Статистические методы обработки и анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов в пограничном слое атмосферы

• Автор: Петров, Андрей Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Барнаул
• Количество страниц: 98 с. : ил.

ГЛАВА 1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ АЭРОЗОЛЬНЫХ ШЛЕЙФОВ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
1.1 Аэрозоль
1.2 Методы и средства изучения аэрозоля в атмосфере
1.3 Распространение аэрозольных шлейфов в атмосфере
1.3.1 Постановка задачи
1.3.2 Взаимодействие между молекулярной и турбулентной диффузией
1.3.3 Полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии
1.3.4 Распространение примеси в атмосфере от точечных источников
ГЛАВА 2 ОБРАБОТКА ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЙ АЭРОЗОЛЬНЫХ ШЛЕЙФОВ
2.1 Предварительная обработка и анализ изображений
2.2 Экспериментальная установка
2.3 Алгоритм преобразования видеоизображений
2.4 Программный комплекс анализа видеоизображений аэрозольных шлейфов
2.5 Построение динамических изображений
ГЛАВА 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ПРИМЕСИ И ПАРАМЕТРОВ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПО ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯМ АЭРОЗОЛЬНЫХ ШЛЕЙФОВ
3.1 Обзор ранее проведенных экспериментальных работ
3.2 Рассеяние примеси
3.3. Погрешность метода
3.4 Двухпозиционная схема визирования
3.5 Определение параметров атмосферы
3.5.1 Определение стратификации атмосферы
3.5.2 Определение коэффициентов турбулентной диффузии 87 Заключение
Литература
Актуальность исследований. Атмосферный аэрозоль является продуктом сложной совокупности физических и химических процессов [1]. Вследствие сложности этих процессов и относительно короткого времени жизни аэрозоля его химический состав и физические характеристики очень изменчивы. Исследование свойств атмосферного аэрозоля тесно связано с такими актуальными проблемами физики атмосферы как учет влияния на перенос коротковолновой и длинноволновой радиации, с точки зрения глобального изменения климата [2,4,7]. В рамках этих исследований особый интерес представляют вопросы изучения рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы.
Систематические исследования атмосферной диффузии и рассеяния примесей, применительно к вопросам загрязнения атмосферы, начали бурно развиваться с середины 50х годов прошлого столетия [5,13,20]. Проводились изыскания с целью установить вид и тип уравнений, описывающих атмосферную диффузию. По аналогии с процессами молекулярной диффузии для данной цели использовались уравнения параболического типа, являющиеся обобщением известного уравнения Фикка. Ряд теоретических работ (Ляпин (1948), Монин (1955), Зилитинкевич (1971), Бетчев и Яглом (1971), Левин (1971)) в этом направлении позволили оценить пределы применимости уравнения Фикка и уточнить описание диффузии примеси в некоторых случаях.
Еще в первых работах по атмосферной диффузии наметилось два подхода к теоретическим исследованиям распространения примеси в приземном слое воздуха. Один из них связывался с работой А. Робертса, основанной на решении уравнения турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами. Другой подход, развитый Сеттоном, состоял в использовании для определения концентрации примеси от источника формул, полученных на статистической основе. Согласно Сеттону (1958), распределение примеси вблизи точечного источника в разных направлениях описывается гауссовским законом. Он полагал, что концентрация примеси в точке (х,у,г) от источника, расположенного в начале координат, пропорциональна произведению:
на функции р2 и рх, относящиеся к координатам гих. Здесь агу — дисперсия распределения примеси в направлении у. Сеттон получил, что
где с, - некоторые коэффициенты, й - средняя по высоте скорость ветра. В случае мгновенного источника г - время после действия источника, а для непрерывно действующего источника полагается, что ? = х/к (г = 1,2,3 соответствует х,у,г).
В работах проводившихся в СССР, исходя в определенной степени из указанных выше исследований, большей частью избирался путь решения уравнения турбулентной диффузии с переменными коэффициентами. Такой подход является более универсальным, позволяющим исследовать задачи с источниками различного типа, разными характеристиками среды и граничными условиями. Он дает возможность использовать параметры турбулентного обмена, применяемые в задачах тепло - и влагообмена.
Первые расчетные формулы для определения приземной концентрации примеси от источника были даны в работе Базанке и Пирсона в 1936 г. и в указанных исследованиях Сеттона. Вследствие интенсивного роста загрязнения воздуха полученные результаты, особенно Сеттона, получили быстрое распространение во многих странах. Интерес к ним возрос еще больше, когда началось сооружение атомных реакторов и потребовались оценки возможного загрязнения воздуха радиоактивными веществами. С этого момента значительно расширились работы по экспериментальной проверке расчетных формул. Так выяснилось, что при использовании некоторых из предложенных формул различия между вычисленными и экспериментально полученными величинами составляло 10-15 раз. В частности, это относится к весьма

проблемы, связанные хранением, поиском и манипуляцией изображений, становятся одними из основных [24]. И возникает задача такого представления или описания изображений, чтобы по возможности они были адекватны исходным изображениям, их удобно было бы обрабатывать, интерпретировать, и в то же время требовался сравнительно небольшой объем памяти для хранения указанных представлений и описаний.
Очевидно, что описаний у одного и того же изображение существует несколько: все диктуется содержательной частью задачи и как таковые изображения обладают весьма большой избыточностью: статистической, психовизуальной и содержательной[48].В первую очередь необходимо избавляться от содержательной избыточности под которой понимается то, что не все объекты, имеющиеся на изображении, и их соотношения представляют интерес в каждой конкретной задаче.
. Для нашей задачи интерес представляет описание и отслеживание изменения геометрических границ аэрозольного шлейфа. Вся остальная информация, содержащаяся на видеоизображении, в рамках данной задачи, является избыточной. Таким образом задача обработки видеоизображений сводится к представлению их в виде удобном для анализа геометрических границ шлейфа и при этом необходимо проводить их преобразования таким образом, чтобы полезная информация не терялась, а объем, занимаемый преобразованными изображениями занимал как можно меньше места.