Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2454651

(19)

RU

(11)

2454651

(13)

C1

(51) МПК G01N3/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011107522/28, 25.02.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

25.02.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 25.02.2011

(45) Опубликовано: 27.06.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2262718 С1, 20.10.2005. RU 2002101252 А, 27.09.2003. SU 1543231 А1, 15.02.1990. US 2009127251 A1, 21.05.2009. JP 8050182 А, 20.02.1996.

Адрес для переписки:

360030, г.Нальчик, пр. Ленина, 2, Федеральное государственное бюджетное учреждение "Высокогорный геофизический институт" (ФГБУ "ВГИ")

(72) Автор(ы):

Аджиев Анатолий Хабасович (RU),

Андриевская Виктория Юрьевна (RU),

Багов Эльдар Джонович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное учреждение "Высокогорный геофизический институт" (RU)

(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В ЛАВИННЫХ ОЧАГАХ

(57) Реферат:

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.

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);

- 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 0 (азимут) SCB, под которым виден репер В.

Определяется угол 0 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 ( 0 ) 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 .

- Определяется угол 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 0 (угол между направлениями на север S и на репер В: BC S).

- Измеряется расстояние C B.

- Определяется 03 - 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 3 - 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);

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

0 , град

0 , град

AC, м

, град

, град

A C, м

, град

, град

A C, м

, град

, град

1

305

15 0 06 57

7 0 43 40

5490

99 0 48 44

5 0 21 15

5485

99 0 48 39

5 0 21 35

5480

99 0 48 25

5 0 21 55

2

305

15 0 06 57

7 0 43 40

1427

92 0 01 58

5 0 53 45

1425

92 0 01 12

5 0 54 00

1425

92 0 01 00

6 0 00 00

3

305

15 0 06 57

7 0 43 40

395

63 0 37 58

8 0 44 40

395

63 0 37 50

8 0 52 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 0 (угол между направлениями на восток S и на репер B: ВС S). Т.к. точка C совпадает с C, то

BC S= BCS=105 0 06 57

С В=СВ=305 м

Определяется 03 - угол между горизонтом и направлением на репер.

03 =7 0 43 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

0 , град

03 , град

C BA, град

C BA , град

C BA , град

1

305

105 0 06 57

7 0 43 40

92,12105674

92,11953842

92,12051987

2

305

105 0 06 57

7 0 43 40

90,74277941

90,73795042

90,74129318

3

305

105 0 06 57

7 0 43 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 3 , , 0 (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

3 , град

C E , м

, град

C E , м

0 , град

1

5488

5 0 21 15

5484

5 0 21 35

5480

5 0 21 55

2

1425

5 0 53 45

1424

5 0 54 00

1423

6 0 00 00

3

394

8 0 44 40

395

8 0 52 28

-

-

С учетом угла зондирования толщина снега h определяется как:

h=АЕ·cos ,

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).

Формула изобретения

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 ( з ) определяют толщину снежного покрова (h) по формуле:

h=AE·cos 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.

РИСУНКИ