Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТОКА ПОГЛОЩАЕМОГО ИЗ АТМОСФЕРЫ УГЛЕРОДА ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТЬЮ

Изобретение относится к экологическому мониторингу природных сред космическими средствами и может найти применение при прогнозе изменения климата планеты из-за нарастающего выброса парниковых газов в атмосферу промышленностью и транспортом.

Считается, что устойчивость климата планеты Земля зависит от объема резервуара для стока парниковых газов из атмосферы, определяемого структурой растительных покровов и, в первую очередь, площадью и запасом бореальных лесов [см., например, Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф. «Моделирование глобального круговорота углерода». - М.: Физматгиз, 2004 г., стр.471-473].

Величина стока углерода зависит как от концентрации углекислого газа (CO₂) в атмосфере над древесным пологом, так и от показателей продуктивности древостоя: прироста запаса, полноты, листового покрытия. Известен способ оценки загрязняющих веществ в атмосфере на основе лидарного зондирования [см., например, «Мониторинг источников загрязнений» в книге Р.Межерис «Лазерное дистанционное зондирование», перев. с англ. - М.: Мир, 1987 г., стр.455-460 - аналог].

В способе аналоге:

- зондируют участок атмосферы импульсами лидара на контролируемой трассе;

- принимают по первому каналу сигнал основного излучения за счет упругого обратного рассеяния;

- принимают по второму каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния основного газа атмосферы N₂ или O₂;

- принимают по третьему каналу смещенный сигнал неупругого рассеяния от молекул загрязняющего вещества CO₂ или NO₂;

- нормируют сигнал комбинационного рассеяния от молекул загрязняющего вещества по обратному сигналу комбинационного рассеяния от молекул основного газа;

- по известий концентрации молекул основного таза в атмосфере и по пронормированному отношению сигналов обратного рассеяния получают концентрацию загрязняющего вещества.

Недостатками аналога являются:

- необходимость генерации энергии для активного зондирования атмосферы;

- локальность получаемых результатов оценок, привязанных только к трассе распространения луча зондирования;

- невозможность получения интегральных оценок состояния загрязнения атмосферы во всем объеме над площадью наблюдаемых участков леса.

Пассивные методы измерения концентрации углекислого таза в атмосфере с околоземной орбиты осуществляют посредством спектрометров в полосе резонансного поглощения (CO₂) 1580 нм, а в качестве канала сравнения выбирают полосу поглощения атмосферною кислорода (O₂) 1270 нм - основной компоненты атмосферы с хорошо известным высотным распределением, при этом солнечный спектр считается известным.

Известны технические средства для проведения орбитальных измерений: Ручной спектральный анализатор компонентов атмосферы «Русалка» и Орбитальный анализатор концентрации углекислоты «Оракул» [см., например, «Отработка методики определения содержания углекислого таза и метана в атмосфере Земли с борта МКС», Космический эксперимент «Русалка» НРДК 201.152.001 ТЗ» РКК «Энергия», М., 2004 г., лист 5-7 - аналог].

Недостатком известных аналогов является невозможность одновременных измерений характеристик структуры растительных покровов, определяющей сток углекислого газа из атмосферы.

Известен дистанционный «Способ вычисления запаса лесных массивов», Патент RU №2.242.867, A01B 23/00, G03B 37/00, 2004 г., путем обработки их изображений, получаемых космическими средствами - ближайший аналог.

В способе ближайшего аналога получают изображения лесов, содержащих пробные площадки, в виде цифровой матрицы зависимости яркости I (x, y) от пространственных координат, рассчитывают пространственный спектр Фурье матрицы, находят среднюю частоту F_ср, диаметр кроны среднего дерева Д_ср=1/F_ср, а по массовым таблицам высоту и ступень толщины среднего дерева, последовательно разбивают матрицу на фрагменты |2×2| смежных пикселей и делят четырехугольник по главной диагонали на два треугольника, представляют площадь рельефа лесного полога S_p в виде мозаики аппроксимирующих треугольников, находят по формуле Герона площадь каждого треугольника и их сумму, вычисляют полноту насаждения П через отношение площади рельефа пробной площадки S_пр к удельной площади рельефа древесного полога S_p/S₀ домноженной на полноту пробной площадки П₀, вычислением среднего количества деревьев на участке N_ср=П·S₀/πД²/4 определяют прикрепляющую точку огивы анализируемого насаждения, вычисляют запас по массовым таблицам как сумму 5 классов ступеней толщины Лорея ,

где

S₀ - площадь изображения обрабатываемого лесного массива;

N_i - количество деревьев i-го класса ступени толщины;

Н_i - высота среднего дерева i-го класса ступени толщины;

g_i - площадь сечения среднего дерева i-го класса ступени толщины;

f_i - видовое число среднего дерева i-го класса ступени толщины.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- невозможность непосредственного использования, поскольку определяемая величина запаса насаждения не связана с концентрацией углекислого газа в атмосфере;

- ограничения по применимости способа только для изображений лесных массивов, содержащих контрольные площадки с известными значениями элементов леса.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в количественной оценке зависимости между концентрацией углекислого газа в атмосфере над древесным пологом и приростом биомассы древостоя путем одновременного дистанционного измерения характеристик структуры древесного полога по его изображению и концентрации углекислого газа на трассе получения анализируемых изображений.

Технический результат достигается тем, что в способе определения стока поглощаемого из атмосферы углерода древесной растительностью путем зондирования лесов космическими средствами, получение изображений лесов в виде матриц |m×n| элементов зависимости функции яркости сигнала I (x, y) от пространственных координат, вычисление параметров древостоя по характеристикам матриц изображений, расчет концентрации загрязняющего вещества по отношению сигналов в каналах измерений спектральных полос поглощения основной компоненты воздуха и загрязняющего вещества дополнительно изображения лесов получают одновременно в тех же спектральных полосах поглощения, на которых измеряют концентрацию углекислого газа (CO₂) и кислорода O₂ в атмосфере, по трассе прохождения сигнала, концентрацию CO₂ определяют на основе отношения сумм яркостей пикселей матриц изображений, соответствующих каналам CO₂ и O₂, а сток углерода для данной концентрации CO₂ над древесным пологом определяют через прирост биомассы древостоя, выражаемой через параметры структуры полога из соотношения:

где

а - коэффициент пересчета углекислого газа в биомассу растительности,

V₀ - расчетный запас насаждения в начале измерений, м³;

Т - интервал наблюдений отслеживаемых лесных массивов, лет,

S_p1·S_p2 - площади рельефов древесных пологов анализируемых участков в начале и конце интервала наблюдений,

F_ср1·F_ср2 - средняя частота пространственного спектра матриц изображений анализируемых участков в начале и конце интервала наблюдений.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - трасса прохождения луча при пассивном методе измерений;

фиг.2 - линии поглощения углекислоты, полученные при наземных измерениях;

фиг.3 - линии поглощения кислорода, полученные при наземных измерениях;

фиг.4 - кадр анализируемого изображения (распечатка с ПЭВМ);

фиг.5 - элементы структуры древесного полога, определяемые по его изображению;

фиг.6 - функциональные зависимости стока углерода от концентрации углекислого газа в атмосфере и структуры древесного полога;

фиг.7 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Наиболее важным моментом в глобальном цикле круговорота углерода является поиск зависимости между концентрацией углекислого газа в атмосфере и биомассой наземной растительности. Корректные зависимости могут быть получены при условии одновременного измерения структуры древесной растительности и концентрации CO₂ в атмосфере над древесным пологом.

В предложенном способе это достигается:

- измерение концентрации CO₂ на основе анализа поглощения светового луча, дважды прошедшего атмосферу, в спектральной полосе поглощения (CO₂) путем сравнения с поглощением светового луча в спектральной полосе кислорода (O₂), концентрация которого в атмосфере считается известной. Метод измерений иллюстрируется фиг.1, спектральные полосы поглощения CO₂ и O₂ иллюстрируются фиг.2, фиг.3.

- измерение элементов структуры древесного полога и расчет биомассы анализируемого участка путем анализа изображений, получаемых в тех же спектральных полосах одновременно с измерениями CO₂ и O₂. Кадр получаемых изображений иллюстрируется фиг.4.

Поскольку размер кадров получаемых изображений (определяемый фокусирующей системой измерителя) является одинаковым для полос CO₂ и O₂, а коэффициенты отражения светового луча от древесного полога (ввиду близости спектральных полос) равны, то яркость изображений зависит только от поглощения светового луча по трассе распространения. Поэтому отношение суммы яркостей пикселей изображений CO₂ и O₂ содержит информацию о концентрации CO₂ в атмосфере. Вычисляется эта величина с учетом операций способа аналога как

;

где - калибровочный коэффициент привидения измерительных каналов.

Для расчета величины стока CO₂ растительным пологом проводят тематическую обработку изображений.

Все растения создают свою биомассу за счет усвоения атмосферных элементов: С, O₂, N₃, H₂, CO₂..., среди которых главными являются углерод, кислород, азот. Минимальным требованием к протеканию реакции фотосинтеза является наличие CO₂, воды H₂O, света, подходящей температуры воздуха и влажности. Исходная ассимиляционная формула поглощения углекислого газа растительностью [см., например, Крапивин В.Ф., Кондратьев К.Я. «Глобальные изменения окружающей среды: экоинформатика», СПб ГУ, Санкт-Петербург, 2002 г., стр.155]

В среднем, из 264 грамм углекислоты прирастает 180 грамм клетчатки (коэффициент стока: 264/180=1,47). Клетчатка расходуется на образование ствола дерева, корней, коры, сучьев, образующих крону, листвы, хвои. Биомасса последних [см., например, Н.П.Анучин «Лесная таксация», учебник, 5-е издание. Лесная промышленность, стр.193-194] в зависимости от возраста, полноты и типа породы, оценивается величиной 20...30% от биомассы ствола. Известна плотность древесины [см. там же, стр.69-70] в зависимости от типа породы и влажности, которая составляет для сосны: 525-625 кг/м³, принимаемая за 100% и плотности пород соответственно: лиственница 130%, береза 128%, ольха 103%, осина 95%, ель 90%. Следовательно, для определения стока углерода из атмосферы в зависимости от структуры древесного полога в виде прирастающей биомассы необходимо вычислять как запас древостоя, так и его прирост на длительном временном лаге измерений. Сам прирост запаса для бореальных лесов в зависимости от полноты и возраста насаждений изменяется в интервале от 3 до 8 м³га/год, что составляет единицы процентов. Измерить дистанционно такие величины в абсолютных значениях затруднительно. В наиболее распространенных насаждениях горизонтальные проекции крон деревьев составляют величину 0,4...0,8 от занимаемой площади. Такие величины уже легче измерять дистанционно. Благодаря ежегодному росту деревьев в высоту, побегов и ветвей, (на несколько десятков см) образующих крону, существенно изменяются такие параметры древесного полога, как диаметры крон отдельных деревьев и площадь рельефа древесного полога, образуемая совокупностью крон.

Следует ожидать, что дистанционный метод расчета прироста древостоев путем отслеживания динамики изменения площади рельефа древесного полога и диаметров крон деревьев в насаждении обладает более высокой чувствительностью по сравнению с аналогом. Показателем, характеризующим структуру древесного полога, является полнота, под которой понимают степень использования насаждением пространства, занимаемого образующими насаждение деревьями. На фиг.5 представлены элементы структуры древесного полога, определяемые обработкой изображений: S_p - площадь рельефа древесного полога, Д_i - диаметр кроны отдельного дерева, Н_i. - высота отдельного дерева. Относительная полнота древесного полога (П) устойчиво определяется через отношение площади рельефа древесного полога S_p к геометрической площади участка S₀ образуемого насаждением. По результатам обработки изображений различных участков получен следующий ряд значений относительной полноты древостоев:

Располагая расчетными данными элементов леса, определяемых по исходному изображению участка, вычисляют запас древостоя V₀ по операциям ближайшего аналога. Прирост запаса вычисляют из соотношения:

, где:

F_ср1·F_ср2 - средняя частота пространственного спектра матриц изображений, полученных в начале и в конце временного лага;

S_р1·S_р2 - площади рельефа древесных пологов анализируемого участка в том же временном интервале.

С учетом приведенных выше соотношений, сток углекислого газа из атмосферы в функции запаса древостоя и параметров структуры древесного полога составит:

где а - коэффициент пересчета запаса в биомассу и сток (а≈1,28)

Осуществляя измерения концентрации CO₂ над лесными массивами с различной структурой древесных пологов и запасом на длительном временном интервале наблюдений, получают дискретный ряд эмпирических данных. Интерполяцией полученных значений получают количественные зависимости величины стока от концентрации СО₂ и структуры растительных покровов. Семейство полученных характеристик иллюстрируется графиками фиг.6.

Пример реализации способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг.7. Функциональная схема устройства фиг.7 содержит орбитальный комплекс наблюдения 1 (типа МКС) с установленным на поворотной платформе 2 гиперспектрометром 3 (типа «Астрогон») осуществляющим съемку участков 4 лесных массивов в спектральных полосах поглощения углекислого газа CO₂ и кислорода O₂, по командам от бортового комплекса управления 5, передаваемым из Центра управления 6 по радиолинии управления 7. Отснятые гиперспектрометром 3 кадры изображений передают системой передачи данных по автономному радиоканалу 9 (в сеансах видимости орбитального комплекса с наземных пунктов) на пункты 10 приема информации, где записывают на видеомагнитофон 11 (типа «Арктур»). После обработки кадров по служебным признакам материалы космической съемки перегоняют по наземным линиям связи, в Центр Тематической обработки 12, где создают долговременный архив 13 (базу данных). Обработку изображений и определение стока углерода наблюдаемых участков древесной растительности осуществляют на компьютере 14 в стандартном наборе элементов: процессор 15, оперативное ЗУ 16, винчестер 17, дисплей 18, принтер 19, клавиатура 20. При обработке используются как штатные, так и специализированные программы обеспечения, предварительно записанные на винчестер 17. Результаты обработки выводятся на сайт сети «Интернет» 21.

Новым элементом устройства, по сравнению с аналогами, является гиперспектрометр «Астрогон». Это - новейшая отечественная разработка, в которой использованы фотонные технологии и где удержание объекта на линии визирования при съемке на отдельных спектральных линиях достигается путем коррекции поворота платформы 2 [см., например, «Малый космический аппарат «Вулкан - Астрогон» с гиперспектрометром высокого разрешения». Эскизный проект, РАКА, ФГУП НИИЭМ, М., 2002 г., стр.8-11].

Нормальный состав сухого воздуха содержит [%] по объему/весу: азота 78,08/75,53, кислорода 20,946/23,14, углекислого газа 0,0325/0,046. Степень загрязнения атмосферы примесными газами оценивают их концентрацией мг/м³ (pρmv). В эксперименте обработке подвергался участок лесного массива с геометрической площадью 28,3 га, матрица |m×n| изображения которого содержала |384×512| элементов. Пространственное разрешение элемента составляло 1,2 м на пиксель. Яркость изображений квантовалась в шкале 0...255 уровней. Минимальная яркость изображения в канале измерений CO₂ составила 115, максимальная яркость 216. Минимальная яркость изображения в канале измерений О₂ составила 15, максимальная яркость 81. Отношение математических ожиданий яркости измерительных каналов: CO₂/O₂≈1,6, концентрация CO₂˜320, pρmv. Площадь рельефа древесного полога S_p=50,5 га, отношение S_p/S₀=1,78, относительная полнота П=0,52, диаметр кроны среднего дерева Д_ср˜2,1 м, средняя пространственная частота Р_ср=1/Д_i=0,475 1/м, запас древостоя V₀≈180 м³/га. Прирост для интервала наблюдений в один год, в процентах составил: . Откуда годичный сток углекислого газа (первая расчетная точка на графике фиг.6) составил 5,4 тонн/га при CO₂=320 pρmv.

Заявленный способ открывает возможность прямых измерений пулов и потоков углерода на значительных площадях и на длительных интервалах наблюдения. Последнее создает предпосылки количественного расчета стока углерода в сечении атмосфера/суша и прогноз изменений климата на длительную перспективу.