Распознавание и прогнозирование лесных пожаров на базе ГИС-технологий
Дипломная работа - Экология
Другие дипломы по предмету Экология
дипломной работе необходимо рассмотреть законы излучения в инфракрасной области спектра и пропускание этого излучения атмосферой Излучение абсолютно черного тела описывается следующими законами:
I Закон Планка - определяет теоретически распределение энергии в спектре излучения
2.6.1.
где - спектральный радиационный выход энергии;
- излучательная способность (коэффициент излучения), безразмерная величина;
- первая константа излучения, 3,7413х108 Вт х мкм4/м;
- длина волны излучения, мкм;
- вторая константа излучения - 1,4388х104 мкм х К;
- абсолютная температура излучения, К.
П Закон Стефана - Больцмана
2.6.2.
где- радиационный выход энергии;
- постоянная величина - 3,14;
- постоянная излучения Стефана-Больцмана, =5,6693х10-8 Вт/м2 х К4.
Ш Закон Стефана Больцмана-Планка
2.6.3.
где - интегральная плотность излучения АЧТ;
- постоянная излучения Планка.
При прохождении через земную атмосферу тепловое излучение поглощается и рассеивается молекулами газа, скоплениями молекул (аэрозолями) и парами воды. Ниженазванные молекулы поглощают ИК излучение в полосах спектра iентрами, соответствующими указанными длинам волн (перечислены в порядке важности): воды (2,7; 3,2; 6,3 мкм), углекислого газа (2,7; 4,3; 15 мкм); озона (4,8; 9,6; 14,2 мкм), закиси азота (4,7; 7,8 мкм), окиси углерода (4,8 мкм) и метана (3,2; 7,8 мкм). Наиболее сильно излучение поглощается парами воды, углекислым газом и озоном. Полосы iентрами 2,7 и 15 мкм (СО2) и iентром 6,3 мкм (водяной пар), поглощающие излучение, ограничивают пропускание излучения атмосферой в диапазоне длин волн 2-20 мкм, определяя положение двух окон прозрачности: 3,5-5 и 8-14 мкм. На данных длинах волн коэффициент пропускания атмосферы определяется законом Бцера Ламберта
2.6.4.
где L - дальность от объекта излучения до объекта измерения этого излучения, м.
При этом выбор более узкого спектрального интервала 3,5-4 мкм или 4,5-5 мкм, позволяет избежать влияние полос поглощения Н2О и СО2 iентрами соответственно 3,2 и 4,3 мкм.
Необходимо отметить, что тепловое излучение при земной температуре состоит из собственного излучения, обусловленного переходами между колебательными и вращательными энергическими излучениями от других нагретых источников. Для обнаружения объекта необходима разница в температуре между фоном и объектом, которая регистрируется приемниками.
2.6.5
где СR - радиационный контраст, безразмерная величина;
- радиационный выход энергии объекта;
- радиационный выход энергии фона;
разница лишь в единицах измерения
рис. 2.6.1. Радиационный контраст в диапазоне 8-14 мкм
в зависимости от разности температуры объекта и фона.
Значения , вычисленные при значениях окружающей температуры 300К и разности температур объекта и фона , для двух используемых окон прозрачности атмосферы:
Спектральный диапазон, мкм3,5-5
8-145,56 х 10-4
1,72 х 10-2
7,87 х 10-4
1,99 х 10-2
2 х 10-5
2,62 х 10-4
0,172
0,074
рис. 2.6.2.Значение производной спектральной плотности потока излучения,
соответствующей закону Планка, по температуре фона, Тв.
Энергия ИК части спектра в сотни раз превышает энергию, излучаемую лесным пожаром в видимой части спектра. Так раскаленная поверхность древесины в видимом диапазоне спектра излучает всего 0,1%, а 99,9% приходится на инфракрасную часть. Остывающие угли излучают в видимом диапазоне около 0,002% энергии, а в ИК 99,998%, то есть практически всю энергию. Излучение дыма целиком расположена в ИК части спектра, поэтому для обнаружения, с искусственных спутников, лесных пожаров, используется инфракрасная аппаратура.
Оценка помехозащищенности космической Ик аппаратуры, предназначенной для обнаружения лесных пожаров, для простейшей амплитудной селекции приведена в статье Арцыбашева Е.С. и др. тАЬИнфракрасная съемка лесных пожаров с высотных самолетов и искусственных спутников ЗемлитАЭ, результаты этой оценки приведены в таблице 2.6.1.
При расчетах степени черноты принимались равными: для кромки лесного пожара 0,3-0,4; внутри кольца 0,9-0,95; фона - 0,8. Внешний диаметр пожара 100м считался постоянным. Коэффициент запаса 4.
Таблица 2.6.1.
Высота орбиты, кмТемпера-тура кромки пожара, оСТемпера-тура внутри кольца, оСТемпера-тура фона, оСШирина кромки,мЛинейное разреше-ние на Земле,мПороговая чувстви-тельность аппарату-ры,
Вт х см х Гц-1/2Вероят-ность ложных тревогДиаметр объектива,мм200
200
200
400
400
400600
1200
1200
600
600
120080
120
120
80
80
12040
10
10
40
40
102
2
1
2
1
1400
400
400
800
800
80010-9
10-9
10-9
10-12
10-12
10-1210-5
10-5
10-5
10-4
10-4
10-4300
300
300
300
300
300
Расчеты показали, что использование ИК аппаратуры с многоэлементными приемниками лучистой энергии с числом площадок 30, при пороговом потоке 10-11 Вт х см-1 х Гц-1/2, позволит обеспечит высокое значение вероятности правильного обнаружения слабых и интенсивных лесных пожаров с космических высот.
Многоканальная ИК аппаратура способна на основе анализа спектрального состава излучения не только обнаруживать сам факт лесного пожара, но и в какой-то мере распознавать его фазу (возгорание, развитие и угасание).
Целесоо