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 |

Развитие дистанционного тепловизионного метода при геоэкологических исследованиях природных и техногенных систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кокутин Сергей Николаевич

РАЗВИТИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ТЕПЛОВИЗИОННОГО МЕТОДА ПРИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ



Специальность: 25.00.36 – «Геоэкология (науки о Земле)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, доцент Каримов Камиль Мидхатович
Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, доцент Писецкий Владимир Борисович
кандидат геолого-минералогических наук Рябинин Виктор Федорович
Ведущая организация: ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт геологии нерудных полезных ископаемых», г. Казань

Защита состоится « 2 » декабря 2010 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева 30, корпус III, ауд. 3326.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан « 1 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Охрана окружающей среды в различных регионах России связана с решением двух основных задач – оперативного получения информации и применения эффективных способов изучения природных и техногенных систем. С этой целью созданы и используются разнообразные мониторинговые комплексы, которые основываются на наземных и дистанционных методах в решении экологических задач. Каждый из этих методов обладает достоинствами и недостатками, которые связаны с вопросами экономичности и целесообразности применения.

Неоспоримым преимуществом при исследованиях природных компонентов окружающей среды и техногенных объектов обладают современные аэрокосмические технологии, и в их числе дистанционное тепловизионное зондирование Земли (ДТЗЗ), которое может применяться для решения геологических, экологических и техногенных задач. Сущность метода заключается в получении снимков в тепловом инфракрасном (ИК) диапазоне с космических и авиационных носителей, обработке изображений и представлении их в виде моделей плотности потока теплового излучения.

На локальном и детальном уровнях экологического мониторинга необходимо внедрение современных видов носителей с тепловизорами, имеющими улучшенные пространственные и температурные характеристики, с целью создания более информативной, многоцелевой и экономически целесообразной технологии авиационного зондирования. В этой связи для широкого использования ДТЗЗ в решении геоэкологических задач предусматривается совершенствование многоуровневой методики тепловизионной съемки с использованием возможностей различных носителей, развитие способов обработки и дешифрирования данных, создание нового информационного продукта на основе интерпретации и графического представления материала, что определяет актуальность работы.

Цель работы и задачи исследования. Основной целью исследования является развитие методик съемки и интерпретации данных дистанционного тепловизионного зондирования при геоэкологических исследованиях природных и техногенных систем.

Цель достигнута решением следующих задач: совершенствование методики многоуровневой авиационной тепловой съемки в различных природных и техногенных условиях; развитие эвристического способа обработки снимков путем построения объемной модели потока теплового излучения, применения нового подхода к истолкованию и графическому представлению тепловизионных материалов; создание эффективного способа интерпретации космических тепловизионных данных при исследовании экологического состояния растительности и природных ландшафтных систем в местах интенсивной разработки нефтяных и газовых месторождений; оценка возможностей тепловизионной съемки при геоэкологическом изучении среды в городских условиях и при эксплуатации магистральных нефтепроводов.

Научные результаты и их новизна

1. В процессе тематических исследований создан авиационный тепловизионный измерительный комплекс на базе вертолета и теплового дирижабля GEFA-FLUG AS105GD, современной регистрирующей аппаратуры NEC Thermo Tracer TH9260 высокого пространственного разрешения. По результатам многочисленных экспериментальных работ в различных регионах России разработан технический регламент авиационной съемки.

2. Предлагается новая методика многоуровневого зондирования геологической среды с использованием тематической обработки снимков в тепловом инфракрасном диапазоне с космических и авиационных носителей для получения непрерывной картины распределения эндогенного потока теплового излучения Земли.

3. На базе эвристического подхода к решению обратной задачи дистанционного зондирования разработана методика построения объемной геотермической модели теплового излучения среды и способы ее интерпретации для решения геоэкологических и техногенных задач. Использование апробированной методики открывает большие возможности для эффективного изучения состояния нефтепроводов, загрязнения окружающей среды нефтью и нефтепродуктами на суше и море, экологического состояния труднодоступных регионов.

4. Разработан новый способ оценки экологического состояния среды, основанный на комплексном анализе индекса «стресса» растительности и глубинного строения теплового поля Земли, использующий разновременные космические снимки в расширенном диапазоне длин волн от видимого спектра до дальнего инфракрасного.

Фактическая основа работы. Диссертация выполнена в период обучения в заочной аспирантуре с использованием материалов компании «ТРАНС-СЕРВИС» (г. Кириши) в рамках научно-практических исследований по изучению экологического загрязнения окружающей среды в городах Санкт-Петербург, Ульяновск, Туапсе, а также на территории Западной Сибири, Пермского края, Республик Дагестан и Татарстан. В основу работы положены материалы многолетних исследований с применением авиационной съемки регионов России, проводимых при непосредственном участии автора в качестве одного из основных исполнителей. Полученные результаты нашли широкое применение в производственной деятельности многих компаний.

Практическое значение работы. Разработанная методика многоуровневого тепловизионного зондирования Земли и интерпретации данных позволяет осуществлять оперативный мониторинг экологической обстановки и оценку состояния техногенных объектов. Результаты дешифрирования снимков ДТЗЗ, описывающие глубинное строение геологической среды, являются незаменимым источником информации при выявлении потенциально опасных мест. Преимуществами предлагаемой методики является информативность данных и высокая производительность работ, возможность изучения и анализа труднодоступных районов, относительная дешевизна при исследовании больших территорий, абсолютная экологическая чистота.

Защищаемые положения

1. Эффективность дистанционного тепловизионного зондирования Земли при геоэкологических исследованиях природных и техногенных систем достигается измерительным комплексом высокого разрешения, разновысотной аэрокосмической съемкой, эвристическим способом обработки снимков с построением объемной модели плотности потока теплового излучения и блоково-разломных структур.

2. Предложенный метод оценки экологического состояния в местах интенсивной разработки углеводородов основан на извлечении комплексной информации о пространственной и временной динамике нормализованного индекса «стресса» растительности в увязке с глубинным строением геологической среды.

3. Методика космической и авиационной тепловизионной съемки при изучении экологического состояния окружающей среды в процессе эксплуатации магистральных нефтепроводов, загрязнения нефтепродуктами в городах и акваториях позволила выявить аномальные участки теплового поля, установить местоположение источников загрязнения, путей миграции и концентрации вредных веществ.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе 11 статей, оформлено две заявки на патент. Издано три статьи в журналах из Перечня ВАК («Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений», «Георесурсы»).

Основные результаты работы обсуждались на конференциях: «Повышение нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений и комплексное освоение высоковязких нефтей и природных битумов» (Казань, 2007), «Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов» (Казань, 2007), «Problems of Geocosmos: 7th International Conference» (Санкт-Петербург, 2008), «Актуальные проблемы поздней стадии освоения нефтегазодобывающих регионов» (Казань, 2008), «Современные вопросы природопользования: агропромышленный комплекс и лесное хозяйство» (Казань, 2008), «Аэрокосмические технологии в нефтегазовом комплексе» (Москва, 2009), «Инновационные технологии в геологии и разработке углеводородов» (Казань, 2009).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения; общий объем работы 137 страниц текста, включая 54 рисунка, 4 таблицы и 123 библиографических наименования.

Работа выполнена под руководством доктора геолого-минералогических наук К.М. Каримова, которому автор выражает глубокую признательность. Автор считает своим долгом искренне поблагодарить генерального директора В.Н. Соколова и своих коллег из компании «ТРАНС-СЕРВИС» за поддержку и внимание при выполнении работы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об использовании и апробации результатов работы, о структуре диссертации.

В разделе 1 «Основные направления развития дистанционной тепловизионной съемки при изучении природной среды» приведены общие сведения о физических основах тепловой ИК съемки, космических («Landsat», «Terra» и «Aqua») и авиационных тепловизионных системах наблюдений в различных спектрах оптического излучения. Показано, что при современном развитии метода остаются нерешенными многие технические и методические вопросы аэрокосмической съемки и обработки материала, основанные на пространственном представлении теплового поля (ТП) и установлении связи с геологическими средами.

Многоуровневая аэрокосмическая тепловизионная съемка позволяет получать результаты в глобальном (AVHRR, MODIS), региональном (TM, ETM+, ASTER) и детальном масштабах. Выполненный обзор космических систем наблюдений показал, что для решения экологических задач наиболее информативными являются спутники серии «Landsat», обладающие большой обзорностью, высокой проникающей способностью, широким спектральным диапазоном. Авиационные системы тепловой ИК съемки относят к наиболее эффективным средствам для детального и оперативного мониторинга среды.

Установлено, что перед тематической обработкой аэрокосмических данных необходимо проводить отбор тепловизионных снимков на основе определенного набора критериев (масштаб исследований, оптимальное покрытие изучаемой территории кадрами, отсутствие облачности над участком, время съемки) и улучшение изображений (топографическая нормализация, синтезирование, удаление шумов), которые снижают влияние помех при выявлении эндогенного теплового поля Земли.

В разделе 2 «Совершенствование авиационной тепловизионной съемки» описываются авиационный тепловизионный комплекс высокого разрешения и технический регламент наблюдений.

Впервые созданный дирижабельный тепловизионный комплекс высокого разрешения (ДТК-ВР) предназначен для авиационной ИК диагностики природных и техногенных объектов, залегающих на небольшой глубине. В состав ДТК-ВР входят тепловой дирижабль GEFA-FLUG AS105GD, высокочувствительный тепловизор NEC Thermo Tracer TH9260, цифровая фотокамера CANON EOS 350D, система спутниковой навигации Garmin GPSMAP 496, бортовой вычислительный комплекс для управления и накопления информации. Комплекс тепловизионной съемки является мобильным и при необходимости легко устанавливается на вертолет.

Для проведения тепловой ИК диагностики природных и техногенных систем с применением ДТК-ВР выработан набор оптимальных требований к полетным и погодно-временным условиям. Параметры авиационной съемки, включающие в себя высоту и скорость полета носителя, интервал времени между кадрами, величину продольного перекрытия снимков, рассчитывают с помощью специально созданных номограмм. Это снижает «смаз» изображения и повышает разрешающую способность многоуровневой тепловизионной съемки дирижабельным комплексом, в которой размер пикселя составляет 3-6 см при высоте полета 50-100 м. ДТК-ВР апробирован в различных условиях, и в настоящее время оформлена заявка на патент РФ.

В разделе 3 «Развитие методики обработки дистанционных тепловизионных снимков» сформулированы требования к снимкам, технология обработки многоспектральных космических и авиационных данных, алгоритм и методика построения моделей геотермического поля, виды графического представления результатов.

Получаемые тепловизионные изображения являются монохромными (черно-белыми) и представляются в виде матрицы числовых значений f(x,y) для дальнейшей обработки, проводимой по следующей схеме: предварительная обработка космических и авиационных снимков; расчет объемной модели плотности потока теплового излучения среды; построение объемной модели блоково-разломных структур; построение горизонтальных и вертикальных разрезов, их дифференциальных трансформаций; геофизическая интерпретация материала.

Предварительная обработка космических тепловизионных изображений включает ряд типовых и специально разработанных процедур по переводу данных из исходного вида в стандартные форматы, радиометрической коррекции, топографической нормализации, составлению мозаик из нескольких снимков, синтезированию, устранению помех.

Обработка авиационных снимков включает: разбиение набора тепловых кадров (термограмм) на отдельные маршруты; анализ диапазона распределения значений интенсивности ТП для кадров в пределах одного маршрута; пакетное конвертирование выделенных блоков термограмм из внутреннего формата тепловизора в стандартные графические растровые файлы; составление сшивок из тепловизионных изображений в специализированных программах; обратное RGB-конвертирование промежуточных псевдоцветных изображений с сохранением исходного динамического диапазона данных.

После процедуры получения стандартных растровых файлов следует географическая привязка тепловизионных изображений с использованием опорных точек на местности, топографических карт и космических снимков высокого разрешения. Для территорий с большим перепадом высот вводятся поправки на рельеф местности. Далее проводится устранение помех и подавление шумов, а по окончании – отбраковка фрагментов, полученных из одиночных снимков или сшивки изображений.

Для построения объемной модели плотности потока теплового излучения от геологической среды применяется эвристический подход решения обратной задачи. В качестве исходных данных для обработки используется изображение, представленное множеством значений ТП размерностью MK, каждый элемент которого несет в себе информацию о собственной излучательной способности земной поверхности. Такое множество назовем слоем проникновения и обозначим , , , где n – номер слоя проникновения с координатами (i, j). Все последующие слои получают из первого путем применения к нему функции: , где Sn – n-й слой; G(S1, n) – функция, зависящая от исходного слоя S1 и требуемой глубины.

Для получения значения ТП на любой заданной глубине наиболее эффективно использовать экспоненциальную фильтрацию:

,

где и – нормирующие коэффициенты;

z = f(n) – функция, задающая глубину и шаг дискретизации. Варьируя этой функцией, можно реализовать проникновение вглубь Земли с любым шагом между слоями. Изображение, обработанное методом экспоненциальной фильтрации, обладает следующими свойствами. При z0 получаем исходное изображение Sn(x, y) = S1(x, y). При z получаем однородное, усредненное по всем пикселям изображение

Основными достоинствами такого подхода является возможность построения объемной модели плотности потока теплового излучения на любой заданной глубине, с любым шагом между слоями, использование при моделировании всех пикселей снимка, что позволяет представить наиболее полную и непротиворечивую картину теплового поля.

При расчёте объёмной модели блоково-разломных структур использован алгоритм, предложенный В.Л. Онеговым. Области с относительно большими значениями элементов тепловизионного изображения выделяются путем увеличения амплитуды малоинтенсивных положительных аномалий. При этом сохраняют общий фон плотности потока теплового излучения геологической среды и используют максимизирующий фильтр, отклик которого характеризуется выражением:

где bijn – элемент n-го слоя модели блоково-разломных структур с координатами (i, j); m и k – координаты элемента s; n – номер слоя элемента s; – элемент n-го слоя с координатами (m, k).

Технология дешифрирования карт-срезов и разрезов эндогенного ТП нацелена на селективное отображение: геодинамических блоков и граничных разрывов; внутренних тепловых неоднородностей; зон сжатия, растяжения и разуплотнения пород, в состав которых входят зоны флюидоперетоков и флюидонакопления. В результате локализуются места повышенного экологического риска (разломы, оползни, места подтоплений), техногенных нарушений подземных и наземных инженерных сооружений (водоводов, нефтепроводов, продуктопроводов) и многое другое.



Pages:   || 2 |
 





 
© 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.