Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и технологий оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде Северной и Восточной Евразии по данным космического мониторинга

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
эмиссии, малые газовые компоненты, аэрозоль, атмосфера, природные пожары спутниковые и наземные данные, космический мониторинг, системы сбора и обработки данных.

Цель проекта:
Основные задачи, решаемые в рамках проекта: 1. Разработка методов оценки объемов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент (СО, СО2) и аэрозолей при природных пожарах по спутниковым данным. 2. Разработка технологических решений, направленных на сбор и обработку данных космического мониторинга для проведения оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах. 3. Разработка технических решений по созданию Макета системы оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах для проведения экспериментальных исследований. 4. Создание фрагмента базы данных с результатом оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах, полученных для тестовых участков территории Российской Федерации на основании данных космического мониторинга. Цель прикладных научных исследований: Разработка и экспериментальная отработка методов и технологий мониторинга состояния воздушной среды для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в интересах предупреждения и уменьшения негативных последствий от природных пожаров. Целью совместных научных исследований, проводимых с китайским партнером, является развитие и реализация новых подходов к мониторингу состояния воздушной среды с учётом антропогенных и природных воздействий, ориентированных на разработку методов и технологий мирового уровня, позволяющих снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, а также усилить координацию исследовательской деятельности между научными организациями Российской Федерации и КНР.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения проекта буду получены следующие результаты:
1. Методы оценки объемов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент (СО, СО2) и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах по данным космического мониторинга.
2. Технология сбора и обработки данных космического мониторинга для проведения оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде, возникающих при природных пожарах.
3. Макет системы для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде, возникающих при природных пожарах, на основании данных космического мониторинга для проведения экспериментальных исследований.
4. Фрагмент базы данных с результатами оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде, возникающих при природных пожарах, полученных на основании данных космического мониторинга для тестовых участков территории Российской Федерации.
Основными функциями Макета системы для оценки объемов эмиссий являются:
- сбор данных космического мониторинга (космических изображений) земной поверхности, поступающих с различных космических аппаратов, как в режиме реального времени, так и из долговременных архивов;
- долговременное хранение данных в систематизированном виде (формирование и сопровождение базы данных космического мониторинга);
- выявление по данным космического мониторинга очагов природных пожаров, расчет их площадей и оценка последствий;
- расчет объемов эмиссий и динамики распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах для различных типов растительности на основании данных космического мониторинга на разных уровнях пространственной дифференциации;
- формирование различного рода выходных информационных продуктов с результатами оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей.
Скорость обработки данных:
- для выявления очагов пожаров - не более 15 минут с момента получения исходных космических данных;
- для определения площадей, пройденных огнем - не более, чем 1-2 часа с момента получения исходных данных;
- для оценки объемов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент (СО, СО2) и аэрозолей – не более, чем 1-3 часа после получения данных.
Разрабатываемая база данных будет обеспечит ввод информации со скоростью, не ниже скорости поступления информации из внешних источников и обеспечивать накопление и обработку данных в достаточном объеме для её хранения в течении 5 лет.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемым в результате выполнения проекта будет Макет системы, реализующий разработанные методы и технологии, который обеспечит оценку объемов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент (СО, СО2) и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах по данным космического мониторинга, а также фрагмент базы данных с результатами оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде, возникающих при природных пожарах, полученных для тестовых участков территории Российской Федерации.
Научная новизна исследований заключается в разработке новых и усовершенствовании существующих методов и технологий мониторинга состава атмосферы, для более точной оценки объёмов эмиссий и описания распространения вредных газов и дымового аэрозоля в пространстве и времени для территории Северной и Восточной Евразии с привлечением метеорологической и космической информации, а также данных о природных пожарах, с целью предотвращения экологической ущерба и улучшения качества жизни.
В настоящее время подходы, используемые для оценки объемов эмиссий, обладают локальностью, низкой точностью и низкой оперативностью. В связи с этим необходимы более совершенные методы получения данных о площадях пожаров, данных о наземной фитомассе и полноте ее сгорания на обширных территориях. Для этого должны быть разработаны новые методы расчета значимых параметров, повышающие точность и оперативность проведения таких оценок.
Поставленные в проекте комплексные научно-технические задачи, включают в себя как исследования в области наук о Земле, применение современных методов дистанционного зондирования, приёма и обработки космической информации, так и разработку новых методов и технологий, а также создание технических средств и программных продуктов для оценки объемов эмиссий и распространения малых газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах.
Для решения поставленных задач и достижения заявленных результатов будут реализованы специальные технологии, производится тематическая обработка космических изображений, сформированных в ИК-диапазоне спектра электромагнитных волн для выделения тепловых аномалий, обусловленных очагами пожаров на контролируемых территориях. В результате такой обработки будут рассчитываться площади, пройденные огнём и вычисляться объемы эмиссий вредных газов и аэрозолей, поступающих в атмосферу при горении биомассы.
В процессе создания Макета системы для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах будут реализованы технологии, обеспечивающие сбор данных космического мониторинга, предварительную обработку информации, ее конвертацию и ввод в базу данных, редактирование данных в этой базе и их визуализацию, тематическую обработку и визуализацию ее результатов, защиту от несанкционированного доступа.
Будет разработано специальное программное обеспечение (программные модули), в том числе модуль автоматизированного сбора исходных данных космического мониторинга и модули тематической обработки данных о состоянии воздушной среды, полученные приборами различных космических аппаратов (КА): MODIS (КА TERRA, AQUA), OMI (КА AURA), AIRS (КА AQUA), AVHRR (КА NOAA), аппаратура российского КА Метеор-М и китайского FengYun-3.
Полученные при проведении проекта результаты будут конкурентоспособны в исследуемой области в сравнении с известными отечественными и зарубежными разработками. Разработанные методы и технологии будут превосходить мировой уровень.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные в ходе настоящего проекта методы и технологии оценки объёмов эмиссий и распространения малых газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде с использованием данных о пожарах, полученных аэрокосмическими методами, обеспечат возможность комплексного мониторинга загрязнений атмосферы для исследования последствий природных пожаров. Система комплексного мониторинга природных пожаров и их последствий внесёт значимый вклад в решение проблем, связанных с охраной окружающей среды, выявлением изменений климата и обеспечением экологической безопасности.
В практическом использовании результатов проекта могут быть заинтересованы Росгидромет, МЧС России, Минздрав России, промышленные предприятия, вузы и научно-исследовательские институты, организации субъектов Российской Федерации, а также различные ведомства и организации Китая и других стран.
Выполнение данного проекта обеспечит возможность применения самых современных подходов для оценки состояния атмосферы при природных пожарах, гармонизировать данные и стандартизировать программные средства, что сэкономит значительные средства при интеграции информационных ресурсов, необходимых для оценки состояния окружающей среды на глобальном, региональном и локальном уровнях, а также обеспечит снижение негативных воздействий на атмосферу и качество жизни вследствие природных пожаров.
Коммерциализация результатов работ может быть осуществлена при практическом использовании полученных объектов интеллектуальной собственности заинтересованными организациями.
Скоординированный российско-китайский проект позволит объединить ресурсы НИИ «АЭРОКОСМОС» и Института дистанционного зондирования и цифровой Земли Китайской академии наук (RADI) для совместных исследований в области дистанционного мониторинга состояния воздушной среды и обмена данными, позволит разработать методы и технологии мирового уровня, сократить сроки выполнения работ не менее, чем на 30% и получить синергетический эффект от международной кооперации.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:
1. Разработана технология сбора и обработки спутниковых данных для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде, возникающих при природных пожарах, включающая в себя следующие методики:
- методику сбора и обработки спутниковых данных для определения очагов природных пожаров;
- методику сбора и обработки спутниковых данных для определения площади природных пожаров;
- методику сбора и обработки спутниковых данных для оценки объемов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах;
- методику сбора и обработки спутниковых данных для оценки динамики распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде.
Разработанная технология сбора и обработки спутниковых данных позволит оптимизировать процесс оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах.
2. Разработаны различные методы оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент (СО и СО2) и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах, в том числе:
2.1 Разработан метод оценки объёмов эмиссий CO, CO2 и аэрозолей от природных пожаров, который основан на применении формулы Сейлера-Крутцена, дополненной корректирующими коэффициентами, полученными в результате проведения экспериментальных исследований. В соответствии с этим методом после сбора и обработки космических данных, выявляются очаги возгорания и рассчитываются площади природных пожаров. С помощью специальных программных модулей производится расчёт объёмов эмиссий углеродосодержащих газовых компонент и аэрозолей при природных пожарах.
2.2 Разработан метод космического мониторинга динамики распространения эмиссий CO, CO2 от природных пожаров по данным прибора AIRS спутника AQUA, который основан на сопоставлении полученных данных о концентрациях СО и СО2 с полигональными изображениями очагов пожаров и выявлении зависимости повышения концентрации этих газов над районами наиболее подверженными природным пожарам. Результатом применения метода является карта распределения оксида углерода (CO и СО2), построенная по данным прибора AIRS (спутник AQUA).
2.3 Разработан метод оценки загрязнения атмосферы аэрозолями, характеризуемого параметром AOD на основе данных прибора OMI спутника AURA, основанный на регистрация повышенных значений аэрозольной оптической толщины как основного фактора аэрозольного загрязнения атмосферы и нацелен на то, чтобы проследить динамику распространения дымового аэрозоля в период пожарной активности. Для этого обрабатываются данные за каждый день в течении текущего месяца и рассчитывается средние значения распространения аэрозоля за месяц. Результаты обработки представляются в виде специальных тематических карт. Анализируется весь пожароопасный период с апреля по октябрь за несколько лет.
2.4 Разработан способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности на основании данных дистанционного зондирования подстилающей поверхности средствами, установленными на космическом носителе, синхронно, в ИК и СВЧ диапазонах, с получением изображений исследуемых участков, раздельно, в каждом канале. Результатом использования данного способа является повышение устойчивости и достоверности результатов контроля пирологического состояния подстилающей поверхности.
Подана заявка на получения патента «Способ контроля пирологического состояния подстилающей поверхности», № заявки 2015115569, дата подачи 24.04.2015.
3. Разработана логическая структура базы данных, описывающая понятия предметной области, взаимосвязь между компонентами этой базы, а также ограничения на данные, налагаемые предметной областью, которая будет использоваться при создании базы данных, содержащих результаты оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах.
4. Проведены сбор, систематизация и предварительная обработка данных спутникового мониторинга за промежуток времени с апреля по октябрь 2010-2015 гг., которые необходимы для подготовки и проведения экспериментальных исследований.
Для проведения оценок объёмов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей было получено и предварительно обработано более 6,5 тысяч космических изображений низкого пространственного разрешения, полученных со спутников TERRA и AQUA, аппаратура MODIS, продукт MOD14/MYD14. Сбор данных производился из архивов станции автоматизированного приёма спутниковой информации EOStation [http://www.eostation.irk.ru/], а также из систем хранения спутниковых данных Reverb [http://reverb.echo.nasa.gov].
Для мониторинга динамики и оценки распространения эмиссий углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей на выбранный период были получены и предварительно обработаны продукты AIRX3STM.006 и AIRS3C2M.005, полученные со спутника AQUA (прибор AIRS) и продукты OMAEROe, полученные со спутника AURA (аппаратура OMI). Сбор данных осуществлялся из архива Mirador [http://mirador.gsfc.nasa.gov/], разработанного GES DISC (Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center).
5. Разработаны технические решения, позволившие определить облик системы для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде и разработать структурную схему Макета этой системы. Разработана обобщенная функциональная модель системы оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах на основе космических данных, отображающая взаимодействие основных функциональных компонент разрабатываемой системы, которыми являются следующие подсистемы: сбора данных космического мониторинга; предварительной обработки данных; конвертации и ввода данных в базу данных; хранения данных; тематической обработки данных; визуализации данных.
6. Выбрана программно-техническая платформа для разрабатываемой системы для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде (Макета системы), обеспечивающая заданную функциональность системы, принятую технологию реализации процессов решения поставленных задач, технические аспекты хранения данных и организации информационного обмена в рамках системы, а также надежность функционирования системы и защиту данных от негативного воздействия внешних факторов.
7. Разработан Макет системы, реализующий методы оценки объемов эмиссий углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде при природных пожарах по данным космического мониторинга и включающий следующее специальное программное обеспечение:
- модуль сбора и предварительной обработки данных, получаемых от внешних источников;
- модуль конвертации данных и их ввод в Базу данных;
- модуль управления данными (редактирование данных) базы данных;
- модуль удаленного доступа к базе данных и визуализации данных;
- модуль тематической обработки данных и их визуализации (в т.ч. в удаленном режиме);
- модуль тематической обработки данных о состоянии воздушной среды, полученных прибором MODIS (КА Terra, AQUA);
- модуль тематической обработки данных о состоянии воздушной среды, полученных прибором AVHRR (КА NOAA);
- модуль автоматизированного сбора исходных данных о состоянии воздушной среды; полученных прибором AIRS (КА AQUA);
- модуль для расчета аномальных концентраций CO и CO2;
- модуль автоматизированного сбора исходных данных о состоянии воздушной среды, полученных прибором OMI (КА AURA);
- модуль расчета повышенных значений аэрозольной оптической толщины.
8. Разработана программа и методика экспериментальных исследований Макета системы для оценки объемов эмиссий и распространения углеродсодержащих газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде, возникающих при природных пожарах.
9. Иностранный партнер - Институт дистанционного зондирования и цифровой Земли Китайской академии наук (RADI) провел исследования по выявлению отношений между аэрозолями, облаками и осадками. Для этого использовались данные по аэрозолям и облакам, а также атмосферные данные на август 2013 года, для снижения поверхностных и атмосферных помех бралась среднемесячная величина вместо суточных данных. Исследование проводились для территории Китая.
Основные результаты, полученные Институтом дистанционного зондирования и цифровой Земли (RADI):
- методики и технологии измерения и оценки аэрозольной оптической толщины;
- анализ распределения аэрозольной оптической толщины в тестовых районах Китая.