第3章　基于天-空-地一體化平臺的油池火遙感監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究

3.1　實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取

3.1.1　天-空-地一體化的外場實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究進(jìn)行了天-空-地一體化監(jiān)測油料火災(zāi)污染的外場實(shí)驗(yàn)，搭建了外場實(shí)驗(yàn)平臺，采用××衛(wèi)星進(jìn)行航天遙感監(jiān)測、無人機(jī)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(jìn)行了多次模擬油庫火災(zāi)大氣污染外場實(shí)驗(yàn)及測試分析。實(shí)驗(yàn)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(kuò)散過程、空氣流場中熱輻射量特征、溫度場分布等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并總結(jié)其內(nèi)在規(guī)律；二是實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

外場實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)前的綜合分析，選定試驗(yàn)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(shí)放置4個(gè)直徑達(dá)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(dá)30m的消防云梯作為實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)、可見光傳感器、紅外傳感器以及熱紅外傳感器，可以實(shí)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(shí)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(jī)進(jìn)行航空遙感監(jiān)測，監(jiān)測任務(wù)見表3.1。

表3.1　無人機(jī)監(jiān)測任務(wù)

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

（3）地面溫度監(jiān)測的布點(diǎn)

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

①第一組溫度傳感器監(jiān)測點(diǎn)：共計(jì)21個(gè)，東南西北四個(gè)方向各布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間距離油盆邊緣各10m（因?yàn)榧t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(diǎn)1個(gè)。

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(diǎn)布設(shè)

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

用途：用于驗(yàn)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(diǎn)布設(shè)

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

用途：用于獲取實(shí)驗(yàn)當(dāng)天的周邊環(huán)境溫度，評價(jià)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(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)臺架

火盆為油料燃燒的容器，包括兩個(gè)直徑2.5m和兩個(gè)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(shí)驗(yàn)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(xì)鐵絲網(wǎng)，保證燃燒的均勻性和持續(xù)性。火盆采用Q235鋼焊接而成，無明顯腐蝕，不會導(dǎo)致燃燒時(shí)產(chǎn)生附屬產(chǎn)物而影響監(jiān)測結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中四個(gè)火盆間隔組成一個(gè)近圓形，如圖3.5所示；組合后直徑近似為5m。