Тепловые съемочные системы

Содержание
Введение 3
1. Тепловые съемочные системы 4
2. Области применения теплового мониторинга 6
3. Оборудование для теплового мониторинга и обработка информации 10
3.1. Оборудование для теплового мониторинга 10
3.1. Обработка информации 11
Заключение 13
Список литературы 14

Введение

Географы в своих исследованиях, помимо описательного, математического, картографического, используют аэрокосмические методы.
Эти методы дают большие перспективы и результаты в изучении окружающего мира и использования естественного потенциала на благо человечества. (До Первой Мировой войны, в нашей стране – с 1926 г, в 50-х—60-х годах). [3, с.3]
Под аэрокосмическими методами принято понимать совокупность методов исследований атмосферы, земной поверхности, океанов, верхнего слоя земной коры с воздушных и космических носителей путем дистанционной регистрации и последующего анализа идущего от Земли электромагнитного излучения.
Аэрокосмические методы обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов и явлений и получение их качественных и количественных биогеофизических характеристик.
Аэрокосмические методы определяются как дистанционные, под которыми понимают получение информации об исследуемых объектах и явлениях с помощью различных приемников, удаленных от них на значительном расстоянии (от сотен метров до тысяч километров).
Приемники информации устанавливают на носителях, которыми могут быть самолеты различных систем, вертолеты, баллистические ракеты, искусственные спутники, орбитальные и межпланетные станции, корабли.
Целью написания данного реферата является изучение теоретических аспектов тепловых съемочных систем.
Из выше указанной цели можно выделить следующие задачи:
тепловые съемочные системы;
области применения теплового мониторинга;
оборудование для теплового мониторинга и обработка информации.
Тепловые съемочные системыВ настоящее время широкое развитие и применение получили тепловые сканирующие системы, относящиеся к пассивным. Данные системы работают в инфракрасной и тепловых зонах электромагнитного излучения. [1, с.18]
При дистанционном зондировании используют излучение ближней ИК-зоны (λ=0,76 – 3,0мкм), средней ИК-зоны (λ=3,5-5,6мкм)и дальней ИК-зоны (λ=8,0-14,0мкм). Для этого используют многозональные радиометры, радиометрические комплексы, тепловизионные системы и т.п. В зависимости от вида получаемой информации, характера изучаемых объектов и возможностей используемой аппаратуры съёмка может производится в одном или нескольких спектральных интервалах одновременно.
Тепловая съёмка представляет собой измерение двумерного поля излучения, путём поэлементного сканирования объекта земной поверхности. Сканирование может производится различными методами по разнообразным траекториям.
Чаще применяется оптико-механическое сканирование по одному или двум взаимно-перпендикулярным направлениям. В первом случае переход от одной строки изображения к другой производится за счёт перемещения летательного аппарата. Регистрация лучистой энергии происходит интегрально, т.е. воспринимается суммарный поток излучения во всём используемом спектральном интервале. Принцип получения изображения основан на измерении температур объёктов местности. В зависимости от физических и химических свойств снимаемые объекты могут быть «теплее» или «холоднее». Преобразованные (визуализированные) результаты измерений температур имеют вид аналогичный фотографическому изображению местности. Точность регистрации температуры различными системами находится в пределах от 0,1 до 0,01 градуса. Съёмка может выполняться как в дневное время, так и в ночное. Разрешение на местности достигает, при малых высотах съёмки Н= 200-300м, величины 0,01- 0,12 м.
Совершенствование ИК-приёмников, оптических систем, методов термометрии позволяют получать ИК-изображения сопоставимые по своим параметрам с фотографическими. Для стереоскопического рассматривания снимки получают с перекрытиями (часть местности, изображенной на предыдущем снимке, фиксируется на последующем). Регистрация трёх координат точек изображения позволяет визуализировать на мониторе компьютера трёхмерное изображение. [1, с.18]
Изображения, получаемые с помощью тепловых съёмочных систем, используются в целях картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений сооружений (нефте- и газопроводов, теплосетей, зданий и т.п.) и изучении негативных экологических процессов в природной среде (выявление загрязнения почв и водных объектов нефтепродуктами, засоления почв, зон подтопления и т.п.).
Области применения теплового мониторинга
ИК-съемка используется в ряде актуальных задач.
1. Определение местоположения и диагностика состояния продуктопроводов, в частности, подземных тепловых сетей, с выделением предаварийных и аварийных участков. Характерной чертой современного города является развитая система тепло- и водоснабжения. Нарушения в работе этой системы могут иметь самые разнообразные последствия – от изменения состава и температуры грунтовых вод, до появления подземных полостей, заполненных горячей (70–150 градусов) водой и опасных как для ремонтной техники, так и для людей. Своевременное обнаружение небольших трещин (свищей) в трубопроводах, незаметных для стандартных систем контроля, позволяет ликвидировать место потенциального прорыва трубы до возникновения аварийной ситуации (рис. 1) [2, с.227]
Рис. 1. Городская теплотрасса (Смоленская область, 2006 г): 1 – аварийный участок, 2 – участок с повышенным тепловыделением
2. Выявление участков подземного самовозгорания на торфяниках, полигонах по захоронению отходов (свалках), в лесных массивах. В периоды летней жары в лесных массивах и на торфяниках могут возникать самопроизвольные или спровоцированные человеком возгорания, перерастающие в огромные лесные пожары. Особенную сложность при ликвидации очагов возгорания представляет торф, так как его нижние слои способны гореть в течение большого времени и при этом пожар никак не обнаруживается визуально. Получить истинную картину возгорания и соответственно скоординировать усилия пожарной техники можно используя тепловую аэросъемку – высокопроизводительный и дистанционный метод обнаружения даже подземных очагов возгорания.
3. Выявление участков сбросов коммунальных и промышленных вод в реки и водоемы, картирование загрязнения нефтепродуктами. Большинство крупных городов расположены вблизи от рек или водоемов, которыми промышленные предприятия пользуются для сброса отходов производства. Организация таких сбросов должна контролироваться службами СЭС и Комитетом по охране природы. Однако многие предприятия практикуют несанкционированные выбросы или нарушают предельно допустимую концентрацию токсичных отходов или их температуру.
Тепловая аэросъемка позволяет надежно обнаружить практически любые сбросы в водоем (так как благодаря турбулентности сбрасываемого потока всегда возникают аномалии теплового поля) и локализовать места для последующих гидрохимических проб (рис. 2).
4. Контроль состояния шоссейных и железных дорог, а также дорожных покрытий взлетно-посадочных полос аэропортов с выявлением участков повышенной трещиноватости и обводнения.
Различные трассы и железные дороги часто прокладываются по пересеченной местности с меняющимся рельефом. При этом в возвышенности дорога «врезается», а в низинах делается насыпь, неоднородная по составу и состоящая, как правило, из суглинистых и гравийно-песчаных слоев.
В случае затрудненного стока в нижних песчано-гравийных слоях могут образовываться (за счет грунтовых и талых вод или осадков) полости воды, что в свою очередь приводит к разрушению насыпи при изменении температурно-атмосферных условий. Тепловая ИК-съемка может быть использована для обнаружения таких полостей и обозначения зон дороги, требующих наиболее срочного ремонта. [2, с.229]
Рис. 2. Сброс промышленных отходов (Смоленская область, 2006 г.): 1 – точка сброса, 2 – лесной массив и последствия сброса
5. Контроль численности животных. Многолетний опыт применения авиаучета лося показал его достаточно высокую эффективность. Представляется весьма заманчивым использовать для этих целей методы дистанционного зондирования, которые при одновременной оптимизации авиаучета могут исключить многие ошибки аэровизуального подсчета лосей (прежде всего недоучет лосей, в плохо просматриваемых угодьях, неправильную фиксацию ширины полосы наблюдения и т.д.). На фоне лесного ландшафта крупные животные обнаруживаются плохо. В то же время тепловое излучение тела животного позволяет надежно обнаружить его среди деревьев в зимнем лесу (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид обнаруженной группы лосей: а – фрагмент теплового снимка; б – фрагмент видео снимка
Следует отметить, что при планировании съемочных работ и интерпретации полученных результатов необходимо учитывать специфику конкретной задачи.
Так, например, для решения задачи обнаружения участков обводнения дорожного покрытия или железнодорожной насыпи (задача 4) требуется проводить съемку в наиболее сухое время года. При этом для полета желательно выбрать ночное время перед самым наступлением тепловой инверсии (3-5 часов утра), когда участки обводнения на полученном изображении выглядят максимально контрастно на фоне быстро остывающих сухих грунтовых участков.
В свою очередь, при съемках водоемов желателен максимальный контраст температуры водоема с температурой сбросов, поэтому такие работы обычно проводятся весной или осенью, и всегда в ночное время.
Аналогичная ситуация возникает при съемке городских теплотрасс – идеальным временем для начала работ являются первые заморозки до выпадения снега, когда контраст между остывшей почвой и горячими трубами максимален. [2, с.230]
Летние лесные пожары и самовозгорающиеся торфяники требуют оперативной съемки и срочной обработки данных. При наличии соответствующего технического оборудования особо важную информацию об очагах возгорания можно передавать непосредственно с борта летательного аппарата.
Поиск животных нужно выполнять зимой, когда деревья сбросили листву.
Кроме того, следы животных на снегу также хорошо проявляются в тепловом поле.
3. Оборудование для теплового мониторинга и обработка информации3.1. Оборудование для теплового мониторингаДля решения вышеперечисленных задач нами был разработан ряд тепловизоров Скан-T, VIS05, ИКАР002. [2, с.230]
Они могут быть использованы для картирования излучения поверхности земли с борта летательного аппарата. Их отличительными характеристиками являются высокая чувствительность (0,05°C при температуре фона 20°C), небольшой вес (35 кг) и низкое энергопотребление (7 А при 27 В), что позволяет использовать его при работах на легких вертолетах и небольших самолетах. Например, система может быть установлена на Ми-2 и на Cessna-172D, при условии монтажа чувствительного элемента снаружи фюзеляжа.
Выдаваемое системой изображение состоит из отдельных линий, полученных сканером с вращающимся зеркалом. Частота выдачи данных – 230 линий в секунду. Сканирование производится угловой апертурой 2,4’, угол обзора которого составляет 90°–120°. Тепловизор Скан-T использует охлаждаемый азотом датчик с высокой разрешающей способностью (CdHgTe), измеряющий излучение в диапазоне 8–14 мкм (дальний ИК диапазон).
Для монтажа из накопленных за полет строк целостного изображения требуется учесть изменение положения и ориентации летательного аппарата в пространстве. Для этого необходимо знание географических координат, высоты над рельефом, а также углов курса, крена и тангажа сканера в каждый момент полета.
В целях измерения этих параметров используется бесплатформенная система ориентации SIAS-2, которая интегрирована в комплекс тепловой съемки.
Инерциальная система SIAS-2 состоит из трех волоконно-оптических гироскопов фирмы «Физоптика» и трех акселерометров серии ADXL фирмы Analog Devices Inc. Кроме того, для получения координат и сигналов времени используется GPS-приемник. Сигналы всех датчиков проходят через высокоточный АЦП и передаются в цифровой сигнальный процессор.
3.1. Обработка информацииДля управления процессом съемки используется многофункциональное программное обеспечение, позволяющее планировать вылеты, контролировать качество поступающих данных и взаимодействовать с пилотом через пилотский индикатор типа «стрелка». Данные со сканера поступают в программу по протоколу TCP/IP и автоматически синхронизируются с данными гироскопов, акселерометров, GPS-приемника и радиовысотомера. Программа работает в графической оболочке X-Window System операционной системы Linux. [2, с.230]
Для обработки данных SIAS-2 был разработан алгоритм и написано соответствующее программное обеспечение, получающее на вход сигналы датчиков и рассчитывающее высокоточное ориентационное и навигационное решение.
В модели, положенной в основу этого алгоритма, движение приборного трехгранника относительно модельного описывается уравнением Пуассона – dA/dt = ΩA, где A – матрица текущей ориентации, Ω – кососимметричная матрица, умножение на которую задает векторное произведение с вектором угловой скорости. Требуемая для построения карт масштаба 1:10 000 точность определения углов должна составлять величину порядка одного градуса, однако, при переходе от строки к строке требуется точность < 0,001 радиан. Примененный алгоритм коррекции углов и координат использует метод фильтрации Калмана. Для качественного монтажа теплового изображения используется получаемое сглаженное навигационное решение, избавленное от скачков навигационного решения GPS-приемника (рис. 4).
Рис. 4. Участок плана ИК-съёмки: а – до коррекции системой SIAS-2; б –после
Результаты испытаний системы в реальных съемочных полетах показали, что погрешность измерения угла рыскания не превышает 2° и точность измерения углов крена и тангажа лучше 1°. Угловая чувствительность системы составляет 0,1°.
Заключение

При написании данного реферата мы выяснили, что аэрокосмические методы обеспечивают определение точного географического положения изучаемых объектов и явлений и получение их качественных и количественных биогеофизических характеристик.
Аэрокосмические методы определяются как дистанционные, под которыми понимают получение информации об исследуемых объектах и явлениях с помощью различных приемников, удаленных от них на значительном расстоянии (от сотен метров до тысяч километров).
Приемники информации устанавливают на носителях, которыми могут быть самолеты различных систем, вертолеты, баллистические ракеты, искусственные спутники, орбитальные и межпланетные станции, корабли.
В настоящее время широкое развитие и применение получили тепловые сканирующие системы, относящиеся к пассивным. Данные системы работают в инфракрасной и тепловых зонах электромагнитного излучения.
Совершенствование ИК-приёмников, оптических систем, методов термометрии позволяют получать ИК-изображения сопоставимые по своим параметрам с фотографическими.
Изображения, получаемые с помощью тепловых съёмочных систем, используются в целях картографирования подземных коммуникаций, выявления техногенных нарушений сооружений (нефте- и газопроводов, теплосетей, зданий и т.п.) и изучении негативных экологических процессов в природной среде (выявление загрязнения почв и водных объектов нефтепродуктами, засоления почв, зон подтопления и т.п.).
Список литературы

Лимонов А. Н., Гаврилова Л. А. Лекции по дисциплине «Дистанционное зондирование и кадастровое картографирование». – Москва, 2012. – 109 с.
Родионова А. Е. Обработка информации в задаче теплового мониторинга и картирования местности // Известия ЮФУ. Технические науки, 2010. - № 3 (104). – СС. 227-232
Штырова В. К. Аэрокосмическиие исследования Земли / Учебное пособие, 2012. – 58 с.