Способ обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования Российский патент 2024 года по МПК G01J5/48 G01N21/3577 G01N33/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно, к санитарной охране водных объектов с целью обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, и касается способа обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования.

Уровень техники

Способы обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в природные водоемы, в том числе речные водотоки, известны.

Известен способ определения уровня загрязнения водоемов легкоокисляющимися органическими веществами путем измерения биохимического потребления кислорода бактериями (БПК). Этот показатель является параметром качества воды и определяется как количество кислорода, необходимое для биохимического окисления содержащихся в воде органических соединений [Руководящий документ РД 52.24.420-2006 «Биохимическое потребление кислорода в водах. Методика выполнения измерений скляночным методом»]. Продолжительность времени окисления, как правило, составляет 5 суток (БПК₅). В некоторых случаях исследование проводят до полного завершения процесса окисления (БПК_полн) [ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 «Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений биохимической потребности в кислороде после n-дней инкубации (БПКполн.) в поверхностных пресных, подземных (грунтовых), питьевых, сточных и очищенных сточных водах»]. Обычно «полный период времени» равен двадцати суткам. Таким образом, недостатком метода оценки БПК при определении загрязненности поверхностных вод является длительное время анализа. Определение БПК основано на измерении концентрации растворенного кислорода в пробе воды непосредственно после отбора, а также после инкубации пробы. Поэтому другим существенным недостатком данного способа является необходимость проведения анализа в лабораторных условиях или в полевых с соблюдением тех же условий, что и при работе в лаборатории (хранение пробы в темноте, без доступа воздуха, при температуре 20°С), чтобы исключить фотохимическое окисление, а также влияние мешающих примесей, встречающихся только в сточных и загрязненных поверхностных водах (взвешенные и окрашенные вещества, биологически активные взвешенные вещества, восстановители и окислители). Кроме того, недостатком биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации, искажающий характер потребления кислорода, под воздействием нитрифицирующих бактерий (Nitrozomonas, Nitrobacter и др.), обеспечивающих окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутствуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах [Муравьев А.Г. Руководство по определению показателей качества воды полевыми методами. 3-е изд., доп. и перераб. – СПб.: «Крисмас+», 2004. – 248 с.].

Также известен биосенсор для определения загрязненности воды (природной, промышленной, муниципальной) органическими веществами [RU 2650634, 2018]. Определение наличия в воде органических веществ основано на измерении электрогенной активности природных анодофильных бактерий, находящихся в биопленке на аноде, которые способны реагировать изменением напряжения на наличие или отсутствие в исследуемой воде органических веществ. Величина напряжения (мВ) зависит от количества ассимилируемой бактериями органики в исследуемом водном образце.

Недостатком данного контактного способа оценки БПК при определении загрязненности поверхностных вод является невозможность проведения дистанционного экспресс-анализа водотоков.

Наиболее близким по существу к заявляемому способу по настоящему изобретению является способ мониторинга качества воды на основе гиперспектрального и теплового инфракрасного излучения беспилотного летательного аппарата [CN116563733, 2023], включающий: выполнение мониторинга на месте; анализ модели; обнаружение проб; машинное обучение и вывод отчета о мониторинге. При этом беспилотная авиационная гиперспектральная система визуализации используется для проведения воздушного полного мониторинга бассейна, ежедневного мониторинга сброса сточных вод на конкретном участке реки. После мониторинга на месте для получения данных выполняется точное обнаружение проб и анализ модели, а затем с помощью машинного обучения конкретные результаты выводятся в виде отчетов о мониторинге. Результаты данных получаются и возвращаются в режиме реального времени. Мониторинг на месте осуществляется с использованием дрона, оснащенного системой гиперспектральной визуализации, написанной с различными алгоритмами идентификации загрязняющих веществ, который заключается в проведении комплексного ежедневного обследования и мониторинга некоторых участков реки по заданным маршрутам. Различные загрязняющие вещества формируют карту изображения загрязнения на основе соответствующих алгоритмических моделей нескольких чувствительных волновых диапазонов при получении изображений с помощью веерного сканирования. Данные изображения степени загрязнения передаются обратно в режиме реального времени. На этапе анализа сначала определяют БПК, ХПК наиболее распространенных источников загрязнения, таких как, оксиды азота и зеленые водоросли. Собирают спектры различных концентраций загрязняющих веществ в определенной акватории. Создают относительно полную систему баз данных, анализируют данные о различных загрязнителях, находят характеристические диапазоны различных загрязнителей, получают соответствующие алгоритмы модели и интегрируют выявленные алгоритмы модели в программное обеспечение для сбора и анализа данных. После этого отбирают пробы воды на контролируемом речном водном объекте в тот же период патрулирования дроном. Анализ параметров качества воды поводится в соответствии с национальным стандартом GB3838-2002 (Environmental quality standard for surface water) в каждой точке отбора проб. Этап машинного обучения заключается в выполнении операций предварительной обработки данных. Гиперспектральные данные, полученные гиперспектральной камерой, установленной на дроне, представляют собой цифровые количественные значения, которые преобразуются в данные об отражательной способности.

Таким образом, известный способ позволяет измерять температурные и спектральные характеристики поверхностных вод дистанционно при отсутствии непосредственного воздействия средства измерения на окружающую среду путем регистрации различия тепловых свойств поверхности водных объектов за счёт фиксации хлорофилла, мутности, концентрации взвешенных веществ, индекс цвета воды.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения по известному способу на этапе машинного обучения конкретный режим преобразования светового сигнала отображается в виде формулы:

где Ref_target - отражательная способность цели, DN_target - значение коэффициента преломления цели, DN_dark - значение коэффициента преломления потока темных пятен самой камеры, DN_white - значение коэффициента преломления эталонной пластины, а Ref_white - отражательная способность эталонной пластины.

Однако недостатком данного способа расчета является введение дополнительной константы, а именно Ref_white, так как такой подход усложняет процесс расчёта и анализа полученных термограмм. Также при расчете не учитывается расхождение температуры воды в русле реки с температурой воды в прибрежной части. Метод расчета основывается лишь на температурных значениях конкретной точки или ряда точек без учета средней температуры воды в реке, что ставит под вопрос эффективность способа в целом.

Кроме того, в описании аналога [CN116563733, 2023] сказано, что предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения на этапе мониторинга на месте является использование дрона, оснащенного камерой собственной разработки для сбора гиперспектральных данных о реке. При этом отмечено, что сбор данных выполняют в ясную и безоблачную погоду, а высота полета дрона составляет 200 метров. Поэтому другими существенными недостатками применения БПЛА для дистанционного мониторинга окружающей среды являются возможные проблемы, связанные с неблагоприятными погодными условиями (туман, дождь, ветер и турбулентность), а также проблемы, связанные с движением Солнца. Эти факторы могут влиять на угловые эффекты или функции распределения двунаправленной отражательной способности. Геометрия освещения является частым источником ошибок при дистанционном зондировании. Кроме того, географическая привязка и обработка большого объема изображений создают вычислительную нагрузку, которая может перегрузить даже быстрые компьютеры (Hardin, P. J., & Jensen, R. R. , 2011, GIScience and Remote Sensing, 48, 99–111). Изменения солнечной радиации во время полета также существенно влияют на качество изображений БПЛА (Wang, S., Garcia, M., et al., 2019, Remote Sensing of Environment, 229, 14–31). Большая высота полета снижает пространственное разрешение изображений, а водяной пар в воздухе может ослаблять сигналы, передаваемые с поверхностей изображения (Still, C., Powell, R., et al. 2019, Ecosphere, 10, e02768). Существуют также проблемы безопасности, связанные с использованием БПЛА, в первую очередь из-за пространственного покрытия и помех гражданским самолетам (Hardin, P. J., & Jensen, R. R., 2011). Поэтому при использовании БПЛА необходимо разрешение на пролет на определенной высоте и по разрешенному маршруту в определенное время.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования, лишенного указанных выше недостатков.

Раскрытие сущности изобретения

Поставленная задача решается способом обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования, заключающимся в выполнении последовательности операций, включающей:

- предварительное обозначение на карте контролируемой области реки с превышением гигиенических нормативов по микробиологическим показателям за предыдущий период (год/месяц) вдоль береговой линии на расстоянии от 10 до 20 метров от береговой полосы в сторону русла реки;

- нанесение на карту контрольных точек исследования (КТ), расположенных в прибрежной части, и соответствующих им контрольных точек в русле реки в системе координат EPSG:4326-WGS 84; на карте указывается номер контрольной точки отбора пробы и степень загрязнения (Рисунок 1);

- определение дополнительных точек от предполагаемого загрязнителя на расстоянии каждые 20 метров до следующей точки, не превышающей гигиенических нормативов по микробиологическим показателям (Рисунок 2);

- спуск на воду маломерного речного судна, способного двигаться по течению реки на расстоянии 20 м от берега, с установленным на нем тепловизионным оборудованием;

- измерение температуры с применением тепловизионной съемки в каждой контрольной точке с целью поиска тепловых аномалий, а также измерение температуры общего фона поверхности водного объекта;

- определение границ возможного несанкционированного сброса сточных вод в случае, если разность температур водотоков в контрольных точках прибрежной области и температур в соответствующих им контрольных точках в русле реки (температурное расхождение) превышает 3ºС. Отображение на карте температурных расхождений условными цветами: красным (максимальное расхождение), оранжевым (среднее расхождение), желтым (минимальное расхождение) и зеленым (температура русла реки) (Рисунок 3).

- отбор проб воды в контрольных точках прибрежной зоны, в которых обнаружено температурное расхождение более 3ºС, в пределах установленных границ возможного несанкционированного сброса сточных вод и проведение бактериологического исследования;

- нанесение на карту точек отбора проб с указанием информации о степени бактериального загрязнения, а также с указанием координат возможного источника несанкционированного сброса сточных вод (Рисунок 4);

- занесение результатов в базу данных.

В способе аналоге [CN116563733, 2023] сказано, что предпочтительным вариантом осуществления изобретения на этапе мониторинга на месте для сбора гиперспектральных данных о реке является использование дрона, оснащенного камерой собственной разработки, в безоблачную погоду. Преимуществом предлагаемого способа по настоящему изобретению является применение маломерного речного судна и тепловизионного оборудования вне зависимости от погодных условий, условий видимости и уровня освещенности. В качестве маломерного речного судна могут быть использованы, например, надувные лодки, моторные лодки, катамараны и др. В качестве тепловизионного оборудования могут быть использованы тепловизионные приборы – тепловизоры (пирометры) измерительного типа любого производителя, соответствующие следующим техническим требованиям:

- разрешение инфракрасного детектора - 240 × 180 пикселей;

- температурный диапазон исследуемого объекта от -20 до 550°C;

- наличие встроенного Wi-Fi-модуля для быстрого подключения к мобильному приложению для обмена изображениями и отправки отчетов в координационный центр исследований;

- матрица тепловизора имеет разрешение 640 × 480 пикселей.

Техническим результатом по настоящему изобретению является способ обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования посредством бесконтактного дистанционного измерения температур водотока между протяженной прибрежной областью и руслом реки и последующего расчета температурного расхождения.

Настоящее изобретение позволяет проводить бесконтактное дистанционное измерение полей температур воды на поверхности водного объекта с применением тепловизионного оборудования с визуализацией температурных данных на термограммах и последующим их анализом.

Таким образом, преимуществами заявляемого способа по настоящему изобретению являются:

- дистанционное измерение температур контрольных точек исследования, расположенных в прибрежной части, и соответствующих им контрольных точек в русле реки без применения БПЛА;

- применение сертифицированных тепловизионных приборов, отвечающих техническим требованиям, произведенных различными производителями;

- применение маломерного речного судна (надувной лодки, катамарана, катера) для передвижения по речному водотоку в любую погоду и любое время суток в отличие от БПЛА

Вывод о наличии несанкционированного сброса сточных вод делается на основании выявления температурного расхождения результатов измерения температур контрольных точек, расположенных в прибрежной части, и соответствующих им контрольных точек в русле реки. Таким образом, совокупность признаков обеспечивает оптимальное техническое решение поставленной задачи.

Краткое описание иллюстраций.

На рисунке 1 представлена карта прибрежной области с контрольными точками (КТ).

На рисунке 2 представлена карта прибрежной области с дополнительными КТ на расстоянии от предполагаемого загрязнителя каждые 20 метров до следующей точки, не превышающей гигиенических нормативов по микробиологическим показателям.

На рисунке 3 представлена карта области исследований с отображением температурных расхождений условными цветами: красным (максимальное расхождение), оранжевым (среднее расхождение), желтым (минимальное расхождение) и зеленым (температура русла реки), включая прибрежную зону, в пределах установленных границ возможного несанкционированного сброса сточных вод и контрольных точек для последующего отбора проб воды и проведения бактериологического исследования.

На рисунке 4 представлена карта прибрежной зоны с указанием координат обнаруженного наиболее вероятного места несанкционированного сброса сточных вод.

Осуществление изобретения

Заявленное изобретение иллюстрируется представленным ниже примером. Результат обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования заявляемым способом по настоящему изобретению приведен для иллюстрации его эффективности. Однако настоящее изобретение не ограничивается этим конкретным вариантом его осуществления, и специалист в данной области техники может внести в него различные изменения и модификации, не выходя за рамки объема или сущности изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения.

Пример. Обнаружение несанкционированных сбросов сточных вод в реку Дон в безледоставный период.

На карте реки обозначают область, подлежащую контролю. Для точности определения температурных аномалий на карту наносят контрольные точки вдоль береговой линии на расстоянии ~20 метров друг от друга.

Затем с помощью маломерного речного судна (надувной лодки, катамарана, катера) с установленным на нем тепловизионным прибором, согласно техническим характеристикам, приведенные ниже, осуществляют обследование состояния водотока реки Дон. Техническая характеристика тепловизора представлена в таблице 1.

Таблица 1 – Техническая характеристика тепловизионного прибора

Разрешение инфракрасного детектора 240 × 180 пикселей Температурный диапазон измерений от -20°C до 550°C Наличие встроенного Wi-Fi-адаптера есть Разрешение матрицы тепловизора 640 × 480 пикселей Формат изображений JPG Уровень температурного отклонения 2-5 % Точность измерения ± 1°C или ±2% показания при температуре окружающей среды от 10°C до 35°C Поле зрения (FOV) 45° × 34° Диапазон рабочих температур от -15°C до 50°C Радиоспектр Стандарт: 802.11 b / g / n Диапазоны частот 2400–2480 МГц, 5150–5260 МГц Максимальная выходная мощность 15 дБм Диапазон температур хранения от -40°C до 70°C

Исследовательское судно движется по течению реки Дон по ранее сформированному маршруту поиска температурных аномалий из города Ростов-на-Дону в город Азов вдоль береговой линии на расстоянии 20 метров от берега. Оператор включает тепловизионный прибор и измеряет температуру в каждой контрольной точке.

По окончании измерений проводят расчет температурных расхождений в каждой контрольной точке по формуле:

X= t_{русла реки} – t_{прибрежной части},

где X - температурные расхождения между t_{русла реки} и t_{прибрежной части}.

Результаты заносят в базу данных.

В таблице 2 приведены результаты измерения температур прибрежной области и русла реки Дон контрольных точек и их температурные расхождения.

Затем проводят температурное районирование на карте в соответствии с координатами точек измерений, отмечая границы возможного несанкционированного сброса сточных вод при разности температур водотоков в прибрежной области и соответствующих контрольных точках в русле более 3ºС. После этого в точках прибрежной зоны с превышением допустимого температурного расхождения отбирают пробы воды для бактериологического исследования. Точки отбора и степень бактериального загрязнения наносят на карту с указанием координат источника несанкционированного сброса сточных вод. Температурные расхождения отмечают на карте условными цветами (рисунок 3).

Таблица 2 – Значения температур прибрежной области и русла реки Дон и температурное расхождение этих значений в восьми контрольных точках

Номер контрольной точки 1 2 3 4 5 6 7 8 Температура прибрежной области, ºС 11 16 14 12 11 10 11 10 Температура русла реки, ºС 9 10 9.5 9 9 9 9 9 Температурное расхождение (Х), ºС 2 6 4.5 3 2 1 2 1

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что в контрольных точках №2 и № 3 обнаружено температурное превышение значения температуры воды в прибрежной части более 3°С по сравнению с температурным фоном поверхности русла водотока.

Таким образом, в результате тепловизионной съемки, выполненной по маршруту следования водного транспорта из города Ростов-на-Дону в город Азов по реке Дон, обнаружено два случая возможного несанкционированного сброса сточных вод в реку Дон в районе г. Азов при температурных расхождениях, равных 4,5ºС и 6ºС.

Выявлены минимальные характеристики тепловизионного оборудования (температурный диапазон: от -20°С до +550°С, угол обзора - 45°, разрешение матрицы тепловизора: 320 х 240 px, дальность видимости не менее 500 метров, регулируемый фокус объектива.

Данные, представленные в таблице 2, иллюстрируют эффективность способа по предлагаемому изобретению.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к санитарной охране водных объектов с целью обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, и касается способа обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования. Предложен способ обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизионного оборудования, включающий дистанционное измерение полей температур воды на поверхности водного объекта с последующей визуализацией температурных данных на термограммах, анализ термограмм и дальнейший отбор проб воды в точках прибрежной зоны с превышением допустимого температурного расхождения для оценки степени бактериального загрязнения. Тепловизионную съемку осуществляют с борта маломерного речного судна, двигающегося по течению реки на расстоянии 10-20 м от береговой полосы. Технический результат - настоящее изобретение позволяет проводить бесконтактное дистанционное измерение полей температур воды на поверхности водного объекта с применением тепловизионного оборудования с визуализацией температурных данных на термограммах и последующим их анализом. 4 ил.

1. Способ обнаружения несанкционированного сброса сточных вод в речной водоток с применением тепловизора, установленного на борту маломерного речного судна, двигающегося по течению реки на расстоянии 10-20 м от береговой полосы, включающий дистанционное измерение полей температур воды на поверхности водного объекта для идентификации тепловых аномалий, а также измерение температуры общего фона поверхности водного объекта, визуализацию температурных данных на термограммах с последующим их анализом для определения на основе полученных данных расхождения температуры между температурой русла реки и температурой прибрежной части по формуле:

Х = t_{русла реки} - t_{прибрежной части},

где t_{русла реки} - температура русла реки, а t_{прибрежной части} - температура прибрежной части, причем температурное расхождение водотоков в прибрежной части и русла реки более 3°C свидетельствует об обнаружении источника несанкционированного сброса сточных вод, отбор проб воды в точках прибрежной зоны с превышением допустимого температурного расхождения для оценки степени бактериального загрязнения, нанесение на карту точек отбора проб с указанием информации о степени бактериального загрязнения.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что точки отбора проб и показатели степени бактериального загрязнения наносят на систему координат EPSG:4326 - WGS 84.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что разрешение инфракрасного детектора тепловизора составляет 240 × 180 пикселей.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что матрица тепловизора имеет разрешение 640 × 480 пикселей.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что температурный диапазон измерений тепловизора составляет от -20 до 550°C.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что тепловизор имеет встроенный Wi-Fi-адаптер для быстрого подключения к мобильному приложению для обмена изображениями и отправки отчетов в координационный центр исследований.

7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что тепловизор снабжен гиперспектральной камерой с функцией фиксации данных на карту памяти.