Статистические методы обработки и анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов в пограничном слое атмосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Петров, Андрей Вячеславович

• Петров, Андрей Вячеславович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петров, Андрей Вячеславович

Введение

ГЛАВА 1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ШЛЕЙФОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

1.1 Аэрозоль

1.2 Методы и средства изучения аэрозоля в атмосфере

1.3 Распространение аэрозольных шлейфов в атмосфере

1.3.1 Постановка задачи

1.3.2 Взаимодействие меяеду молекулярной и турбулентной диффузией

1.3.3 Полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии

1.3.4 Распространение примеси в атмосфере от точечных источников

ГЛАВА 2 ОБРАБОТКА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ АЭРОЗОЛЬНЫХ ШЛЕЙФОВ

2.1 Предварительная обработка и анализ изображений

2.2 Экспериментальная установка

2.3 Алгоритм преобразования видеоизображений

2.4 Программный комплекс анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов

2.5 Построение динамических изображений

ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ПРИМЕСИ И ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПО ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯМ АЭРОЗОЛЬНЫХ ШЛЕЙФОВ

3.1 Обзор ранее проведенных экспериментальных работ

3.2 Рассеяние примеси 75 3.3. Погрешность метода

3.4 Двухпозиционная схема визирования

3.5 Определение параметров атмосферы

3.5.1 Определение стратификации атмосферы

3.5.2 Определение коэффициентов турбулентной диффузии 87 Заключение 91 Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 метода; разработка статистических методов анализа цифровых видеоизображений аэрозольных шлейфов; разработка 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 предприятия; для исследования пространственно-временной динамики концентраций аэрозолей и газопылевых смесей в атмосфере; для 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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Петров, Андрей Вячеславович

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.

93

Заключение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петров, Андрей Вячеславович, 2004 год

1. Аэрозоль и климат- JL: Гидрометеоиздат 1991, 544с.

2. Пришивалко А.П., Астафьева Л.Г. Человек в мире аэрозолей. — Мн: Наука и техника, 1989, 158с.

3. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными средами Ч.З. Атмосферный аэрозоль. Томск: Изд-во Томского филиала СО АН СССР, 1984, 189с.

4. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. — М.: Мир 1987, 280с.

5. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль. М.: Мир, 1980, 544с.

6. Израэль Ю. А., Назаров И. М., Прессман А. Я. Кислотные дожди JI.: Гидрометеоиздат 1989, 270с.

7. Torvela H.J. Measurement of atmospheric emissions. London: Springer-Verlag, 1994, 205p.

8. Industrial air pollution. Assessment and control. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1992, 23 5p.

9. Вейцер Ю.М., Лучинский Г.П. Маскирующие дымы. М.: Химиздат, 1947, 202с.

10. Ю.Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983,280с.11 .Левин Л.М. О заборе проб аэрозоля. // Изв. АН СССР. Сер. Геофизическая, 1957, №7, С.914-925

11. Новиков Е.А. Осаждение частиц аэрозоля из потока на препятствие. // Изв. АН СССР. Сер. Геофизическая, 1957, №8, С.1034-1044

12. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, 279с.

13. Вызова H.JI., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, 264с.

14. Клочков В.П., Козлов Л.Ф., Потыкевич И.В., Соскин М.С. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. К.: Наукова думка, 1985, 760с.

15. Межерис Р. Лазерное дистанционные зондирование. М.: Мир, 1987, 552с.

16. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей./ Зуев В.Е., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. и др. Новосибирск: наука, 1986, 190с.

17. Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лидарные системы. Минск: Университетское издательство, 1986, 288с.

18. Шишловский А.А Прикладная физическая оптика. М.: Физматгиз, 1961,824с.

19. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 448с.

20. Казанский А.Б., Монин А.С. О форме дымовых струй. // Изв. АН СССР. Сер. Геофизическая, 1957, №8, С.1020-1033

21. Яншин В.В. Анализ и обработка изображений: принципы и алгоритмы. -М.: Машиностроение, 1995, 112с.

22. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. М.: Логос, 2001, 264с.

23. Аковецкий В.И. Дешифрирование снимков. -М.: Недра, 1983, 374с.

24. Фукунага К. Введение в статистическую теорию распознавания образов. М.: Наука, 1979, 368с.

25. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1985, 312с.

26. Применение цифровой обработки сигналов, /ред. Оппенгейм Э. М.: Мир, 1980, 552с.

27. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидродинамика. Теория турбулентности.Т.1 -С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1992, 696с.

28. Монин А.С. Теоретические основы геофизической гидродинамики. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 424с.

29. Гиффорд Ф. Статистическая модель дымовой струи // Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: ИЛ, 1962, с. 143-163

30. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / под. ред. Ф.Т.М. Ньистайдта и X. Ван Дона. Л.: Гидрометеоиздат, 1985,351 с.

31. Монин А.С. Распространение дыма в приземном слое атмосферы // Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: ИЛ, 1962, с. 366-381

32. Frekiel F. N., Adv. Appl. Mech., 3, 61, (1953)

33. Гиффорд Ф. Статистическая модель дымовой струи // Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: ИЛ, 1962, с. 143-163

34. Вызова Н.Л. Метод оценки атмосферной диффузии по турбулентным характеристикам // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. 1971. Л.,ГИМИЗ,с. 179-193.

35. Хааген-Смит А. Дж. Загрязнение воздуха в городах. // Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: ИЛ, 1962, с. 143-163

36. Уваров Д.Б., Жуков Г.П. О связи оптических характеристик дымовых струй с весовой концентрацией. Труды ИЭМ, вып 15(60), 1976, с. 100-117

37. Дмитриев Б.Н., Суторихин И.А. Цифровые синтезированные изображения аэрозольных шлейфов // Оптика атмосферы и океана. №8 Том 13. 2000 г. ISSN 0869-5695, 779-783 С.

38. Банах В.А., Миронов В.Л., Суторихин И.А., Смалихо И.Н., Морский В.В. Статистические характеристики интенсивности рассеянного на аэрозольном шлейфе оптического излучения // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т.6. N10. С.1289-1297

39. Дмитриев Б.Н.,Куценогий К.П., Морский В.В.,Суторихин И.А. Телефотометрический метод контроля производительности источника // Международный симпозиум Контроль и реабилитация окружающей среды. Тезисы докладов. Томск. Изд: ИОА СО РАН, 1998. С. 155-156

40. Дмитриев Б.Н., Суторихин И.А. Статистическая обработка цифровых изображений аэрозольных шлейфов // V Рабочая группа Аэрозоли Сибири. Тезисы докладов. Томск. Изд: ИОА СО РАН, 1998. С.95-98.

41. Миронов B.JI, Суторихин И.А., Морский В.В. Система обработки изображений в задачах зондирования дымовых шлейфов //Оптика атмосферы и океана. 1990. Т.З. № 4. С. 112-114.

42. Дмитриев Б.Н., Суторихин И. А. Цифровые синтезированные изображения аэрозольных шлейфов // Оптика атмосферы и океана, т. 13, №8, 2000 г., 779-783 С.

43. Дмитриев Б.Н., Суторихин И. А. Применение статистических методов обработки сигналов к анализу цифровых видеоизображений аэрозольных шлейфов // «Известия Алтайского Государственного Университета», т. 15, №1, 2000 г., С. 41-45

44. Петров А.В., Суторихин И.А. Определение характеристик аэрозольных шлейфов в приземном слое атмосфере по видеоизображениям. Аэрозоли Сибири. X рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2003 год, с.61.

45. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. -М.: Сов. радио, 1979, 312с.

46. Тараторкин А.И. Цифровая обработка динамических полей // Цифровая оптика: Обработка изображений и полей в экспериментальных исследованиях. Сборник научных трудов. М.: Наука, 1990, с. 78-105.

47. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений./ Борисов А.Н., Алексеев А.В., Меркурьева Г.В. и др. М.: Радио и связь, 1989, 304с.

48. Как выбрать видеокамеру? Обзоры, тесты и статьи по видеокамерам. — http://www.newvideo.ru/video/articles/cameri.shtml

49. Ортлеп М., Хорш М. Video для Windows. М.: Мир, 1995, 224 с.

50. Дуда А., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. М.: Мир, 1976, 511с.

51. Кондратьев К.Я. Атмосферный аэрозоль как климатообразующий компонент атмосферы. // Оптика атмосферы и океана, т. 15, №4, 2002 г., 301321 С.

52. Кэнту М. Delphi 7: Для профессионалов. СПб.: Питер, 2004, 1001с.

53. Тейксейра С., Пачеко К. Delphi 5. Руководство разработчика. Т.1. Основные методы и технологии программирования. М.: Вильяме, 2000, 832с.

54. Климова JI. М. Pascal 7.0. Практическое программирование. — М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2002, 528с.

55. Александров В.В., Горский Н.Д. Алгоритмы и программы структурного метода обработки данных. — JL: Наука, 1983, 208с.

56. Теория оптических систем. / Бе^нов Б.Н., Заказнов Н.П., Кирюшин С.И., Кузичев В.И. -М.: Машиностроение, 1981, 432с.

57. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. -М.: Высш. шк., 2004, 479с.

58. Елисеев B.C. К вопросу о фотографировании дымовых струй от промышленных источников. // Труды ГГО, вып. 238, 1969, 86-95С.

59. Бруевич П.Н. Фотограмметрия. М.: Недра, 1990, 285с.

60. Скирдов А.С. Стереофотограмметрия. — М.: Изд. Геодезической и картографической литературы, 1951, 356с.

61. Петров А.В. Использование полистатической схемы визирования при мониторинге аэрозольных выбросов. // Ползуновский вестник №2, 2004, С. 99-103

62. Мартинес Ф. Синтез изображений. Принципы, аппаратное и программное обеспечение. -М.: Радио и связь, 1990, 192с.

63. Атмосфера. Справочные данные, модели. — JL: Гидрометеоиздат, 1991,512с.

64. Шнайдман В.А., Фоскарино О.В. Моделирование пограничного слоя и макротурбулентного обмена в атмосфере по данным первого глобального эксперимента ПИТАЛ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990, 160с.