СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕГИОНА Российский патент 2022 года по МПК G01W1/00 

Область техники

Изобретение относится к экологическому мониторингу природной среды региона и может быть использовано для комплексной оценки изменений состояния окружающей среды региона и его соответствия установленным нормам. Кроме того, заявленное решение может найти применение при оценке и прогнозе изменения климата планеты, связанного с выбросами парниковых газов в атмосферу.

Понятие «экологический мониторинг» известно уровня техники, оно включает комплексную систему наблюдений за состоянием окружающей среды, а также оценку и прогноз изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

Мониторинг - это многоуровневая система. Принято выделять следующие уровни мониторинга: детальный, локальный, региональный, национальный, глобальный. Предложенное изобретение касается регионального мониторинга окружающей среды.

Под окружающей средой региона понимается совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов. Мониторинг окружающей среды представляет собой комплексную систему наблюдения за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза ее изменений под воздействием природных и антропогенных факторов.

Основные цели мониторинга состоят в обеспечении системы управления природоохранной деятельности и экологической безопасности своевременной и достоверной информацией, позволяющей оценить показатели состояния среды обитания человека, выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, создать предпосылки для определения мер по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб [1. Микрюков В.Ю. Безопасность жизнедеятельности/Ростов-на-Дону, Феникс, 2007, с. 346].

Для осуществления локального мониторинга используются мобильные станции и стационарные центры (посты) контроля по различным физическим полям, а для регионального мониторинга, помимо средств локального мониторинга, используются вертолеты, самолеты и космические аппараты (КА), осуществляющие слежение за состоянием земной поверхности, минерально-сырьевых ресурсов недр, сохранностью растительного мира и т.д. [2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов-на-Дону, Феникс, 2007, с. 531-533, 586, 589].

Углекислый газ (и другие парниковые газы) непосредственно не являются факторами загрязнения окружающей среды (атмосферы), но оказывают существенное влияние на состояние экологии планеты, вызывая изменения климата в глобальном масштабе вследствие роли в формировании и развитии парникового эффекта. Поэтому системы экологического мониторинга регионов различного масштаба должны учитывать кругооборот парниковых газов, преимущественно углекислого газа (далее - СО₂) как обладающего наибольшим эффектом в экосистеме.

Растительный покров Земли (леса, луга, болота и т.д.) играет существенную роль в обеспечении человечества ресурсами, включая продовольствие, чистую воду и среду обитания для биоразнообразия планеты. Однако растительный покров Земли, в частности леса, которые покрывают около 30% поверхности Земли, в настоящее время играют относительно незначительную роль при анализе и управлении глобальными выбросами СО₂ из-за техногенных процессов и эмиссии газа в атмосферу природными объектами.

Одной из причин этого обстоятельства является сложность измерения выделенного и поглощенного потока СО₂ и проверки его величины на заданных площадях, занятых растительностью.

Использование в экологическом мониторинге региона систем измерения количества углерода в растительном покрове или совокупности средств и систем, измеряющих и оценивающих кругооборот углекислого газа в экосистемах региона, обеспечивает основу для оценивания изменения климата, поэтому является актуальным.

Уровень техники

Известен способ определения стока поглощаемого из атмосферы углерода древесной растительностью по патенту РФ 2342636 (дата публикации 10.12.2007, G01C 11/04).

Данный способ заключается в зондировании лесов космическими средствами, получении изображений лесов в виде матриц mxn элементов зависимости функции яркости сигнала L(х,у) от пространственных координат, вычислении параметров древостоя по характеристикам матриц изображений, расчете концентрации загрязняющего вещества по отношению сигналов в каналах измерений спектральных полос поглощения основной компоненты воздуха и загрязняющего вещества, причем 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

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_cp, F_cp2 - средняя частота пространственного спектра матриц изображений анализируемых участков в начале и конце интервала наблюдений.

К недостаткам данного изобретения относится низкая точность определения стока углекислого газа из атмосферы, что вызвано следующими причинами:

- при определении стока учитывается только поглощение углекислого газа лесными массивами, причем для определения величины стока используются наблюдения, проводимые с низкой периодичностью (годы);

- не учитывается неравномерность процесса стока вследствие сезонных и суточных факторов и возникновение новых (исчезновение ранее выявленных) объектов, поглощающих углекислый газ;

- не учитывается сток углекислого газа, обеспечиваемый антропогенными объектами (сельскохозяйственные угодья, тепличные хозяйства и т.д.) и такими природными объектами, как болота, луга и др. недревесная растительность.

Известен способ комплексного мониторинга природной среды (КМПС) по патенту РФ 2680652 (дата публикации 25.02.2019, G09B 29/00, G09B 29/00).

Данный способ заключается в создании автоматизированной системы комплексного экологического мониторинга природной среды, в которой до начала проведения обследований вводят в базу знаний единого информационного Центра КМПС программный комплекс анализа, обработки, управления и средств, параметры значений границ интервалов допустимых показателей состояния исследуемого объекта, правила их оценки и соответствия или несоответствия установленным нормам, затем вводят информативные показатели наблюдений исследуемого объекта на основе статистического анализа потоков комплексной информации, базирующегося на дистанционных методах получения информации в режиме on-line, природных объектов (ПО) - земельных участков (ЗУ), разделяемых по видам функционального использования с учетом конкретных природных условий, рельефа местности с применением данных геопортала и портала метаданных, контрольно-измерительных стационарных и мобильных контрольных пунктов (СМКП) по доминирующим основным факторам антропогенного воздействия (ФАВ), проводят съемку фактической территории природного техногенного объекта двумя методами дистанционного зондирования в соответствии с требованиями СНиП: 1) космическую, аэросъемку с использованием современных беспилотных летательных аппаратов в видимом диапазоне электромагнитного излучения (ЭИ) или дополнительную (например, параллельную) в невидимом инфракрасном диапазоне ЭИ (например, георадаром «Зонд-10»), определяют по разному фототону места утечек углеводородного топлива из подземных трубопроводов и емкостей хранения, определяют границы их подземных накоплений и территорий, подверженных загрязнению, заболачиванию, засолению, определяют отсутствующую, но необходимую для углубленной оценки в требуемый момент реального времени совокупность процедур состояния комплексной системы, формируют в программном комплексе обработки и управления задание каждому средству мониторинга на контроль состояния системы или ее элементов, на изменение содержания базы знаний и порядка использования процедур интеллектуальной обработки измеренных значений, на изменение пространственно-временных характеристик состояния средства в процессе осуществления мониторинга, создают в полярной системе координат графический образ состояния системы и текстовую часть, которые включают в содержание результатов по видам мониторинга, осуществленных на каждом средстве, формируют в заданной форме результаты по осуществленным ими видам контроля, передают их в центр обработки и АСУ, где совмещают их графические и текстовые части для одновременного представления результатов оценки экологической обстановки комплексного мониторинга природной среды.

Данный способ имеет низкую точность результатов мониторинга вследствие следующего:

- при проведении мониторинга отсутствует прогноз изменения экологической обстановки региона в части влияния факторов антропогенного воздействия и природных факторов, в частности, сезонных;

- не используются модельные представления о кругообороте веществ, влияющих на экологическое состояние региона, эмитируемых и поглощаемых антропогенными и природными объектами, в частности, модели кругооборота природных и антропогенных источников эмиссии и поглощения парниковых газов (преимущественно, углекислого газа);

- ограничение области осуществления мониторинга природными объектами, на которые оказывается техногенное воздействие;

- отсутствие учета поглощения веществ, влияющих на экологическое состояние среды, антропогенными и природными объектами в процессе их жизнедеятельности;

- ограниченный объем получаемой информации о природных и антропогенных объектах региона вследствие того, что формирование в программном комплексе обработки и управления задания каждому средству мониторинга на контроль состояния системы или ее элементов, на изменение содержания базы знаний и порядка использования процедур интеллектуальной обработки измеренных значений, на изменение пространственно-временных характеристик состояния средства в процессе осуществления мониторинга только после определения отсутствующей, но необходимой для углубленной оценки в требуемый момент реального времени совокупности процедур состояния комплексной системы, т.е. информацию о техногенных и природных объектах начинают получать только после их выявления средствами дистанционного контроля.

Наиболее близким аналогом является способ комплексного мониторинга окружающей среды региона по патенту РФ 2369866 (дата публикации 10.10.2009, G01N 33/00).

Известный способ комплексного мониторинга окружающей среды региона, разделенного на административно-территориальные образования, включающие объекты контроля, заключается в следующем:

до начала сбора данных в центре обработки и управления формируют базу данных по характеристикам окружающей среды региона и правила формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменений, причем на средствах контроля формируют локальные базы данных с допустимыми значениями характеристик объектов контроля и единые правила формализации результатов оценки их состояния, для сбора данных измеряют значения характеристик объектов контроля дистанционными и контактными методами, на каждом средстве контроля сравнивают измеренные и допустимые значения характеристик объектов контроля, фиксируют факты их соответствия и несоответствия допустимым значениям, формализуют результаты сравнения в виде унифицированных протоколов, содержащих графическую и табличную формы, отображающие зафиксированные факты соответствия и несоответствия значений контролируемых характеристик их допустимым значениям, значение времени окончания формирования протокола, наименования, номера и фактические значения не соответствующих допустимым характеристик объектов контроля, передают по линиям связи сформированные протоколы в центр обработки и управления, в центре обработки и управления формируют объединенный протокол оценки состояния окружающей среды региона, для чего совмещают графические и объединяют табличные формы полученных центром управления и обработки протоколов, фиксируют по графическим формам предыдущих и последнего из сформированных объединенных протоколов факты наличия и направления изменений характеристик окружающей среды, а по табличным формам - фактические значения характеристик и моменты времени окончания формирования протоколов на средствах контроля, формируют из зафиксированных значений временной ряд и используют его при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона во времени, осуществляют оценку изменения во времени показателей качества окружающей среды

Основным недостатком вышеуказанного способа является низкая точность результатов мониторинга, обусловленная следующим:

- потеря информации при передаче в центр контроля только результативной информации по объекту контроля (передается только информация, отображающая зафиксированные факты соответствия и несоответствия значений контролируемых характеристик их допустимым значениям, значения контролируемых характеристик и время окончания формирования протокола). Данный состав передаваемой информации не включает текущие значения метеорологической обстановки (температура, направление и сила ветра, влажность и т.д.) и конкретное время измерения контролируемых характеристик;

- использование для оценки изменений состояния окружающей среды предыдущих и последнего из сформированных объединенных протоколов фактов наличия и направления изменений характеристик окружающей среды без учета временных (суточных, сезонных и т.д.) факторов и условий, а также без сформированных моделей кругооборота веществ, влияющих на экологическое состояние региона, снижает точность прогнозирования изменений характеристик окружающей среды региона во времени только по табличным данным измерений без привязки к моделям;

- формирование локальных баз данных только в части допустимых значений характеристик объектов контроля и единых правил формализации результатов оценки их состояния не позволяет реализовать на объектах контроля архивацию измеренных значений контролируемых характеристик и сопутствующих им внешних условий, что не позволяет проводить адаптивную коррекцию прогноза состояния окружающей среды.

Заявленное изобретение направлено на повышение точности экологического мониторинга региона по сравнению с имеющимся уровнем техники за счет учета метеорологической обстановки и расширения измеряемых характеристик окружающей среды, включая мониторинг поглощения и эмиссии углекислого газа искусственными и естественными объектами с целью прогнозирования на основе полученных измеренных показателей выделения углекислого газа в атмосферу и рационального его использования для получения нулевого баланса выбросов углерода.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении точности результатов оценки изменений состояния окружающей среды региона, получаемых при проведении комплексного экологического мониторинга.

Технический результат достигается тем, что предварительно (до начала сбора данных) осуществляют:

- формирование базы данных по характеристикам окружающей среды региона и правилам формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменений,

- формирование на средствах контроля локальных баз данных, содержащих значения характеристик объектов контроля и единые правила формализации результатов оценки их состояния,

- проводят классификацию объектов окружающей среды как объектов кругооборота углекислого газа: техногенных источников выделения углекислого газа, техногенных источников поглощения углекислого газа, антропогенных и природных источников его поглощения и выделения и включают эти объекты природной среды в перечень объектов контроля.

В процессе комплексного мониторинга проводят:

- измерения значений характеристик объектов контроля дистанционными и контактными методами при сборе данных по каждому объекту контроля, в состав контролируемых характеристик окружающей среды региона при комплексном мониторинге включают содержание и кругооборот парниковых газов, преимущественно углекислого газа в атмосфере региона,

- осуществление оценки изменения во времени показателей окружающей среды,

- формирование на объектах контроля унифицированных протоколов, отображающих зафиксированные значения контролируемых характеристик, времени формирования протокола,

- передачу по линиям связи сформированных протоколов в центр обработки и управления,

- формирование объединенного протокола в центре обработки данных,

- фиксацию по данным сформированных объединенных протоколов фактических значений характеристик окружающей среды, направления их изменений и моментов времени формирования протоколов на объектах контроля,

- формирование для каждого природного и антропогенного источника поглощения и выделения углекислого газа суточной, сезонной и годичной моделей кругооборота углекислого газа по локальным базам данных объектов контроля и результатам анализа измеренных средствами контроля объектов характеристик и периодического контроля объема биомассы и ее изменений,

- формирование модели содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для объектов контроля и комплексной модели содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для региона по результатам измеренных характеристик объектов контроля, данным объединенных протоколов и сформированным моделям кругооборота углекислого газа для отдельных объектов контроля,

- периодическое уточнение сформированных моделей по результатам текущих измерений средствами контроля на объектах контроля,

причем

- при формировании базы данных по характеристикам окружающей среды региона периодически проводят съемку территории региона различными методами дистанционного зондирования,

- определяют по данным дистанционной съемки и кадастрового учета границы и тип природных и техногенных объектов на территории региона,

- после формирования осуществляют периодическую коррекцию базы данных объектов окружающей среды, преимущественно сезонную,

- при измерении текущих характеристик объектов контроля определяют метеорологические параметры атмосферы региона и их оценки по зонам расположения техногенных объектов контроля, антропогенных и природных объектов,

- для антропогенных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят циклично с привязкой к времени суток, для природных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят в различные сезоны с привязкой каждого измерения ко времени суток,

- в локальные базы данных объектов контроля и унифицированные протоколы дополнительно вносят значения текущих метеопараметров в зоне объектов контроля, измеряемые одновременно со значениями характеристик объекта контроля, при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - блок-схема предлагаемого способа;

Фиг.2 - пример замкнутого антропогенного объекта контроля;

Фиг.3 - пример открытого антропогенного объекта контроля;

Фиг.4 - пример природного распределенного объекта контроля.

Осуществление изобретения

Далее со ссылками на фиг. 1-4 раскрыто предлагаемое изобретение. В обозначениях отдельных блоков прописные буквы (M, K и т.д.) обозначают количество блоков. Строчные буквы (m и т.д.) означают конкретный блок, связь и т.д.

На фиг. 1 схематично показано

1 - регион;

2.1, …, 2.m, …, 2.n, …, 2.M - объекты контроля;

3.1, …, 3.m, …, 3.n.1, 3.n.2, …, 3.M - средства контроля, каждое из которых содержит датчики;

4.2.1, …, 4.1.K₁; …, 4.m.1, …, 4.m.Km; …, 4.n1.1, …,4.n1.K_n1; 4.n2.1, …, 4.n2.K_n2; 4.M.1, 4.M.K_M - датчики;

5.1, …, 5.m, …, 5.n.1, 5.n.2, …, 5.M -линии связи проводные и беспроводные;

6 - центр обработки и управления;

7 - метеостанции;

8.1, …, 8.m, …, 8.n1, 8.n2,…, 8.M - унифицированные протоколы результатов оценки состояния объектов контроля;

9 - база данных центра обработки и управления;

10.1, …, 10.m, …, 10.n1, 10.n2,…, 10M - локальные базы данных средств контроля;

11 - объединенный протокол состояния окружающей среды региона;

12 - КА дистанционного зондирования Земли;

13 - наземный центр обработки данных ДЗЗ;

14 - летательные аппараты аэрофотосъемки;

15 - наземный центр обработки данных аэрофотосъемки;

16 - центр кадастрового учета.

На фиг. 2 приведен пример замкнутого антропогенного объекта контроля, где показаны:

- в составе датчиков средств контроля 3.m: 17 - датчик углекислого газа, 18 - блок датчиков метеопараметров, включающих датчики измерения внешних (18.1) и внутренних (18.2) метеопараметров;

- ввод внешних данных 19;

- в составе средств управления средств контроля 3.m: контроллер 20, модем 21;

На фиг. 3 показан пример открытого антропогенного объекта контроля, где показаны:

- в составе датчиков 4.m средств контроля 3.m: распределенные по объекту контроля датчики углекислого газа 17.1 … 17.t, распределенные по объекту контроля датчики измерения внешних метеопараметров 18.1 … 18.r, датчики контроля загрязняющих веществ 22 и ввод внешних данных 23;

На фиг. 4 показан пример природного распределенного объекта контроля, где показаны мобильные средства контроля 24.1 (4.m1) и 24.2 (4.m2), тестовый полигон 25.

Предлагаемый способ комплексного мониторинга окружающей среды региона реализуют следующим образом.

В преимущественном варианте осуществления изобретения до осуществления комплексного мониторинга проводят формирование базы данных по характеристикам окружающей среды региона, в которую включают объекты контроля.

При формировании базы данных используют данные дистанционного контроля региона и данные кадастрового учета природных и техногенных объектов региона. Методами дистанционного (космического мониторинга и аэрофотосъемки) мониторинга определяют границы объектов контроля: техногенные объекты, потенциально являющиеся источниками загрязнения окружающей среды, объекты контроля, обеспечивающие кругооборот парниковых газов, преимущественно углекислого газа в атмосфере региона.

Последние разделяют на: природные - участки леса, болота, луга и степи, антропогенные - пашни, теплицы, сады и т.д., техногенные - объекты промышленности, теплоснабжения и энергетики и т.д.

Для определения объектов контроля используют данные космического мониторинга региона. С использованием КА дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) 12 проводят плановую съемку земной поверхности региона, осуществляют дешифровку полученных снимков и по результатам определяют предварительно параметры растительного покрова природных и антропогенных объектов [3. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Издательство АиБ, 1997, с. 21- 26, 40-43, 51-52; 4. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. М.: Логос, 2001, с. 215-221]. Уточнение границ объектов и их анализ производят методами аэрофотосъемки с летательных аппаратов (ЛА) 13 с обработкой полученной информации в наземных центрах обработки 15. Окончательно границы выделенных объектов, их площадь и характеристики определяют по данным кадастрового учета 16. Применительно к объектам контроля, связанным с кругооборотом парниковых газов, определяют по данным кадастровых учетов характеристики объектов, связанные с кругооборотом углекислого газа (тип и вид растительности, например, хвойные или лиственные лес, их категория, запасы фитомассы и т.д.).

При формировании базы данных объектов контроля региона проводят их классификацию как: техногенных источников выделения углекислого газа, техногенных источников поглощения углекислого газа, антропогенных и природных источников его поглощения и выделения.

Техногенными источниками поглощения углекислого газа являются устройства утилизации углекислого газа, установленные на техногенных объектах промышленности, теплоснабжения и энергетики, либо автономно, например, установки улавливания углекислого газа.

Антропогенными источниками поглощения и выделения углекислого газа являются искусственно созданные объекты, которые в зависимости от внешних условий окружающей среды могут как поглощать (например, в светлое время суток вследствие реакции фотосинтеза), так и выделять (в темное время суток) углекислый газ. К таким объектам относятся: сады, лесопосадки, сельскохозяйственные угодья, тепличные хозяйства и т.п.

Природными источниками поглощения и выделения углекислого газа являются природные объекты, которые в зависимости от внешних условий окружающей среды могут как поглощать, так и выделять углекислый газ. К таким объектам относятся: водоемы, леса, болота, пустоши, луга, степи и т.д.

Техногенными источниками выделения углекислого газа являются искусственно созданные объекты промышленности, теплоснабжения и энергетики, не снабженные устройствами утилизации углекислого газа, выделяемого при их функционировании.

По каждому объекту контроля 2.m, m=1 … M в базу данных заносят:

- данные по его типу, площади, начальным значениям измеряемых параметров (оценки фитомассы, производительность установок по утилизации углекислого газа, интенсивность выбросов углекислого газа в атмосферу и т.д.);

- правила формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменения, заключающиеся в создании совокупности правил, обеспечивающих:

- отображение содержания принятых от средств контроля унифицированных протоколов результатов оценки состояния объектов контроля 2.1 … 2.M;

- формирование объединенных протоколов 11 результатов оценки состояния окружающей среды региона;

- формирование результатов кругооборота углекислого газа.

База данных 9, формируемая в центре обработки и управления 6, до начала мониторинга, содержит:

- идентификаторы объектов контроля;

- идентификаторы средств контроля;

- идентификаторы контролируемых характеристик окружающей среды региона;

- последовательность моментов времени {tn}, n=1 … Р формирования унифицированных протоколов 8.1 … 8.Р, передаваемых от средств контроля 3.1 … 3.M в центр обработки и управления 6, при этом для тех объектов контроля, которые содержат несколько средств контроля (см. фиг. 1, объект контроля 2n), унифицированные протоколы формируют для каждого из средств контроля (8.n1 и 8.n2).

- совокупность правил, обеспечивающих: отображение по анализу содержания принятых от средств контроля унифицированных протоколов 8.1 … 8.Р результатов оценки состояния объектов контроля 2.1 … 2.M и формирование объединенных протоколов 11 результатов оценки состояния окружающей среды региона.

Дополнительно в базу данных вносят информационный блок, динамически изменяемый при осуществлении мониторинга с частотой поступления обновляемых протоколов 8.1 … 8.Р, в котором для каждого объекта контроля 2.1 … 2.M формируют суббазу данных, содержащую

- время измерения характеристик объекта контроля,

- значения характеристик объектов контроля, привязанные ко времени их измерения,

- текущие значения метеопараметров (давление атмосферное, направление и сила ветра, температура и т.д.) с привязкой ко времени измерения, передаваемые по линиям связи 5.1 … 5.Р от средств контроля.

Кроме того, в центре обработки и управления 6 для каждого объекта контроля, связанного с кругооборотом углекислого газа, формируют модели поглощения и выделения углекислого газа, учитывающие суточные, сезонные и годичные циклы изменения.

На объектах контроля 2 на средствах контроля 3 формируют локальные базы данных, которые включают (для m-го объекта контроля 2.m, m=1 … M):

- номер m объекта контроля, назначенный центром обработки и управления 6,

- номера k, k=1 … Km датчиков 4.m.1 … 4.m.K_m средств контроля 3.m, назначенных центром обработки и управления 6 для проведения измерений характеристик, по которым на средстве контроля производят оценку соответствия состояния объекта контроля 2.m установленным нормам, при этом j={1,2,…,J} - номера характеристик окружающей среды региона;

- матрицу нижних и верхних границ интервалов допустимых значений для каждой из контролируемой конкретным средством контроля 3.m совокупности характеристик, по которым производят оценку соответствия состояния объекта контроля 2.m установленным нормам;

- словарь терминов, которые используются для формирования текстовой части табличной формы Tm унифицированных протоколов 8.1 … 8.Р результатов оценки состояния объектов контроля 2.1 … 2.M, входящих в состав региона.

Дополнительно локальные базы данных содержат динамически заполняемый в процессе измерений информационный блок, содержащий:

- время измерения характеристик объекта контроля,

- значения характеристик объектов контроля, привязанные ко времени их измерения,

- текущие значения метеопараметров (давление атмосферное, направление и сила ветра, температура) с привязкой ко времени измерения.

При этом текстовая часть табличной формы содержит: текстовую часть единой для всех средств формы, предназначенная для отображения:

- времени формирования протоколов 8.1 … 8.Р;

- номера m объекта контроля 2.1 … 2.M;

- идентификаторов (наименований) типов датчиков средств контроля 4.1.1 … 4.1.K₁; …, 4.M.1 … 4.MK_M;

- координат местоположения объектов контроля и средств контроля;

- текстовой табличной формы, содержание которой формируется в зависимости от результатов контроля конкретным средством контроля характеристик объектов контроля 2.1 … 2.M.

С момента времени t0 начала мониторинга на каждом m-ном объекте контроля 2.m на m-м средстве контроля 3.m (в основном m-му объекту контроля соответствует m-е средство контроля. (Различие в индексах применяется для протяженных объектов контроля, для которых используются несколько средств контроля. Например, для объекта контроля 2.n используют 2 средства контроля 3.n1 и 3.n2) проводят периодические измерения значений каждой из назначенных для контроля средства характеристик (например, содержание в атмосфере загрязняющих веществ y_jm, j=1 … J) посредством специализированных датчиков, например, лидарных систем.

В соответствии с введенными правилами по измеренным значениям y_jm, на каждом m-м средстве контроля (3.1 … 3.Р) формируют совокупность значений характеристик, по которым оценивают состояние объектов контроля 2.1 … 2.M.

Далее проверяют выполнение условий нахождения контролируемых характеристик в допустимом диапазоне и в случаях их невыполнения находят величины Δjm, являющиеся мерой несоответствия измеренных значений характеристик объектов контроля допустимым значениям. Значения измеряемых характеристик y_jm и время их измерения t_jm вносят в локальную базу данных 10.m и в унифицированный протокол 8.m.

Кроме того, в унифицированный протокол 8.m вносят текущие значения метеопараметров и время их измерения t_м.m.

Применительно к объектам контроля, связанным с кругооборотом парниковых газов, кроме (при необходимости) обнаружения загрязняющих веществ проводят измерения концентрации углекислого газа.

Для измерения концентрации углекислого газа используют датчики-измерители концентрации углекислого газа 17 (фигура 2, 3), входящие в состав датчиков 4.1 … 4.m средств контроля 3.m тех объектов контроля, которые относятся к кругообороту углекислого газа.

Объекты, связанные с кругооборотом углекислого газа, могут быть разделены на антропогенные замкнутого типа (фиг .2) (например, теплицы и т.п.) и открытого типа (фиг. 3) (например, сельскохозяйственные угодья) и природные (фиг.4).

Для объектов замкнутого типа в состав датчиков 4.m средств контроля 3.m входят датчик концентрации углекислого газа 17, датчики концентрации загрязняющих веществ (на фиг. 2 не показаны) и метеодатчики 18, один из которых (18.1) вынесен за пределы объекта и регистрирует значения наружных метеопараметров, второй (18.2) размещают внутри объекта и регистрируют значения метеопараметров внутри объекта.

Для объектов открытого типа в состав датчиков 4.m средств контроля 3.m входят датчики концентрации углекислого газа 17.1 … 17.t, и метеодатчики 18.1 … 18.r, распределенные по территории объекта контроля и датчики концентрации загрязняющих веществ 22.

В состав средств управления средств контроля 3.m входят контроллер 20, модем 21 и локальная база данных 10.

В соответствии с введенными правилами по измеренным значениям концентрации углекислого газа на каждом m-м средстве контроля 3.1 … 3.P формируют совокупность значений характеристик y_сm, по которым оценивают его содержание по объекту контроля 2.1 … 2.M.

Значения измеряемых характеристик y_сm вносят в локальную базу данных 10.m и в унифицированный протокол 8.m.

Одновременно проводят измерения текущих метеопараметров (сила и направление ветра, атмосферное давление, температура и др.) в зоне расположения объектов контроля посредством датчиков метеопараметров 18, входящих в состав датчиков 4.m средств контроля 3.m. Фиксируют измеренные значения метеопараметров в локальной базе данных 10.m и в формируемом унифицированном протоколе 8.m.

Сформированные протоколы передаются по линиям связи 5.1 … 5.P в центр обработки и управления 6 региона, где происходит их совместная обработка для формирования объединенного протокола 11.

Дополнительно в центр обработки и управления 6 поступают значения текущих метеопараметров окружающей среды региона от метеостанций 7, рассредоточенных по площади региона.

Для определения эмиссии и поглощения углекислого газа для объектов контроля, являющихся природными и антропогенными источниками поглощения и выделения углекислого газа, формируют суточную, сезонную и годичную модели кругооборота углекислого газа.

Формируемые модели должны соответствовать динамике биологических объектов. Леса, например, имеют определенные вегетационные периоды (например, лето) и периоды старения (например, зима), и именно разница между поглощением углерода летом и выделением углерода зимой определяет направление и интенсивность потока углерода и определяет объект контроля как источник или поглотитель углекислого газа. Аналогично для открытых сельскохозяйственных угодий в вегетативный период они поглощают углекислый газ, а в период покоя (пашня) углеродно нейтральны.

Суточную модель формируют на основе суточного баланса эмиссии (в темное время суток, в которое не идет реакция фотосинтеза) и поглощения (в светлое время суток) углекислого газа. Исходные параметры модели задают, исходя из типа растительного покрова объекта контроля, его площади и совокупности метеорологических параметров, преимущественно температуры, влажности и давления, а также концентрации углекислого газа в воздухе и корректируют по времени года (сезону).

Сезонную и годичную модели строят на основе оценок прироста фитомассы по объекту контроля в зависимости от сезона измерений (в летний период прирост фитомассы максимален, в зимний - минимален или отсутствует). Для коррекции сформированных моделей по отдельным объектам контроля вносят внешнюю информацию 22, 23, например, о количестве фитомассы, изъятой с объекта контроля за определенное время (объем и масса урожая и т.д.).

Для оценки прироста фитомассы древесной растительности (преимущественно для природных и антропогенных объектов, покрытых древесной и кустарниковой растительностью) в основе построения сезонных и годичных моделей используют аллометрические модели. Построение аллометрических моделей базируется на априорной информации о составе растительного лесного покрова, данных тестовых измерений древесного покрова на тестовых полигонах 25 объектов контроля 2.m и оценок скорости его изменения.

В качестве аллометрической модели фракционной структуры фитомассы могут быть использованы традиционные аллометрические модели, предназначенные преимущественно для наземной таксации [5. Аллометрические модели фитомассы деревьев для лазерного зондирования и наземной таксации углеродного пула в лесах Евразии: сравнительный анализ В. А. Усольцев, В. П. Часовских, Ю. В. Норицина, Д. В. Норицин / Сибирский лесной журнал. 2016. № 4. с. 68-76]:

где Pi - фитомасса в абсолютно сухом состоянии стволов с корой, скелета ветвей, хвои (листвы), надземной части и корней (соответственно P_st, P_br, P_f, P_a и P_r), кг; H - высота дерева, м; DBH - диаметр ствола на высоте груди (130 см), см. В данной модели коэффициенты а0, а1 и а2 рассчитывают для различных типов растительности.

Для формирования базы данных по модели на объекте контроля формируют отдельные тестовые полигоны 25, на которых методами наземной таксации определяют исходные параметры для аллометрической модели типа (1) (высоту и диаметр ствола, тип растительности), которые распространяют на весь объект контроля 2 (фиг. 4).

Дополнительно данные аллометрические модели корректируют по данным датчиков углекислого газа 17, распределенных по территории объекта контроля 2.m, т.к. прирост фитомассы зависит как от типа растительности, так и от концентрации углекислого газа в атмосфере.

Данные модели периодически уточняют по результатам текущих измерений средствами контроля 3.m (для протяженных объектов контроля, для которых используются несколько средств контроля, вводится второй индекс, например, 3.n1 и 3.n2) на объектах контроля 2.m, вводя поправочные коэффициенты по текущим данным содержания углекислого газа в атмосфере объекта контроля с учетом текущих метеопараметров.

По результатам построения моделей содержания углекислого газа для объектов контроля и результатам измерения характеристик объектов контроля (площадь, тип растительности, назначение объекта и др., временные ряды значений содержания углекислого газа в атмосфере, метеопараметров по объектам контроля и по территории региона) формируют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для региона, периодически уточняя сформированную модель по результатам текущих измерений средствами контроля на объектах контроля 2.m.

При формировании базы данных по характеристикам окружающей среды региона проводят периодическую съемку территории региона различными методами дистанционного зондирования, выявляя изменения как пространственных характеристик объектов контроля (границы, размеры, площадь), так и характеристики назначения (изменение назначения сельскохозяйственных земель, очаги пожаров, вырубки и т.д.), дополняемыми данными текущего кадастрового учета, и осуществляют периодическую коррекцию базы данных объектов окружающей среды, преимущественно сезонную.

По результатам передаваемых унифицированных протоколов 8.1 … 8.Р в центре обработки и управления 6 формируют объединенный протокол 11, в котором при формировании данных о превышении допустимых параметров анализируемых характеристик используют текущие, предшествующие и прогнозируемые значения контролируемых характеристик (загрязняющих веществ) y_n, j=1 … J), а также текущие, предшествующие и прогнозируемые значения метеопараметров, полученные как от средств контроля 3, так и от метеостанций 7 для комплексной оценки состояния окружающей среды региона по каждому из загрязняющих веществ с учетом их переноса в атмосфере. Применительно к объектам контроля, связанным с кругооборотом углекислого газа при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона, используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона.

Совокупность существенных признаков предлагаемого способа комплексного мониторинга окружающей среды региона проявляет новые свойства способа, а именно:

- включение в передаваемые унифицированные протоколы результатов оценки состояния объектов контроля, сформированных на средствах контроля по заранее установленным правилам формализации, текущих метеопараметров и привязка передаваемых значений контролируемых характеристик ко времени их измерения повышает точность оценки состояния окружающей среды региона за счет возможности оценки переноса загрязняющих веществ в атмосфере;

- использование значений метеопараметров по территории региона позволяет определить текущие и прогнозируемые значения концентрации загрязняющих веществ по территории региона и возможность их переноса за его пределы;

- включение в состав контролируемых характеристик содержания углекислого газа позволяет осуществить контроль состояния окружающей среды региона с точки зрения изменения климата и повысить точность мониторинга;

- формирование моделей кругооборота углекислого газа в атмосфере объектов контроля и региона позволяет повысить точность прогнозирования состояния природной среды региона и тем самым повысить точность экологического мониторинга;

- обработка объединенных протоколов результатов оценки состояния окружающей среды региона с учетом времени измерения контролируемых характеристик по каждому объекту контроля и учет метеопараметров обеспечивают повышение точности прогноза изменений состояния окружающей среды региона.

Возможность осуществления предлагаемого способа комплексного экологического мониторинга окружающей среды региона подтверждается следующим примером.

Предположим, что требуется провести (фиг.1) комплексный мониторинг окружающей среды региона 1, состоящего из m объектов контроля: 2.1 … 2.M.

Для первоначального формирования базы данных методами дистанционного зондирования посредством:

- космических средств. Результаты съемки поверхности региона посредством КА ДЗЗ 12 поступают на наземный центр обработки данных ДЗЗ 13, где определяют характеристики объектов контроля (границы, площади, размеры, тип объекта, тип растительности) и передают в центр 6;

- средств аэрофотосъемки. Результаты съемки поверхности региона посредством летательных аппаратов аэрофотосъемки 14 поступают на наземный центр обработки данных аэрофотосъемки 15, где определяют характеристики объектов контроля (границы, площади, размеры, тип объекта, тип растительности) и передают в центр 6.

Полученная информация уточняется по данным центра кадастрового учета 16, которые также передают в центр обработки и управления 6. Производится классификация объектов контроля как объектов кругооборота углекислого газа: техногенных источников выделения углекислого газа, техногенных источников поглощения углекислого газа, антропогенных и природных источников его поглощения и выделения.

Данная информация является первичной для формирования базы данных 9. Структура и содержание базы данных 9 описано выше.

Состояние окружающей среды оценивают по совокупности характеристик y₁… y_{J ,} у_с, измеряемых для каждого m-го объекта контроля датчиками 4.m.1… 4.m.K_M средств контроля 3.m.

При этом для части объектов контроля используют одно средство контроля (объекты 1 … m … n-1; n+1 … М) и один комплект датчиков 4.m.1…4.m.K_m, m=1 … n-1; n+1 … M, а другие, например, объект контроля 2.n - 2 средства контроля: 3.n.1, 3.n.2 и 2 комплекта датчиков 4.n1.1…4.n1.K_n1; 4.n2.1…4.n2.K_n2.

Средства контроля 3.m могут как постоянно входить в состав объектов контроля 2.m, так и быть мобильными, размещаемыми в различных точках объекта контроля или вне его на его границах.

В качестве датчиков 4 используются датчики концентрации загрязняющих веществ, например, окиси углерода, окиси азота и т.д., и датчики концентрации углекислого газа (17, фиг. 2-4), выпускаемые серийно, а также датчики измерения метеопараметров (метеостанции) - 18 (фиг. 2-4) и внешние метеостанции 7.

При этом измерения проводят постоянно с привязкой ко времени суток (в светлое и темное время).

Результаты измерений датчиков регистрируют в локальных базах данных 10.m отдельно по каждому средству измерения 3.m. В контроллере 20 (фиг. 2-4), входящем в состав средств измерения 3.m по результатам измерений с привязкой каждого ко времени измерения, формируют унифицированный протокол 8.m, структура и содержание которого описаны выше. Данный протокол через модем 21 поступает на линию связи 5.m. Линии связи могут быть проводными (5.1, 5.n.2, 5.M) и беспроводными (5.m, 5.n.1) (например, по сетям мобильной связи).

По линиям связи сформированные унифицированные протоколы 8.1, …, 8.m …, 8.n.1, 8.n.2, … 8.M передают в центр обработки и управления 6, где включают в базу данных 9 и обрабатывают с целью формирования объединенного протокола состояния окружающей среды региона 11. Дополнительно в центр 6 поступают результаты измерения метеопараметров от вынесенных метеостанций 7, распределенных по региону.

По предыдущим и текущим значениям измеряемых параметров и значениям метеопараметров формируют объединенный протокол состояния окружающей среды региона 11.

Дополнительно по результатам измерений концентрации и содержания углекислого газа y_cm производят формирование суточной, сезонной и годичной моделей кругооборота углекислого газа как по каждому объекту контроля, так и по региону в целом.

Для формирования данных моделей используют совокупность измерений датчиков углекислого газа 17 (фиг. 2-4) и метеодатчиков 18 (фиг. 2-4). Для открытых протяженных природных и антропогенных объектов контроля - источников поглощения и выделения углекислого газа, дополнительно используют данные наземной таксации, полученные на тестовых полигонах 25, располагаемых на территории объектов контроля.

Заявленный способ позволяет осуществлять комплексное формирование в реальном масштабе времени протоколов о состоянии окружающей среды региона с учетом состояния атмосферы и переноса загрязняющих веществ, посредством прямых измерений и модельных представлений оценивать потоки эмиссии и поглощения углекислого газа и тем самым повышать точность результатов оценки изменений состояния окружающей среды региона, внося вклад в прогнозирование изменений климата на краткосрочную и длительную перспективу.

Изобретение относится к способам мониторинга окружающей среды региона, включающего источники поглощения и выделения углекислого газа. Сущность: формируют базы данных по характеристикам окружающей среды региона и правилам формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменений. Формируют на средствах контроля локальные базы данных, содержащие значения характеристик объектов контроля и единые правила формализации результатов оценки их состояния. Измеряют в процессе мониторинга текущие значения характеристик объектов контроля дистанционными и контактными методами при сборе данных по каждому объекту контроля и осуществляют оценку изменения во времени показателей окружающей среды. Формируют на объектах контроля унифицированные протоколы, отображающие зафиксированные значения контролируемых характеристик, время формирования протокола. Передают по линиям связи сформированные протоколы в центр обработки и управления. Формируют в центре обработки данных объединенный протокол. Фиксируют по данным сформированных объединенных протоколов фактические значения характеристик окружающей среды, эмиссии и поглощения углекислого газа, направления их изменений и моментов времени формирования протоколов на объектах контроля. Проводят классификацию объектов окружающей среды как объектов кругооборота углекислого газа, а именно: техногенных источников выделения углекислого газа, техногенных источников поглощения углекислого газа, антропогенных и природных источников его поглощения и выделения. Включают в состав контролируемых характеристик окружающей среды региона содержание и кругооборот парниковых газов, преимущественно углекислого газа в атмосфере региона. Формируют по локальным базам данных объектов контроля для каждого природного и антропогенного источника поглощения и выделения углекислого газа суточную, сезонную и годичную модели кругооборота углекислого газа по результатам анализа показаний средств контроля и периодического контроля объема фитомассы и ее изменений. Формируют модели содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для объектов контроля и комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для региона по результатам измеренных характеристик объектов контроля, данным объединенных протоколов и сформированным моделям кругооборота углекислого газа для отдельных объектов. Периодически уточняют сформированные модели по результатам текущих измерений средствами контроля на объектах контроля. Причем при формировании базы данных по характеристикам окружающей среды региона периодически проводят съемку территории региона различными методами дистанционного зондирования. Определяют по данным дистанционной съемки и кадастрового учета границы и тип природных и техногенных объектов на территории региона. После формирования осуществляют периодическую коррекцию базы данных объектов окружающей среды. При измерении текущих характеристик объектов контроля определяют метеорологические параметры атмосферы региона и их оценки по зонам расположения техногенных объектов контроля, антропогенных и природных объектов. Для антропогенных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят циклично с привязкой ко времени суток. Для природных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят в различные сезоны с привязкой каждого измерения ко времени суток. В локальные базы данных объектов контроля и унифицированные протоколы дополнительно вносят значения текущих метеопараметров в зоне объектов контроля, измеряемые одновременно со значениями характеристик объекта контроля. При прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона. Технический результат: повышение точности результатов оценки изменений состояния окружающей среды региона. 4 ил.

Способ комплексного мониторинга окружающей среды региона, включающего объекты контроля, заключающийся в том, что до начала сбора данных

- формируют базы данных по характеристикам окружающей среды региона и правилам формализации результатов оценки состояния окружающей среды и ее изменений,

- формируют на средствах контроля локальные базы данных, содержащие значения характеристик объектов контроля и единые правила формализации результатов оценки их состояния,

- измеряют в процессе мониторинга текущие значения характеристик объектов контроля дистанционными и контактными методами при сборе данных по каждому объекту контроля и осуществляют оценку изменения во времени показателей окружающей среды,

- формируют на объектах контроля унифицированные протоколы, отображающие зафиксированные значения контролируемых характеристик, время формирования протокола,

- передают по линиям связи сформированные протоколы в центр обработки и управления,

- формируют в центре обработки данных объединенный протокол,

- фиксируют по данным сформированных объединенных протоколов фактические значения характеристик окружающей среды, эмиссии и поглощения углекислого газа, направления их изменений и моментов времени формирования протоколов на объектах контроля,

отличающийся тем, что

- проводят классификацию объектов окружающей среды как объектов кругооборота углекислого газа, а именно: техногенных источников выделения углекислого газа, техногенных источников поглощения углекислого газа, антропогенных и природных источников его поглощения и выделения,

- включают в состав контролируемых характеристик окружающей среды региона содержание и кругооборот парниковых газов, преимущественно углекислого газа в атмосфере региона,

- формируют по локальным базам данных объектов контроля для каждого природного и антропогенного источника поглощения и выделения углекислого газа суточную, сезонную и годичную модели кругооборота углекислого газа по результатам анализа показаний средств контроля и периодического контроля объема фитомассы и ее изменений,

- формируют модели содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для объектов контроля и комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере для региона по результатам измеренных характеристик объектов контроля, данным объединенных протоколов и сформированным моделям кругооборота углекислого газа для отдельных объектов,

- периодически уточняют сформированные модели по результатам текущих измерений средствами контроля на объектах контроля,

- причем при формировании базы данных по характеристикам окружающей среды региона периодически проводят съемку территории региона различными методами дистанционного зондирования,

- определяют по данным дистанционной съемки и кадастрового учета границы и тип природных и техногенных объектов на территории региона,

- после формирования осуществляют периодическую коррекцию базы данных объектов окружающей среды,

- при измерении текущих характеристик объектов контроля определяют метеорологические параметры атмосферы региона и их оценки по зонам расположения техногенных объектов контроля, антропогенных и природных объектов,

- для антропогенных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят циклично с привязкой ко времени суток,

- для природных источников поглощения и выделения углекислого газа измерения проводят в различные сезоны с привязкой каждого измерения ко времени суток,

- в локальные базы данных объектов контроля и унифицированные протоколы дополнительно вносят значения текущих метеопараметров в зоне объектов контроля, измеряемые одновременно со значениями характеристик объекта контроля,

- при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона.