第3章　基于天-空-地一體化平臺的油池火遙感監(jiān)測實驗研究

3.1　實驗平臺設(shè)計及數(shù)據(jù)獲取

3.1.1　天-空-地一體化的外場實驗設(shè)計

本研究進行了天-空-地一體化監(jiān)測油料火災(zāi)污染的外場實驗，搭建了外場實驗平臺，采用××衛(wèi)星進行航天遙感監(jiān)測、無人機監(jiān)測以及地面氣體便攜式監(jiān)測儀和溫度傳感器監(jiān)測等，進行了多次模擬油庫火災(zāi)大氣污染外場實驗及測試分析。實驗有兩大目的：一是對開敞空間中油料（柴油）燃燒過程中污染物的產(chǎn)生與擴散過程、空氣流場中熱輻射量特征、溫度場分布等進行實時監(jiān)測，并總結(jié)其內(nèi)在規(guī)律；二是實現(xiàn)天-空-地一體化監(jiān)測模擬油庫火災(zāi)污染，分析地面監(jiān)測數(shù)據(jù)和航空遙感監(jiān)測信息，為航天遙感信息提取模型的構(gòu)建與校正提供依據(jù)。

（1）外場實驗設(shè)計

外場實驗選擇在重慶市沙坪壩區(qū)的后勤工程學(xué)院訓(xùn)練場內(nèi)，周圍地勢空曠，地表覆蓋類型單一，非常有利于開展天-空-地一體化監(jiān)測實驗。經(jīng)過實驗前的綜合分析，選定試驗場寬度為29.5m，長度為64.0m；對角線長度分別為69.0m和71.3m；其中，在對角線位置同時放置4個直徑達5m的火盆模擬油庫（中心位置經(jīng)緯度坐標(biāo)為：北緯29°38'0.48″；東經(jīng)106°19'32.77″），如圖3.1所示。

圖3.1　外場實驗地理位置

天-空-地監(jiān)測系統(tǒng)主要包括地面監(jiān)測系統(tǒng)、航空監(jiān)測系統(tǒng)和衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)。地面監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度梯度監(jiān)測系統(tǒng)、熱輻射監(jiān)測系統(tǒng)以及污染物濃度監(jiān)測系統(tǒng)。溫度監(jiān)測系統(tǒng)由溫度傳感器、溫度傳感器支架、計算機分析系統(tǒng)組成。熱輻射監(jiān)測系統(tǒng)由HT50高溫輻射熱流傳感器和計算機分析系統(tǒng)組成。污染物濃度監(jiān)測系統(tǒng)由地面與空中兩部分組成，其中地面部分通過收集近火源處的煙氣，對煙氣中的氣體污染物濃度進行測定，采用監(jiān)測儀器為TestoT350煙氣分析儀，監(jiān)測氣體污染成分包括CO、NO、NO_x、HC、SO₂。空中部分采用了高程達30m的消防云梯作為實驗臺架，將檢測儀器送入空中并固定位置，對油盆上空煙氣中的氣體污染物濃度進行測定，監(jiān)測儀器為PGM-7840型復(fù)合式氣體檢測儀，監(jiān)測污染物包括CO、NO、SO₂。航空監(jiān)測系統(tǒng)包括Microdrones MD4-200四旋翼無人機、可見光傳感器、紅外傳感器以及熱紅外傳感器，可以實現(xiàn)對模擬油庫火災(zāi)污染可見光、熱紅外以及紅外成像監(jiān)測。衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)由××衛(wèi)星組成，可實現(xiàn)對模擬油庫火災(zāi)的可見光、高光譜、紅外成像監(jiān)測。

（2）熱紅外航空遙感影像的獲取

天-空-地一體化監(jiān)測研究中，采用無人機進行航空遙感監(jiān)測，監(jiān)測任務(wù)見表3.1。

表3.1　無人機監(jiān)測任務(wù)

對熱紅外遙感影像進行密度分割，得到溫度場產(chǎn)品。利用熱紅外無人機影像可以有效監(jiān)測油庫火災(zāi)發(fā)生時周圍環(huán)境的溫度場變化情況。

（3）地面溫度監(jiān)測的布點

為了給遙感反演提供依據(jù)，地面溫度監(jiān)測布點應(yīng)與遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率相對應(yīng)，其布點設(shè)計如下。

①第一組溫度傳感器監(jiān)測點：共計21個，東南西北四個方向各布設(shè)5個監(jiān)測點，每個點之間距離油盆邊緣各10m（因為紅外遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率為10m），火盆中心位置或盡可能近位置周邊布設(shè)監(jiān)測點1個。

用途：用于建立溫度場反演模型。示意圖如圖3.2所示。

圖3.2　第一組溫度傳感器監(jiān)測點布設(shè)

②第二組溫度傳感器監(jiān)測點：共計6個，東南西北四個方向隨機各布設(shè)1個監(jiān)測點，火盆中心位置或盡可能近位置周邊布設(shè)監(jiān)測點2個。

用途：用于驗證溫度場反演結(jié)果精度。示意圖如圖3.3所示。

圖3.3　第二組溫度傳感器監(jiān)測點布設(shè)

③第三組溫度傳感器監(jiān)測點：共計4個，在研究區(qū)操場周邊東南西北四個方向隨機各布設(shè)1個監(jiān)測點，距離操場500～1000m。

用途：用于獲取實驗當(dāng)天的周邊環(huán)境溫度，評價反演的整體精度。

通過建立同步的××衛(wèi)星的航天遙感監(jiān)測、無人機的航空遙感監(jiān)測及地面?zhèn)鞲衅鞯臏囟缺O(jiān)測，可分別獲得高分辨率熱紅外遙感影像、熱紅外航空遙感影像及地表溫度數(shù)據(jù)。利用航天遙感影像和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)可以構(gòu)建油料火災(zāi)周圍溫度場反演模型，并對模型進行校正優(yōu)化，航空遙感可監(jiān)測油料火災(zāi)溫度場發(fā)展態(tài)勢。

（4）外場實驗臺架

火盆為油料燃燒的容器，包括兩個直徑2.5m和兩個直徑2m、高均為0.3m的火盆，火盆由3mm厚的鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。實驗前先向火盆中加入一定量的水，可防止高溫引起的火盆變形。在火盆上覆蓋細鐵絲網(wǎng)，保證燃燒的均勻性和持續(xù)性?；鹋璨捎肣235鋼焊接而成，無明顯腐蝕，不會導(dǎo)致燃燒時產(chǎn)生附屬產(chǎn)物而影響監(jiān)測結(jié)果。實驗中四個火盆間隔組成一個近圓形，如圖3.5所示；組合后直徑近似為5m。