Космические измерительные методы инфракрасного теплового диапазона при мониторинге потенциально опасных явлений и объектов

Объекты с высоким расходом энергии (атомные и тепловые электростанции, системы городского и промышленного теплоснабжения, нефтегазовые промыслы, металлургические предприятия), а также высокоэнергетические явления (землетрясения, вулканические извержения, лесные пожары) являются потенциально опасными как с позиций непосредственной безопасности населения, так и с позиций загрязнения окружающей среды.
Все эти объекты и явления характеризуются повышенной теплоотдачей в окружающую среду и, следовательно, повышенной интенсивностью уходящего длинноволнового излучения. Это открывает возможность широкого применения методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), использующих ИК-тепловой диапазон электромагнитных волн для мониторинга этих объектов. Естественно, что наиболее эффективным при мониторинге потенциально опасных явлений и объектов является измерительное направление в методах ДЗЗ, позволяющее картографировать пространственное распределение различных физических характеристик объектов и явлений.
В последние годы все большее значение при решении экологических задач приобретает концепция мониторинга, подразумевающая регламентированный контроль за изменением различных компонентов окружающей среды под влиянием многочисленных (в первую очередь техногенных) факторов.
Высокая оперативность и эффективность контроля могут быть обеспечены за счет применения дистанционных методов исследований. Одним из элементов мониторинга среды обитания является тепловая инфракрасная аэросъемка (ТИКАС). Под инфракрасной съемкой понимают регистрацию электромагнитного излучения различных объектов в инфракрасной (ИК) области спектра и преобразование его в видимое изображение. По принятой классификации ИК область спектра условно делится на 4 диапазона: ближний (0.76 - 3.0 мкм); средний (3 - 6 мкм); дальний (6 - 15 мкм) и очень далекий (> 15 мкм).
Формирование изображения в ближнем диапазоне происходит в основном за счет отраженного солнечного излучения, поэтому для регистрации излучения здесь применяются те же методы, что и в видимом диапазоне. Излучение в очень далекой части инфракрасного спектра практически полностью поглощается атмосферой. Особый интерес представляет съемка в среднем и дальнем диапазонах ИК области спектра. В указанных диапазонах распространяется собственное излучение объектов земной поверхности, при этом интенсивность ИК излучения обусловлена их тепловым состоянием. Поэтому съемка называется тепловой инфракрасной, что наиболее полно отражает суть метода.
К измерительным методам ДЗЗ, использующим тепловой диапазон, могут быть отнесены:

• дистанционный геотермический метод — картографирование теплового потока, тепловой инерции и скорости испарения влаги с поверхности;
• дистанционная ИК-спектрометрия — определение минерального состава поверхностных отложений;
• определение концентраций различных газов в атмосфере.

Изменение социально-экономической системы стран СНГ привело к общему износу оборудования на потенциально опасных металлургических, химических предприятиях и на объектах топливно-энергетического комплекса. В связи с этим прогнозируется возрастание частоты техногенных катастроф. С другой стороны, одновременно с возрастанием антропогенной нагрузки на окружающую среду наблюдается глобальное потепление климата. Это повысило риск антропогенно-индуцированных природных катастроф.
Предотвращение и снижение ущербов от техногенных и природных катастроф требует их надежного прогнозирования и мониторинга последствий. Учитывая громадную территорию большинства стран СНГ, экономически наиболее эффективно такое прогнозирование выполнять на основе широкого применения космических методов ДЗЗ. Как показывает опыт, наиболее эффективным и при мониторинге потенциально опасных явлений и объектов являются измерительные аэрокосмические методы ДЗЗ, позволяющее картографировать пространственное распределение физических характеристик объектов.
Измерительное направление позволяет не только обнаружить, описать в терминах физических величин объект и опознать его, но и оценить в вероятностной форме надежность таких заключений. Это дает возможность выполнить оценку экономических рисков, которая необходима для системы информационной поддержки принятия управленческих решений по предотвращению и минимизации последствий техногенных и природных катастроф.
Потенциально опасные техногенные объекты и разрушительные природные явления характеризуются высоким расходом энергии, что в первую очередь проявляется в повышении их температуры. В связи с этим инфракрасный тепловой диапазон спектра электромагнитных волн представляется наиболее информативным при решении задач космического мониторинга таких объектов и явлений.
Тепловые измерительные методы ДЗЗ из космоса:

• Дистанционный геотермический метод (ДГМ).

Геотермия изучает строение и термическое состояние Земли на основе измерения температуры, тепловых свойств и тепловых потоков как в ее недрах, так и на дневной поверхности. Потоки длинноволнового (ИК) излучения дневной поверхности, определяемые ее температурой, могут быть зарегистрированы дистанционно — тепловой аэрокосмической съемкой [1]. Известно, что температура земной поверхности (ТЗП) зависит от плотности потока суммарной солнечной радиации, поступающей на земную поверхность (ЗП), альбедо земной поверхности, коэффициента излучения, тепловой инерции (ТИ), плотности теплового потока (ТП) из земных недр, влажности почвы, геометрии поверхности и структуры грунта, метеорологических условий, концентрации в атмосфере оптически активных газов (например, СО2, SO2) и времени. Большое количество факторов, влияющих на ТЗП, не позволяет путем визуального анализа пространственного распределения ТЗП, выявлять участки с повышенными значениями ТП. Например, повышение ТИ за счет смены типа почв может привести в ночное время суток к повышению ТЗП, эквивалентному повышению ТП на несколько Вт/м2.
Поэтому для дистанционного измерения ТП необходимо «очистить» исходные результаты тепловой аэрокосмической съемки (ТАКС) от влияния других факторов. Уравнение теплового баланса земной поверхности иллюстрирует трудности этого:
qк + qд + qт + qи + qс + qг + q = 0,
где (в Вт/м2) плотности коротковолновой — qк и длинноволновой радиации — qд; затраты тепла поверхностью на турбулентный теплообмен с атмосферой — qт и на испарение — qи; плотности ТП, формирующиеся под влиянием суточных — qс и годовых тепловых ритмов — qг; плотность ТП из земных недр (геотермальный ТП) — q.
Для решения обратной геофизической задачи разработан специальный алгоритм, базирующийся на математической модели суточного хода ТЗП [1], учитывающей основные факторы, под влиянием которых формируется ТЗП.
В его основе лежат следующие предположения:

• метеорологические условия и концентрация оптически активных газов в атмосфере в пределах всего исследуемого участка идентичны;
• коэффициент излучения и альбедо ЗП, ТИ и ТП из земных недр не изменяются в течение всего периода проведения ТАКС.

Для определения по данным тепловой аэрокосмической съемки трех основных параметров (ТИ, ТП и скорости испарения влаги (СИ)), полностью обусловливающих при данных метеорологических условиях термическое состояние ЗП, необходимо выполнить, как минимум, трехразовую ТАКС в различное время суток (день, ночь, утро или вечер) так, чтобы результаты ТАКС возможно полно характеризовали суточную динамику ТЗП. Для выполнения условий стабильности во времени свойств ЗП ТАКС следует проводить в течение периода не более чем в 7-10 дней в стабильных метеоусловиях, при отсутствии осадков.
Для реализации алгоритма необходимо в пределах исследуемого участка провести круглосуточные метеорологические наблюдения за суммарной солнечной радиацией, температурой и влажностью воздуха на высоте 2 м над ЗП, ТЗП (последняя необходима для уточнения математической модели суточного хода ТЗП), скоростью ветра на высоте 2 м над ЗП, атмосферным давлением, облачностью.
Таким образом, отклонения ТП от среднего, превышающее 30 Вт/м2, для единичного пикселя может считаться аномалией.
Применение ДГМ при решении широкого круга задач экологической безопасности показало высокую эффективность этого дистанционного метода. Так, была выполнена оценка влияния теплового вклада сбросов атомных станций на тепловой баланс Балтийского моря, проведено сравнение экономичности отечественной и западной систем теплоснабжения городов, выполнен анализ топливно-энергетического баланса Ленинградской области.
Дистанционные измерения ТП позволили впервые поставить для бореальной зоны вопрос о значимости вклада внутренней энергии Земли в тепловой баланс ЗП. Это позволило выявить корреляцию между пространственным распределением в бореальной зоне локальных ареалов теплолюбивой растительности и аномалиями конвективного ТП, с этих позиций исследовать причину формирования уникальной экстерриториальной экосистемы Большого Соловецкого острова.

• Космическая ИК-спектрометрия.

ИК-спектрометрия — хорошо известный метод, применяемый в лабораторных условиях для минералогического анализа. Различные минералы имеют спектральные особенности в ИК-тепловой области спектра электромагнитных волн. Эти особенности позволяют идентифицировать минералы, например, такие породообразующие минералы как силикаты, сульфаты, карбонаты. Спектрорадиометр ASTER, установленный на спутнике Terra, специально предназначен для картирования горных пород, содержащих эти минералы.
Для реализации метода космической ИК-спектрометрии необходимо решить несколько задач. Прежде всего требуется выполнить прецизионный учет влияния атмосферы на результаты спутниковых измерений. После чего возникает задача решения недоопределенной системы уравнений:
Rj = εjΒ(λj, T),
где Rj — яркость излучения, измеряемая в j-ом канале; εj — коэффициент излучения ЗП в j-ом канале; Β(λj, T) — функция Планка; T — термодинамическая температура ЗП; λj — длина волны j-го канала; j =1÷N.
Система состоит из N уравнений с N+1 неизвестными величинами (N коэффициентов излучения + термодинамическая температура ЗП). Поэтому система не доопределена и отсутствует единственное решение. Предложено несколько методов решения этой задачи и, в том числе, на основе проведения повторных съемок.
Первые результаты применения нами этого измерительного метода ДЗЗ показали его высокую эффективность по дистанционному картированию вещественного состава пород и аэротехногенных загрязнений окружающей среды крупными промышленными предприятиями, такими как Норильский горнометаллургический комбинат, Астраханский газовый промысел, Орско-Халиловский горнодобывающий район, Череповецкий металлургический комбинат.
Физические основы картографирования по данным космической съемки теплового диапазона (ETM+, ASTER, MODIS).
Тепловое поле поверхности суши определяется внутренними и внешними источниками тепла, тепловыми свойствами горных пород. Факторами формирования региональных и локальных аномалий температур поверхности суши могут быть:

• эндогенное тепло Земли;
• региональные и локальные условия инсоляции;
• проявления современного вулканизма и тектонических движений;
• многолетнемерзлые породы (ММП), т.е. мощные (до сотен метров) толщи пород с отрицательными температурами;
• циркуляция подземных, в том числе термальных вод;
• наличие пород и руд с повышенной радиоактивностью;
• химические и биохимические процессы (экзотермические и эндотермические), происходящие в нефтегазоносных горизонтах, залежах угля, сульфидных и других рудах, почвах, а также антропогенных отложениях.

В соответствии с вышеперечисленными факторами, неоднородность распределения теплового поля может являться индикатором объектов, процессов и явлений имеющихся на исследуемой территории.
Одним из дистанционных методов геотермического картографирования является аэрокосмическая съемка в инфракрасной (ИК) области спектра. Как правило съемка производится в средней (SWIR) и дальней (TIR) частях ИК области спектра (1.5 - 3.0 и более 3.0 мкм, соответственно). В указанных спектральных диапазонах распространяется собственное тепловое излучение объектов земной поверхности. Интенсивность излучения в основном обусловлена тепловым состоянием излучающей поверхности, поэтому съемку, выполняемую в средней (SWIR) и дальней (TIR) частях ИК области спектра, называют "тепловой инфракрасной". Аналогичное название принято в зарубежной литературе - "thermal infrared survey".
Обзор имеющихся космических средств ДЗЗ в ИК области спектра.
Аэрокосмический дистанционный анализ земной поверхности в средней и дальней частях ИК области разрабатывался с середины 60-х годов исключительно в целях военного применения. Съемки в TIR диапазонах проводились в целях гидрогеологического изучения территории. Длины волн больше 15 микрометров полностью поглощаются атмосферой и для изучения земной поверхности космическими дистанционными методами малоинформативны. Впоследствии такие съемки стали проводиться авиационными СВЧ - радиометрами.
Регулярные и широкодоступные данные по изучению тепловых свойств земной поверхности стали поступать в конце 70-х годов с метеорологических спутников NOAA (радиометр AVHRR), после запуска спутников Landsat-5 (запущен в 1984 г.) и Landsat-7 (запущен в 1999 г.) в 6 канале радиометров TM и ETM (соответственно), а также спутников TERRA, запущенного в 1999 г. (радиометры MODIS и ASTER) и AQUA (радиометр MODIS), запущенного в 2002 г. Эти данные ДЗЗ в настоящее время наиболее доступны для исследователей СНГ и могут быть получены из Интернет или на приемную станцию непосредственно с КА (NOAA, TERRA, AQUA). Возможности съемки вышеуказанными радиометрами в NIR, SWIR и TIR частях ИК области спектра приведены в таблице.

Точность измерений.
Основным условием достоверности результатов при дистанционном определении температуры поверхности по данным ДЗЗ из космоса и достижения максимально возможной точности измерений, является учет воздействующих на измерение факторов:

• температура окружающего воздуха (ambient atmospheric temperature);
• влажность атмосферного воздуха (atmospheric humidity);
• скорость ветра (wind velocity);
• облачность (cloud cover);
• прозрачность атмосферы (atmospheric clarity);
• отражающие и излучающие свойства земной поверхности (reflectance and emmissivity of the earth's surface);
• растительный покров (vegetative cover);
• высота поверхности над уровнем моря (surface elevation above sea level);
• рельеф поверхности (local topography);
• особенности поверхности (surface features);
• тип почвы и степень её увлажнённости (soil moisture and soil type).

Максимальная точность измерения температуры:
- MODIS - 0.3-0.5 oC (вода) и 1 oС (суша);
- ASTER - 0.02 oС.

Заключение

Опыт применения методов ДЗЗ, использующих ИК-диапазон электромагнитных волн, показал, что измерительное направление позволяет распознавать объекты не только по их форме и внутренней структуре (как это делается при визуальном дешифрировании данных дистанционных измерений), а по набору дистанционно измеренных количественных характеристик. Это предъявляет специфические требования к техническим системам ДЗЗ, ориентированным на использование измерительной методологии. На первый план выходит не геометрическое разрешение съемочных систем, а их чувствительность.
Важным требованием является полное метрологическое обеспечение съемочных систем и наличие внутренней калибровки. Естественно, что измерение одного параметра не позволяет распознавать объекты среди множества других. Для этого требуется измерение нескольких независимых характеристик объектов и это определяет еще одно требование к съемочным системам, ориентированным на измерительные методы ДЗЗ, многоканальность.
Кроме того, широкое внедрение измерительного направления ДЗЗ возможно только на основе создания обширного банка пространственно-временных статистических распределений количественных характеристик объектов. Это является важнейшей научной задачей, решение которой позволит перейти к использованию формализованных подходов при обнаружении и мониторинге потенциально опасных объектов и явлений.

Литература

• В.И. Горный. Космические измерительные методы инфракрасного теплового диапазона при мониторинге потенциально опасных явлений и объектов.
• Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съемка. М.: Недра, 1993. 128 с.
• Watson K., Rowan L.C., Offield T.V. Application of Thermal Modeling in Geologic Interpretation of IR Images // Proc. of 7th Intern. Symp. on Remote Sensing of Environment. Ann Arbor. Michigan, 1971.
• Gorny V.I. et al. Estimation of nuclear power plants influence on the Baltic Sea thermal state by using infrared thermal satellite data // Intern. J. of Remote Sensing. 2000. V. 21. N 12. P. 2479–2496.