зафиксированных одной из камер в разные моменты времени (рисунок 43).
В процессе цифровой обработки по полученным стереопарам формировались фотограмметрические модели, по которым в стереоскопическом режиме измерялись координаты точек, соответствующих верхней и нижней кромкам дымового шлейфа, а также координатного набора точек непосредственно на облаке, характеризующих его пространственную конфигурацию в горизонтальном направлении.
Пространственная модель облака создавалась с помощью программы Surfer. На рисунках 44 и 45 представлены объемные модели облака (термоконденсационный режим, утреннее время) через 4 и 8 секунд после запуска генератора. Они построены по стереопарам, полученным в разные моменты времени.
Выполненные эксперименты позволили определить характеристики пространственно-временной изменчивости геометрии искусственных дымовых шлейфов. Относительная ошибка определения размеров облака не превысила 3 %, что является достаточным для комплексного анализа факторов, влияющих на траекторию распространения облака, для оценки мощности эмиссии аэрозолей при лесных пожарах.
Похожие диссертации на Информационное обеспечение локальных экологических исследований при моделировании лесных пожаров
