Статистические методы обработки и анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов в пограничном слое атмосферы

Актуальность исследований. Атмосферный аэрозоль является продуктом сложной совокупности физических и химических процессов [1]. Вследствие сложности этих процессов и относительно короткого времени жизни аэрозоля его химический состав и физические характеристики очень изменчивы. Исследование свойств атмосферного аэрозоля тесно связано с такими актуальными проблемами физики атмосферы как учет влияния на перенос коротковолновой и длинноволновой радиации, с точки зрения глобального изменения климата [2,4,7]. В рамках этих исследований особый интерес представляют вопросы изучения рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы.

Систематические исследования атмосферной диффузии и рассеяния примесей, применительно к вопросам загрязнения атмосферы, начали бурно развиваться с середины 50х годов прошлого столетия [5,13,20]. Проводились изыскания с целью установить вид и тип уравнений, описывающих атмосферную диффузию. По аналогии с процессами молекулярной диффузии для данной цели использовались уравнения параболического типа, являющиеся обобщением известного уравнения Фикка. Ряд теоретических работ (Ляпин (1948), Монин (1955), Зилитинкевич (1971), Бетчев и Яглом (1971), Левин (1971)) в этом направлении позволили оценить пределы применимости уравнения Фикка и уточнить описание диффузии примеси в некоторых случаях.

Еще в первых работах по атмосферной диффузии наметилось два подхода к теоретическим исследованиям распространения примеси в приземном слое воздуха. Один из них связывался с работой А. Робертса, основанной на решении уравнения турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами. Другой подход, развитый Сеттоном, состоял в использовании для определения концентрации примеси от источника формул, полученных на статистической основе. Согласно Сеттону (1958), распределение примеси вблизи точечного источника в разных направлениях описывается гауссовским законом. Он полагал, что концентрация примеси в точке (x, y, z) от источника, расположенного в начале координат, пропорциональна произведению: на функции pz и рх, относящиеся к координатам z и х. Здесь crj — дисперсия распределения примеси в направлении у. Сеттон получил, что.

2 1 2 /—Л2-л где Ci — некоторые коэффициенты, й — средняя по высоте скорость ветра. В случае мгновенного источника t — время после действия источника, а для непрерывно действующего источника полагается, что t = x/й (i = 1,2,3 соответствует x, y, z).

В работах проводившихся в СССР, исходя в определенной степени из указанных выше исследований, большей частью избирался путь решения уравнения турбулентной диффузии с переменными коэффициентами. Такой подход является более универсальным, позволяющим исследовать задачи с источниками различного типа, разными характеристиками среды и граничными условиями. Он дает возможность использовать параметры турбулентного обмена, применяемые в задачах тепло — и влагообмена.

Первые расчетные формулы для определения приземной концентрации примеси от источника были даны в работе Базанке и Пирсона в 1936 г. и в указанных исследованиях Сеттона. Вследствие интенсивного роста загрязнения воздуха полученные результаты, особенно Сеттона, получили быстрое распространение во многих странах. Интерес к ним возрос еще больше, когда началось сооружение атомных реакторов и потребовались оценки возможного загрязнения воздуха радиоактивными веществами. С этого момента значительно расширились работы по экспериментальной проверке расчетных формул. Так выяснилось, что при использовании некоторых из предложенных формул различия между вычисленными и экспериментально полученными величинами составляло 10−15 раз. В частности, это относится к весьма важному вопросу о соотношении максимума наземной концентрации и высоте трубы. Таким образом, недостаточно ограничиться, как это было ранее, только данными о скорости ветра и температуре воздуха у земли. При расчете рассеивания выбросов от высоких источников потребовалось развитие теории турбулентной диффузии в слое воздуха толщиной в несколько сотен метров с учетом возможных изменений температуры, ветра и коэффициента обмена.

В результате проведенных исследований в последние годы появились новые, более точные модели, основанные на решении уравнения турбулентной диффузии с переменными коэффициентами как аналитически, так и с использованием численных методов. В настоящей диссертационной работе предлагается метод определения дисперсии распределения примеси, поступающей от точечного источника, в пограничный слой атмосферы.

Состояние вопроса. Наиболее распространенными методами определения дисперсии примеси являются контактные, оптические методы дистанционного зондирования. Особенно много работ посвящено разработке активных оптических систем зондирования. Подробное описание вопросов взаимодействия оптического излучения с веществом изложено в работах [15−19]. Последние 10−15 лет проводятся исследования, направленные на создание пассивных оптических систем, позволяющих, в отличие от лазерных, проводить наблюдения в дневное время суток. В одной из первых экспериментальных работ [13] было предложено использовать телефотометрический метод, основанный на измерении яркостного контраста видеоизображения шлейфа. С целью определения величины яркостного контраста было предложено проводить обработку и анализ данных телефотометрических наблюдений на ЭВМ. Для этого необходимо было развитие методов статистической обработки и анализа цифрового видеосигнала, а так же способов представления видеоинформации в более компактной форме. Кроме того, уровень вычислительной техники для того времени был достаточно низкий. В последние годы наблюдается прорыв в развитие персональных компьютеров и средств мультимедиа, появляются новые стандарты для хранения и передачи видеинфо-мации, что способствовало проведению дальнейших исследований в рамках разработки телефотометрического метода определения параметров дисперсии примеси. Анализ работ по обработке цифровых изображений и видеосигнала и ссылки на них приведены в соответствующих разделах диссертации.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разра-. ботка статистических методов обработки и анализа цифрового видеосигнала и создание пакета программ, позволяющих проводить определение параметров дисперсии примесей и коэффициентов турбулентной диффузии по видеоизображению аэрозольных шлейфов, распространяющихся в пограничном слое атмосферы.

При этом решаются следующие задачи: теоретическое исследование и обоснование предлагаемого телефотометрического методаразработка статистических методов анализа цифровых видеоизображений аэрозольных шлейфовразработка статистических методов предварительной обработки видеосигнала и способов хранения видеоинформации, реализация их в программном виде;

Научная новизна работы. Разработаны статистические методы обработки и анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов и реализованы в виде программ, создан экспериментальный программно-аппаратный комплекс для обработки и анализа видеоизображений на базе персонального компьютера (Pentiumlll). В качестве варианта статистической обработки было предложено представлять исходные видеопоследовательности в виде динамических изображений. Был разработан алгоритм преобразования, основанный на измерении корреляционных связей последовательных изображений и специальное программное обеспечение. Применение указанного преобразования к исходным видеопоследовательностям приводит к уменьшению аддитивного шума и расширению динамического диапазона изображений. Было получено, что при значении коэффициента корреляции 0,95 между кадрами в динамическом синтезированном изображении объем видеопоследовательности существенно уменьшается, в зависимости от скорости распространения аэрозоля.

При помощи созданных автором программ статистической обработки по динамическим изображениям аэрозольных шлейфов были определены дисперсии распределения примеси. По полученным данным о дисперсии были рассчитаны коэффициенты турбулентной диффузии.

Предложена двухпозиционная схема визирования аэрозольных шлейфов, позволяющая одновременно определять вертикальные и поперечные коэффициенты турбулентной диффузии.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы: при проведении систематического контроля аэрозольных выбросов в атмосферу локальных стационарных источников, таких как промышленные предприятиядля исследования пространственно-временной динамики концентраций аэрозолей и газопылевых смесей в атмосфередля оценки параметров турбулентной атмосферы.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка, реализующая разработанный алгоритм преобразования исходных видеоизображений аэрозольных шлейфов в динамические изображения.

2. Двухпозиционная схема визирования аэрозольных шлейфов, позволяющая одновременно получать данные о рассеянии примеси в вертикальной и поперечной ветру плоскостях.

3. Методика определения дисперсии распределения концентрации примеси по видеоизображениям.

4. Методика определения коэффициентов турбулентной диффузии по данным о дисперсии распределения концентрации примеси.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основании анализа ранее проведенных экспериментальных работ разработаны статистические методы анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов, позволяющие определять дисперсию распределения концентрации примеси от точечного источника.

2. Разработана экспериментальная установка, реализующая алгоритм преобразования исходных видеоизображений аэрозольных шлейфов в динамические изображения на основе статистического анализа. Использование данного алгоритма позволяет существенно уменьшить объем видеоинформации, по сравнению с исходной, при статистическом накоплении полезного сигнала.

3. На основе разработанного алгоритма, на базе персонального компьютера, разработан программный комплекс «КАВИАШ», на основе которого проводится обработка цифровых видеозаписей. Используя разработанный программный комплекс, осуществляется преобразование исходных видеоизображений аэрозольных шлейфов в динамические изображения.

4. Разработана методика определения по динамическим изображениям аэрозольных шлейфов дисперсии распределения концентрации примеси. При анализе зависимости дисперсии от расстояния установлено, что на расстоянии до 30 метров от точки выброса не происходит расплывания аэрозольного шлейфа, что связано с влиянием начальной скорости выброса примеси и тем, что она перегрета относительно окружающего воздуха.

5. По результатам определения дисперсии рассчитаны коэффициенты турбулентной диффузии. При определении коэффициентов было установлено, что график зависимости коэффициента турбулентной диффузии от расстояния имеет три линейных участка. Первый обусловлен влиянием начальной скорости выбросов и перегревом примеси. Второй — уменьшением влияния этих эффектов. Третий соответствует случаю пассивной примеси, которая является индикатором турбулентных процессов.

6. Предложена двухпозиционная схема визирования аэрозольных шлейфов, позволяющая получать одновременно информацию об изменениях в поведении аэрозольного шлейфа в вертикальной и поперечной ветру плоскостях.

7. Исследован вопрос о границах применимости предлагаемой реализации телефотометрического метода.

Заключение

.