способ дистанционного определения толщины снежного покрова в лавинных очагах

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.

Описание изобретения к патенту

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	15006 57	70 43 40	5490	99048 44	50 21 15	5485	99048 39	50 21 35	5480	99048 25	50 21 55
2	305	15006 57	70 43 40	1427	92001 58	50 53 45	1425	92001 12	50 54 00	1425	92001 00	60 00 00
3	305	15006 57	70 43 40	395	63037 58	80 44 40	395	63037 50	80 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=105⁰06 57

С В=СВ=305 м

Определяется ₀₃ - угол между горизонтом и направлением на репер.

₀₃=7⁰43 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	105006 57	70 43 40	92,12105674	92,11953842	92,12051987
2	305	105006 57	70 43 40	90,74277941	90,73795042	90,74129318
3	305	105006 57	70 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	5021 15	5484	5021 35	5480	5021 55
2	1425	5053 45	1424	5054 00	1423	6000 00
3	394	8044 40	395	8052 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).