СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ЛАВИННЫХ ОЧАГАХ Российский патент 2012 года по МПК G01N3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и гляциологии, а именно к способам дистанционного определения толщины снега в горах, и может быть использовано для прогноза лавинной опасности.

Известны различные способы дистанционного определения толщины снежного покрова в горах.

В Российской технологии противолавинной защиты для определения толщины снега в очагах лавиносборов предусмотрено использование снегомерных реек, устанавливаемых в летнее время /1/.

Однако использование снегомерных реек для определения толщины снега в очагах лавиносборов малоэффективно из-за заносов, а также частого повреждения при обстреле противолавинными снарядами.

В настоящее время для получения информации о состоянии снежного покрова используются технические средства дистанционного зондирования, работающие в различных диапазонах электромагнитного спектра частот (видимом, СВЧ, ИК и радиолокационном) /2/.

При этом в большинстве случаев с использованием дистанционных средств наблюдений, применительно к измерению толщины снежного покрова, определяют только некоторые произвольно различимые интервалы толщины, что не всегда является достаточным информационным параметром для решения практических задач.

Кроме этого, применяемые способы не в полной мере удовлетворяют условиям снеголавинных станций (СЛС) и противолавинных отрядов, т.к. у них имеется ряд недостатков. Их применение сопряжено либо с большими трудозатратами, либо дает лишь примерное представление о мощности снежного пласта, либо принципиальная невозможность использования данного способа в условиях отдельных СЛС. Для прогнозирования лавиноопасных ситуаций снеголавинным станциям и противолавинным отрядам Росгидромета необходима оперативная и точная информация о толщине снега в лавиносборах.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерной локации, включающий проведение двух последовательных съемок местности, причем первая съемка должна проходить в период, предшествующий установлению снежного покрова (летние измерения), а вторая и последующие - при наличии снежного покрова (зимние измерения). Задача этих съемок - соответственно получение высокоточных цифровых моделей рельефа поверхности земли и поверхности снежного покрова /3/.

Для дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах необходимо использование лазерной локации и материалов по наземным и авианаблюдениям. Большое значение имеет проектирование маршрутов лазерной съемки и определение достаточной плотности точек лазерного отражения на единицу площади земли и снега.

К недостаткам известного способа можно отнести высокую стоимость авиационной техники и невозможность ее использования при снегопадах, что затрудняет реализацию способа для целей активного воздействия.

Техническим результатом, ожидаемым от использования заявленного способа, является возможность получения полноценной и своевременной информации о толщине снега в зонах зарождения лавин, отсутствие риска для жизни людей при проведении измерений, удовлетворение практических потребностей СЛС и при этом, в отличие от прототипа, не требуется применение дорогостоящей авиационной техники.

Технический результат достигается тем, что в известном способе дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера, включающем последовательное проведение съемок местности, причем первую съемку проводят в период, предшествующий установлению снежного покрова (летние измерения), а вторую и последующие - при наличии снежного покрова (зимние измерения), предварительно в долине выбирают репер и очаги зарождения лавин на склоне горы, измеряют расстояния от места установки дальномера до контрольных точек в зоне зарождения лавин с учетом углов зондирования и определяют искомую толщину снежного покрова по формуле:

где AE - разница между результатами измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (лазерного дальномера) в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, выполненных в летний период (без снежного покрова) и в зимний период (при наличии снежного покрова);

β - угол зондирования.

Технический результат достигается и тем, что лазерный дальномер устанавливается в любом легкодоступном месте долины, с которого хорошо просматривается и зона зарождения лавины и репер. При этом расстояния, вычисленные на основе измерений, не зависят от места установки измерительной аппаратуры.

Сущность изобретения поясняется фигурами, где схематически представлены операции летних и зимних измерений.

На фиг.1 представлена схема летних измерений в зоне зарождения лавины (вид сверху), где С - место установки лазерного дальномера; В - репер (изолированный объект); А, А′, А″ - точки в зоне зарождения лавин в лавинном очаге №_; S - направление на север (или на восток, или на юг - для каждого лавинного очага может быть использован наиболее удобный вариант выбора направления отсчета).

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

- Выбирается репер (столб, ретранслятор и т.д.) (фиг.1 - точка В).

- Устанавливается измеритель дальности в точке С. Точка выбирается произвольно. Ее выбор определяется следующими требованиями:

a) хорошо просматривается репер - точка В;

б) имеет место прямая видимость основной части зоны зарождения лавин в очаге №_ (точки А, А′, А″);

в) имеется возможность для установки штатива лазерного дальномера в соответствии с техническим паспортом.

- Определяется расстояние до репера - отрезок СВ.

- Определяется угол α₀ (азимут) SCB, под которым виден репер В.

Определяется угол β₀ к горизонту, под которым наблюдается точка В (фиг.2, на которой представлен вертикальный разрез по линии визирования на репер В, где С - место установки лазерного дальномера; 1 - лазерный дальномер, установленный в точке С; В - репер (изолированный объект); 2 - линия горизонта; 3 - угол (β₀) между направлением на репер и горизонтом; S - направление на север (или восток, или юг).

- Определяется расстояние до точек А - отрезок АС.

- Определяется азимут (угол SCA) наблюдения точки А - угол α.

- Определяется угол β к горизонту, под которым наблюдается точка А.

- Сделанные измерения записываются в таблицу 1.

Аналогичные измерения делаются для точек А′, А″ и др.

Вторая операция. Расчеты по летним измерениям.

На фиг.3 представлена схема для расчета по летним измерениям, где М - точка пересечения прямой линии на север с линией, проходящей через точки А и В.

Вычисляется угол ВСА:

где угол SCB - есть угол между линией, соединяющей точки B и A к направлению на север. Значение данного угла не зависит от местоположения места (точки) установки измерительной аппаратуры. Его значение зависит только от положения точек А, А′, А″ и т.д.

По теореме косинусов находим:

Проводим линию DC||ВА

Находим угол СВА:

Находим угол SCD:

Итогом летних измерений и расчетов являются значения:

- угла SCD;

- расстояние ВА.

Вычисленные на основе измерений расстояния АВ, А′В, А″В и т.д. также не зависят от места установки измерительной аппаратуры.

Сделанные измерения записываются в таблицу 2.

Аналогичные процедуры проводятся с точками А′, А″ и др.

Третья операция. Измерения и расчеты в зимний период (при наличии в горах слоя снега).

На фиг.4 представлена схема измерений при наличии в зоне зарождения лавин снежного покрова, где C′ - место установки лазерного дальномера во время зимних измерений; В - репер; А, А′, А″ - точки в зоне зарождения лавин в лавинном очаге №_; S - направление на север; E - точка на отрезке условной линии C′A; DC′ - линия, параллельная прямой, соединяющей точки А и В.

- Устанавливается система измерений (теодолит с дальномером) в точке C′. Точка C′ может совпадать с точкой С, но это не обязательно.

- Определяется угол γ₀ (угол между направлениями на север S и на репер В: ∠BC′S).

- Измеряется расстояние C′B.

- Определяется β₀₃ - угол между горизонтом и направлением на репер.

- По летним измерениям и зимним измерениям определяется ∠C′BA.

Так как ∠SC′D=∠SCD,

где ∠SCD - угол, определенный по летним измерениям.

- По формуле:

где АВ рассчитано по летним измерениям, определяется AC′.

- Вычисляется угол АС′В по формуле:

вытекающей из соотношения .

- Под углом АС′В устанавливается дальномер и измеряется расстояние С′Е.

- Определяется угол β₃ - угол между горизонтом и направлением на точку А.

- Толщина снега АЕ без учета угла зондирования АЕ определяется как разность:

С учетом угла зондирования значение h определяется по формуле:

где AE - разница между результатами измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (лазерного дальномера) в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, выполненных в летний период (без снежного покрова) и в зимний период (при наличии снежного покрова);

β_з - угол зондирования.

Пример конкретного выполнения способа

В качестве примера дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера приведем результаты измерений на НИБ «Терскол», расположенной в поселке Терскол, район Приэльбрусье, КБР, высота 2200 над уровнем моря, выполненных в период июль-декабрь 2009 г.

В соответствии с заявленным способом, в летнее время был выбран репер-столб ЛЭП и три условных очага зарождения лавин на склоне горы. Результаты замеров приведены в таблице 3.

Таблица 3 Результаты измерений № пп CB, м α₀, град β₀, град AC, м α, град β, град A′C, м α′, град β′, град A′C, м α″, град β″, град 1 305 15⁰06′57″ 7⁰43′40″ 5490 99⁰48′44″ 5⁰21′15″ 5485 99⁰48′39″ 5⁰21′35″ 5480 99⁰48′25″ 5⁰21′55″ 2 305 15⁰06′57″ 7⁰43′40″ 1427 92⁰01′58″ 5⁰53′45″ 1425 92⁰01′12″ 5⁰54′00″ 1425 92⁰01′00″ 6⁰00′00″ 3 305 15⁰06′57″ 7⁰43′40″ 395 63⁰37′58″ 8⁰44′40″ 395 63⁰37′50″ 8⁰52′28″ - - -

Обобщенные результаты вычислений по формулам 1-4 приведены в таблице 4.

Измерения и расчеты в зимний период (при наличии в горах слоя снега).

Устанавливается система измерений (теодолит с дальномером) в точке C′. B нашем случае точка C′ совпала с точкой C.

Определяется угол γ₀ (угол между направлениями на восток S и на репер B: ∠ВС′S). Т.к. точка C′ совпадает с C, то

∠BC′S=∠BCS=105⁰06′57″

С′В=СВ=305 м

Определяется β₀₃ - угол между горизонтом и направлением на репер.

∠β₀₃=7⁰43′40″

По летним (первым) измерениям и зимним измерениям определяется ∠С′ВА. Так как ∠SC′D=∠SCD,

∠C′BA=∠SC′B-∠SCD,

где ∠SCD - угол, определенный по летним измерениям. В данном случае, т.к. точка C′ совпадает с C, ∠C′BA=∠CBA.

В итоге, для трех зон измерений получено значение угла С′ВА (таблица 5).

Таблица 5 Значение угла С′ВА № пп CB, м γ₀, град β₀₃, град ∠C′BA, град ∠C′BA′, град ∠C′BA″, град 1 305 105⁰06′57″ 7⁰43′40″ 92,12105674 92,11953842 92,12051987 2 305 105⁰06′57″ 7⁰43′40″ 90,74277941 90,73795042 90,74129318 3 305 105⁰06′57″ 7⁰43′40″ 81,6652579 81,6671517 -

Определяется расстояние АС′ по формуле:

,

где АВ рассчитано по летним измерениям. Результаты расчетов приведены в таблице 6.

Таблица 6 Результаты вычисления расстояния от места установки дальномера C′ до зон зарождения лавин № пп AC′ A′C′ A″C′ 1 5490 5485 5480 2 1427 1425 1425 3 395 395 -

Вычисляется угол АС′В, под которым необходимо установить дальномер, по формуле:

Результаты расчетов приведены в таблице 7.

Таблица 7 Результат расчета угла, под которым необходимо установить дальномер для измерения толщины снежного покрова № пп ∠AC′B, град ∠A′C′B, град ∠A″C′B, град 1 84,69638894 84,69500001 84,69111111 2 76,91694442 76,90416667 76,90083329 3 48,51694451 48,51472222 -

Измеряется расстояние С′Е по измеренным ранее углам β₃, β, β₀ (углы между горизонтом и направлением на точки A, A′, A″ соответственно) (таблица 8).

Таблица 8 Результаты измерений расстояния и вертикальных углов от места установки лазерного дальномера до снежного покрова по направлению на точки A, A′, A″ № пп C′E, м β₃, град C′E′, м β, град C′E″, м β₀, град 1 5488 5⁰21′15″ 5484 5⁰21′35″ 5480 5⁰21′55″ 2 1425 5⁰53′45″ 1424 5⁰54′00″ 1423 6⁰00′00″ 3 394 8⁰44′40″ 395 8⁰52′28″ - -

С учетом угла зондирования β толщина снега h определяется как:

h=АЕ·cosβ,

где АЕ=AC′-ЕС′ (таблица 9).

Таблица 9 Результаты расчета толщины снега в измеряемых участках № пп h, мм h′, мм h″, мм 1 1991,273855 995,627874 0 2 1989,42058 994,702817 1989,043791 3 988,376256 0 -

Из приведенного примера следует, что находясь на значительном расстоянии от лавинного очага, куда доступ опасен для жизни, принятие решения о закрытии зоны поражения лавиной, а также о начале принудительного спуска снега (лавины) зависит от величины снега, вычисленного по формуле 10.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить эффективность действия служб обеспечения безопасности в рекреационных комплексах в горах, а также служб активных воздействий на снеголавинные процессы.

Источники информации

1. Черноус П.А., Барашев Г.В., Федоренко Ю.В. Изменчивость характеристик снега и образование лавин // Лед и снег, №3. РАН. Из-во «Наука», 2010. С.27-36.

2. Богородский В.В., Позняк В.И., Трепов Г.В., Шереметьев А.Н. Измерение толщины годовых слоев снега в Антарктиде методом радиолокационного зондирования / Доклады АН СССР 1982. Том 264, №4.

3. Бойко Е.С. Использование метода воздушной лазерной локации при оценке снегонакопления в горных условиях // Материалы VI междун. конф. «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка. Сегодня и завтра». М., 2006. С.29-30 (прототип).

Предлагаемое изобретение относится к способам дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах и может быть использовано в метеорологии и гляциологии с целью прогнозирования лавинной опасности. Способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера основан на сравнении измерений расстояния от места установки контрольно-измерительной аппаратуры (лазерного дальномера) в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки, выполненных в два этапа: летний период (без снежного покрова); зимний период (при наличии снежного покрова) с учетом угла зондирования. Техническим результатом изобретения является возможность получения полноценной и своевременной информации о толщине снега в зонах зарождения лавин, а также отсутствие риска для жизни людей, проводящих измерения, и удовлетворение практических потребностей снеголавинных станций. В предлагаемом способе не требуется применение дорогостоящей авиационной техники, контрольно-измерительная аппаратура (лазерный дальномер) устанавливается в любом легкодоступном месте долины; вычисленные на основе измерений расстояния не зависят от места установки измерительной аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 9 табл.

1. Способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах, включающий последовательное проведение двух серий измерений (летние и зимние) с использованием лазерного дальномера, отличающийся тем, что с помощью лазерного дальномера измеряют расстояние от места его установки в долине до контрольных точек в зоне зарождения лавин относительно реперной точки и по разнице между результатами измерений (АЕ), с учетом угла зондирования (β_з) определяют толщину снежного покрова (h) по формуле:
h=AE·cosβ_з.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерный дальномер устанавливают в любом легкодоступном месте долины, с которого хорошо просматривается зона зарождения лавины и репер.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расстояния, вычисленные на основе измерений, зависят не от места установки измерительной аппаратуры, а от ее разрешающей способности.