Разработка радиотехнической системы дистанционного мониторинга лесных и торфяных пожаров на базе геоинформационных технологий

Актуальность темы

диссертации. В 1992 г. Россия вместе со 178 государствами подписала программные документы, определяющие согласованную политику мирового сообщества по обеспечению устойчивого развития и сохранения биосферы Земли. Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию, обеспечивающему сбалансированное решение социально-экономических задач, благоприятное состояние окружающей среды и сохранение природно-ресурсного потенциала с учетом интересов будущих поколений. Важное место в реализации этой концепции занимаю i научно-технические вопросы, связанные с методами и средствами, позволяющими осуществлять мониторинг земной поверхности и оценивать состояние природных и геотехнических систем.

Существенным недостатком многих средств наблюдения является зависимость получения требуемой информации oi погодных условий, времени года и суток. Возможность получения информации в любое время года и суток в сложных метеоусловиях могут обеспечить только радиотехнические средства.

Лесные экосистемы и, в частности, леса обширной территории России играют огромную роль в глобальных процессах, происходящих па планете, а также в экономике страны. Оперативная оценка текущих запасов древесины и их динамики, связанной с естественным ростом леса, хозяйственной деятельностью, воздействием пожаров и вредителей, является весьма актуальной.

Изучение возможностей дистанционных методов и построение соответствующих моделей с использованием данных аэрокосмического зондирования Земли проводилось в рамках нескольких международных проектов, таких как BOREAS, LBA, FIFE и др.

За последние более чем 30 лет решены фундаментальные вопросы теории переноса излучения в атмосфере, созданы высокочувствительные.

СВЧ радиометры. Значительный вклад в разработку методов СВЧ радиометрии внесли Н. А. Арманд, К. С. Шифрин, А.II. Башаринов, А. Г. Горелик, А. П. Наумов, Б. Г. Кутуза, В. Д. Степаненко, А. А. Кравцов, Г. Г. Щукин, В. В. Фалин, Ed.R. Westwater. Разработкой средств моделирования радиотехнических методов дистанционного зондирования природных сред занимались В. К. Волосюк, А. А. Потапов, О. Р. Никитин, А. Г. Гранков, В. Н. Гаврилов и многие другие. Выполненные исследования показывают принципиальную СВЧ радиометрического метода мониторинга пожароопасных ситуаций.

Вместе с тем существующая в стране 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. Это противоречие ставит важнейшую научную и практическую задачу, разработки научно-методического аппарата построения и эксплуатации беспилотных комплексов радиомониторинга лесных и торфяных пожаров на основе геоинформационных технологий. Наиболее предпочтительным решением является дополнение существующей аэрокосмической системы региональными системами мониторинга, включающей воздушные патрули, наблюдательные пункты, использующие средства беспилотной малой авиации, оснащенные радиометрическим и скаттерометрическим оборудованием помимо систем ИК и оптического диапазона. Использование указанного оборудования повышает возможности систем природного радиомониторинга, но требует проведения дополнительных исследований связанных с моделированием радиотехнических методов дистанционного зондирования природных сред, интерпретацией результатов измерений, разработкой алгоритмов принятия решений, методик применения беспилотных комплексов для решения конкретных народно-хозяйственных задач.

Актуальность работы определяется необходимостью разработки новых организационно-технических решений, позволяющих обеспечить проведение дистанционного радиотехнического контроля за пожароопасными ситуациями лесов и торфяников с использованием средств малой авиации и принятие на этой основе управляющих решений по поддержанию заданного стандартом уровня пожарной безопасности .

Цель диссертационной работы — разработка структурной организации региональной радиотехнической системы мониторинга и регистрации лесных и торфяных пожаров.

Для достижения указанной цели в диссертации сформулированы и решены следующие научные задачи:

• Математическое и натурное моделирование радиотехнических методов зондирования земной поверхности.

• Разработка структуры радиотехнических измерений комплекса на базе беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

• Разработка методики обнаружения и картографирования очагов самовозгорания торфяников и лесных пожаров.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов системного анализа, статистической радиотехники, моделирования и экспериментальных исследований с использованием новых информационных технологий получения знаний об объектах контроля.

Научная новизна результатов заключается в том, что: 1. С помощью математического моделирования радиотехнических методов дистанционного зондирования доказана возможность определения координат диэлектрической неоднородности, находящейся под слоем среды с комплексной диэлектрической проницаемостью.

2. На основе математического моделирования и экспериментальных исследований определены требования к радиотехнической системе мониторинга лесных и торфяных пожаров на базе БПЛА, характеристики обнаружения и их зависимость от параметров движения и аппаратуры.

3. Разработаны методика и рекомендации по использованию и построению радиотехнической системы мониторинга очагов возгорания торфяников и лесных пожаров с применением геоинформационных технологий на базе БПЛА.

Научная значимость результатов состоит в разработке научно-методического аппарата, позволяющего обосновать принимаемые решения по обнаружению скрытых очагов возгорания торфяников и картографированию лесных и торфяных пожаров с использованием беспилотного комплекса радиомониторинга с применением геоинформационных технологий.

Практическая значимость научных результатов заключается в разработке структурной организации построения беспилотного комплекса и рекомендаций по его применению для дистанционного радиомониторинга пожаров и пожароопасных ситуаций, обеспечивающего соответствующий современным требованиям уровень противопожарной защиты лесов на местном и региональном уровнях.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Библиотека математических и натурных экспериментов по исследованию фрагментов природных сред с имеющимися в них термонеоднородностями.

2. Методика обнаружения и картографирования очагов самовозгорания торфа и лесных пожаров.

3. Рекомендации по построению беспилотных комплексов радиомониторинга лесных и торфяных пожаров с применением геоинформационных технологий.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований использовались в виде математических моделей и алгоритмических средств при разработке ОКР по фонду «У.М.Н.И.К.» ООО «Плазменные технологии» региональной организации МЧС Владимирской области, внедрены в учебный процесс кафедры РТ и PC ВлГУ для проведения занятий студентов по специальностям радиотехнического направления.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на VIII международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации», Владимир 2009, III научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление.» Ковров: КГТА, 2008, IV Межотраслевой конференции аспирантов и молодых ученых с международным участием «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление.» Ковров: КГТА, 2009.

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, включая две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, насчитывающего 100 наименований. Работа изложена на 234 страницах и содержит 103 рисунка и 7 таблиц.

Выводы.

1. Проведен обзор типов непилотируемых летательных аппаратов для решения задачи мониторинга лесных пожаров. Разработана структура экспериментального измерительного комплекса непилотируемого J1A. Произведен выбор радиометра, навигационного приемника, радиомодема, видеокамеры, антенных систем, разработан управляющий микроконтроллер и его программное обеспечение.

2. Произведен выбор ГИС «Карта-2005» позволяющей наиболее эффективно организовать информационную среду системы радиомониторинга для решения задач обнаружения лесных и торфяных пожаров, обеспечивающую минимальный уровень трудозатрат при написании специального программного обеспечения и интегрирования ранее разработанных алгоритмов. Разработана методика геопривязки результатов измерений.

3.Доказана возможность применения СВЧ радиометрии для выделения контуров лесных пожаров и оценки интенсивности их горения путем челночных полетов над пожарами. Проведены оценки интенсивности излучения пламени лесного пожара в СВЧ-диапазоне. Рассмотрено влияние дымового шлейфа и крон деревьев на спектр СВЧ — излучения и возможность обнаружения очагов лесных пожаров. Результаты расчетов сопоставлены с самолетными измерениями СВЧ — излучения в диапазоне волн 0, 8 и 3, 4 см. Определено оптимальное значение рабочей частоты радиометра.

3. Показано, что спектр собственного СВЧизлучения торфа существенно зависит от распределения по глубине темпера туры и влажности торфа. Процесс саморазогревания во многих случаях сопровождается повышением влажности торфа перед зоной очага саморазогревания, что связано с конденсацией паров воды, диффундировавших из зоны максимального разогрева (очаг «выталкивает» влагу). Это обстоятельство, с одной стороны, приводит к выравниванию влажности прослоек торфа в приповерхностном слое (интенсификация процесса влагопереноса), а с другой стороны обусловливает понижение излучательной способности в длинноволновом части спектра для тех участков штабелей торфа, где наблюдаются глубинные изменения температуры.

4. Разработана методика обнаружения и картографирования очагов самовозгорания торфа и лесных пожаров. Определены зависимости характеристик обнаружения от высоты и скорости полета, размеров неоднородности, параметров радиометра, типа объекта.

5.Предложен вариант организации схемы радиомониторинга с стабилизацией уровня ложных обнаружений к изменяющимся условиям наблюдений.

6. Предложено использование комплексирования информации радиометрического мониторинга и результатов измерений в оптическом (инфракрасном) диапазоне, позволяющее значительно снизить затраты на отработку ложных обнаружений очагов возгорания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам работы можно отнести:

1. Для организации и поддержания системы по обнаружению и тушению лесных пожаров на всей территории лесного фонда России имеющихся ресурсов недостаточно и в этих условиях наиболее предпочтительным решением является дополнение существующей аэрокосмической системы региональными системами мониторинга, включающей воздушные патрули, наблюдательные пункты, использующие средства беспилотной малой авиации, оснащенные радиометрическим и скаттерометрическим оборудованием помимо систем ИК и оптического диапазона, что расширяет возможности систем природного радиомониторинга.

2. Проведены исследования основных электродинамических моделей поверхностей с точки зрения их применимости для оценок электрофизических параметров и статистических характеристик, а также приведены результаты разработок модификаций этих моделей.

3. Разработан алгоритм моделирования и программный продукт, реализованный в виде toolbox для среды разработки Matlab Особенностью данной модели является её расширяемость, достигнутая благодаря созданию открытых библиотек, общедоступных из среды разработки при интеграции разработанного пакета моделирования. Модель была создана на основе объектно-ориентированного подхода, который так же позволяет обращаться к библиотекам природных сред как функциональным блокам для постройки более сложных их комбинаций.

4. Доказана адекватность модели при сравнении результатов моделирования как с экспериментальными данными, так и при сопоставлении данных, полученных в результате моделирования одних и тех же сред при помощи различных библиотек модели. Возможность этого обеспечивается в силу перекрытия условий применимости данных библиотек.

5. На основании проведенных исследований разработана структура радиотехнической системы на базе беспилотного JIA.

6. Произведен выбор ГИС «Карта-2005» позволяющей наиболее эффективно организовать информационную среду системы радиомониторинга для решения задач обнаружения лесных и торфяных пожаров, обеспечивающую минимальный уровень трудозатрат при написании специального программного обеспечения и интегрирования ранее разработанных алгоритмов .

7. На основе теоретических и экспериментальных работ по радиомониторигу лесных пожаров выяснена радиофизическая сущность и СВЧ — характеристики очагов лесных и торфяных пожаров, изучены радиофизические характеристик торфа и напочвенного покрова.

8. Разработана методика обнаружения и регистрации очагов самовозгорания торфа и лесных пожаров. Определены зависимости характеристик обнаружения от высоты и скорости полета, размеров неоднородности, параметров радиометра, типа объекта.

9. Предложен вариант организации схемы радиотехнической системымониторинга с стабилизацией уровня ложных обнаружений к изменяющимся условиям наблюдений.

10. Предложено использование комплексирования информации радиометрического мониторинга и результатов измерений в оптическом (инфракрасном) диапазоне, позволяющее значительно снизить затраты на отработку ложных обнаружений очагов возгорания.