авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Методика идентификации нефтезагрязнений почвогрунтов по данным много- и гиперспектральной оптико–электронной аэросъемки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи


Григорьева Ольга Викторовна




Методика идентификации нефтезагрязнений почвогрунтов по данным много- и

гиперспектральной оптикоэлектронной аэросъемки

Специальность 25.00.36 Геоэкология




Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук





Санкт-Петербург

2008

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения и в Научно-исследовательском центре (г. Санкт-Петербург) ФГУ «4-го Центрального научно-исследовательского института Минобороны России»


Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Панин Александр Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Белоглазов Илья Никитич,

кандидат технических наук, доцент

ДОРОНИН Александр Павлович


Ведущая организация Санкт-Петербургский Научно-исследовательский центр экологической безопасности Российской академии наук.


Защита диссертации состоится 27 марта 2009 г. в 13 ч 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 1160.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова (технического университета).


Автореферат разослан __ февраля 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

д.т.н., профессор Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

Актуальность работы. Обеспечение экологической безопасности окружающей среды является одной из глобальных проблем современности. Имеющиеся негативные факторы, связанные с жизнедеятельностью человека, приводят к постоянному увеличению техногенной нагрузки на природу, при этом последствия некоторых из них могут носить катастрофический характер. К числу факторов, представляющих наиболее существенную угрозу экологическому состоянию земель и акваторий, относятся аварийные разливы нефти и нефтепродуктов, происходящие в процессе их добычи, хранения и транспортировки. Количество нефтезагрязнённого грунта только в России составляет порядка 510 млн. т ежегодно.

Указанные обстоятельства определяют актуальность задачи оперативного поиска и локализации нефтезагрязнений на воде и суше. Особое место в системе поиска разливов нефти и нефтепродуктов занимает плановый и оперативный аэрокосмический мониторинг аварийных и потенциально опасных объектов, который является наиболее эффективным методом контроля больших по площади, удаленных и труднодоступных территорий.

Вопросы применения средств дистанционного зондирования (ДЗ) для оценки показателей качества окружающей среды успешно решены в работах многих авторов (Кринов Е.Л., Кравцова В.И., Виноградов Б.В., Чапурский Л.И., Кондратьев К.Я., Федченко П.П.). Однако аналогичные исследования (Орлов Д.С., Поляков А.И., Макарчук А.Л.) применительно к контролю нефтезагрязнений почвогрунтов (НЗПГ) не носят законченного характера по причине недостаточной экспериментальной и научно-методической проработки вопроса. Они основаны на методах выявления с помощью многоспектральных приборов в оптическом диапазоне электромагнитного спектра по спектрально-яркостным характеристикам, что не обеспечивает требуемой результативности контроля в целом ряде ситуаций (в частности, при зондировании темных и увлажненных почв и характерных фонов). Серьезным фактором, снижающим эффективность авиационного контроля, является отсутствие для данного типа поверхностей системы устойчивых идентификационных признаков НЗПГ, что сдерживает обоснование требований к приборам ДЗ на базе наиболее доступной оптико-электронной аппаратуры (ОЭА) пассивного типа и в первую очередь - гиперспектральных приборов.

Таким образом, имеется противоречие между практической потребностью в повышении возможностей средств ДЗ по выявлению НЗПГ и отсутствием развитого методического аппарата, способного обеспечить данную потребность. На решение этой актуальной задачи направлена рассматриваемая диссертационная работа.

Целью работы является повышение достоверности результатов идентификации НЗПГ с помощью современной ОЭА пассивного типа, входящей в состав авиационных систем информационного обеспечения экологической безопасности для оперативного принятия решений по профилактике нефтяных загрязнений почвогрунтов.

Идея работы - достижение положительного результата в идентификации НЗПГ должно обеспечиваться на основе совместного использования много- и гиперспектральных средств аэросъемки в оптическом диапазоне спектра и комплексного учета спектрально-яркостных и пространственно-структурных свойств исследуемых объектов на зарегистрированных изображениях.

Объект исследования - методы и средства дистанционного контроля экологического состояния окружающей среды.

Предмет исследования - закономерности изменения геофизических эффектов подзолистых и торфяно-болотных почвогрунтов при загрязнении нефтью и мазутом, а также методы и средства регистрации этих эффектов пассивной аэросъемочной ОЭА.

Для достижения цели поставлены задачи исследования:

    • разработка основных положений и структуры методики идентификации НЗПГ по авиационным данным ОЭА пассивного типа;
    • анализ современного состояния диагностики нефтезагрязнения территорий методами ДЗ, а также факторов (физико-химических и пространственных свойств нефтеразливов), влияющих на механизм формирования оптико-электронных аэроизображений и результативность их дешифрирования;
    • по результатам наземных и авиационных экспериментов установление закономерностей изменения спектрально-пространственных характеристик почвогрунтов под влиянием нефти и нефтепродуктов, которые могут быть использованы в основе системы идентификационных признаков;
    • разработка автоматизированного метода обработки данных аэросъемочной ОЭА пассивного типа для идентификации НЗПГ;
    • разработка практических рекомендаций по выбору параметров съемки и технических характеристик (ТХ) перспективной многоспектральной и гиперспектральной аппаратуры для решения задачи выявления НЗПГ.

Научная новизна работы:

Установлены закономерности изменения спектрально-яркостных и пространственно-структурных свойств подзолистых и торфяно-болотных почвогрунтов под воздействием нефтезагрязнений. Выявлено прямо пропорциональное изменение структурных агрегатов и уменьшение разности коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) почв в видимом и ближнем инфракрасном интервалах спектра в среднем в 1,4 раза при достижении максимального уровня (6...8 г/кг) нефтезагрязнения. На основе полученных закономерностей систематизированы признаки идентификации НЗПГ.

Основные защищаемые положения:

1 Для идентификации почвогрунтов, загрязненных нефтью и ее тяжелыми фракциями, следует применять специально разработанную систему информативных признаков в интервале оптического диапазона спектра 500…850 нм для гиперспектральных (ГС) снимков и в спектральных каналах 440…505 и 620…1000 нм для многоспектральных (МС) изображений.

2 Результативная автоматизированная идентификация НЗПГ требует использования метода, опирающегося на два взаимодополняющих процесса:

  • обработка МС данных, основанная на применении структурного признака НЗПГ, в качестве которого предложено использовать оценку среднего квадратического отклонения (СКО) яркости индексного изображения объекта, полученного как разность массивов яркости сцены в красном (или ближнем инфракрасном) и голубом каналах, в частности при использовании цифровой фотокамеры - 450…500 нм и 600…700 нм;
  • обработка многомерного массива ГС данных, заключающаяся в применении спектрально-яркостных признаков НЗПГ и классических способов контролируемой и неконтролируемой классификации, усовершенствованных введением в процесс дешифрирования индексного изображения и процедур исключения параметрических подобластей, нехарактерных для НЗПГ.

3 Для рационального выбора ТХ МС и ГС ОЭА необходимо использовать алгоритм, основанный на развитии известного метода параметрического синтеза фотографических систем с учетом условий наблюдения, размера, структуры и спектрально-яркостных свойств НЗПГ.

Методы исследований: при проведении теоретических исследований использовались методы теории физической оптики, распознавания образов, автоматизированной обработки изображений, корреляционного анализа, математического моделирования процессов и систем. Для численного исследования разработанных алгоритмов выполнялось имитационное моделирование на ПЭВМ. В ходе экспериментальных исследований применялись методы планирования эксперимента, инфракрасной спектрофотометрии, метрологического обеспечения измерений и статистической обработки данных.

Достоверность научных результатов обоснована использованием современных средств измерений и комплексов обработки аэрокосмической информации, экспериментальной проверкой основных положений методики, сходимостью результатов контроля с данными наземной заверки, применением современных методов статистического анализа с представительной выборкой исходных материалов наземной и авиационной съемки.

Практическая значимость работы:

    • доказана возможность достоверной идентификации НЗПГ по данным пассивной МС и ГС аэросъемочной ОЭА при обеспечении задач планового и оперативного экологического мониторинга;
    • получены значения спектрально-яркостных и структурно-пространственных признаков, позволяющие реализовывать методику идентификации НЗПГ на практике;
    • обоснованы рекомендации по обработке данных аэросъемки для идентификации НЗПГ, а также практические рекомендации по выбору параметров бортовой аппаратуры и условий ее применения.

Практическая значимость результатов подтверждается актами реализации.

Личный вклад автора заключается в постановке цели; в проведении цикла наземных экспериментов и летных измерений в нефтезагрязненных районах; теоретических исследованиях по усовершенствованию методов обработки дистанционных данных ОЭА и их апробации, в том числе с использованием лично разработанных программ; обосновании и разработке рекомендаций по выбору ТХ аппаратуры обнаружения и распознавания НЗПГ.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 14 международных и всероссийских научных конференциях, в том числе на 4-ой Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, ИКИ РАН, 2006 г.) и Международной конференции «Космическая съемка – на пике высоких технологий» (г. Москва, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, включая две статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 10 докладов, 8 статей во всероссийских и межведомственных изданиях, 2 технических проекта.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из двух томов. Том 1 общим объемом 192 страницы состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 83 источников, включает 24 таблицы и 50 рисунков. Том 2 содержит 15 приложений.

Основные положения, выносимые на защиту

1 Идентификация почвогрунтов, загрязненных нефтью и ее тяжелыми фракциями, обеспечивается применением специально разработанной системы информативных признаков в интервале оптического диапазона спектра 500…850 нм для ГС снимков и в спектральных каналах 440…505 и 620…1000 нм для МС изображений.

Низкая проработка вопроса выявления загрязнения земель углеводородами и отсутствие систематизированного подхода к его решению по материалам авиационной оптико-электронной съемки пассивного типа способствовало разработке методики идентификации НЗПГ. Методика должна обеспечить достижение цели, которая предполагает выполнение следующего условия: показатель результативности идентификации НЗПГ (Р) должен быть не хуже требуемого (Ртр) или существующего (Рсущ), то есть

(1)

где I – вектор исходных данных, обеспечивающих решение задачи; F – функция, описывающая спектрально-яркостные и пространственные признаки НЗПГ; Тх – ТХ выбранного типа ОЭА; M I - метод идентификации.

Из условия видно, что неконтактная результативная идентификация НЗПГ возможна только при наличии системы информативных, устойчивых к воздействию внешних факторов, признаков, которые, в свою очередь, обусловливают особенности выбора ТХ аппаратуры и принципов обработки авиационных данных, являющихся основными структурными элементами методики. Такая система может быть построена по результатам анализа закономерностей изменения геофизических свойств земель при нефтезагрязнении. Однако на данный момент знания этих свойств недостаточны. Поэтому для формирования статистически обоснованной системы признаков на начальном этапе выполнены наземные и авиационные экспериментальные исследования. В частности, осуществлен анализ спектрально-яркостных и пространственных закономерностей оподзоленных и торфяно-болотных типов почв, как наиболее характерных для большей части ландшафтов России, но и более сложных для идентификации по причине низких яркостных контрастов. На втором этапе с использованием полученных закономерностей оценивалось спектральное разделение НЗПГ и фона в различных интервалах оптического диапазона спектра (ИОДС), что позволило уменьшить вероятность возникновения ошибок дешифрирования. С целью сокращения размерности ГС данных и увеличения оперативности обработки определены возможности изменения границ ИОДС.

Для получения данных о признаках НЗПГ в методике предусмотрено использование комплекса, состоящего из МС и ГС авиационных средств. Высокое спектральное разрешение ГС видеосъемки, отличающее от других видов ДЗ, позволяет выявить наиболее характерные детали объектов по их спектральным образам и выбрать для использования те участки спектра, в которых объект в наибольшей степени контрастирует с фоном. Вместе с тем из-за избыточности информации и низкой энергии, поступающей на регистрацию в узком спектральном канале, использование видеоспектральных данных для точного оценивания пространственных свойств объекта и его структуры затруднительно. Поэтому дополнительно привлечена МС аппаратура, позволяющая за счет увеличения отношения сигнал/шум и лучшего пространственного разрешения корректно изучить структуру и оценить размеры НЗПГ.

В экспериментальных исследованиях с помощью ГС аппаратуры были получены изображения для спектральных полос шириной 7 нм в интервале длин волн 440…890 нм. По итогам обработки экспериментальных данных рассчитаны КСЯ rоб образцов чистых почв и НЗПГ, значения которых выбраны в качестве основного спектрально-яркостного признака 1-го уровня. Относительная погрешность измерения КСЯ не превышала r=(3,7…5,6)% для репрезентативной выборки объемом n=25 пикселя, что является допустимым отклонением для разделения малоконтрастных объектов с пороговым контрастом Кп 0,2.

Далее результаты разновременных данных КСЯ были приведены к одним (эталонным) условиям наблюдения с помощью специального преобразования, результаты которого оказались квазистационарными, но только для оподзоленных почв (рис. 1а). Для торфяных почв наблюдается разброс и снижение значений КСЯ в области 760…890 нм (рис. 1б), что связано с увеличением доли поллютанта от 3 до 6 г/кг в период проведения эксперимента. Это позволило сделать вывод о чувствительности графиков спектральной яркости к степени загрязнения почвогрунтов в этом диапазоне.

Рисунок 1 – Возможность оценки уровня загрязнения по графикам спектральной яркости, приведенным к одним условиям наблюдения: нефтезагрязненный грунт оподзоленный (а) и торфяной (б)

В ходе анализа полученных графиков спектральной яркости НЗПГ и фона (рис. 2) были выделены следующие основные закономерности изменения спектрально-яркостных свойств почвогрунтов под воздействием нефти.

  1. Максимум значений КСЯ загрязненных почв (13,5±1,0% для грунта торфяного и 18,0±1,3% для грунта оподзоленного) приходится на 890 нм, минимум (2,8±0,2% для торфяного и оподзоленного грунтов) - на 495 нм.
...


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.