第3章　基于天-空-地一體化平臺的油池火遙感監測實驗研究

3.1　實驗平臺設計及數據獲取

3.1.1　天-空-地一體化的外場實驗設計

本研究進行了天-空-地一體化監測油料火災污染的外場實驗，搭建了外場實驗平臺，采用××衛星進行航天遙感監測、無人機監測以及地面氣體便攜式監測儀和溫度傳感器監測等，進行了多次模擬油庫火災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測，并總結其內在規律；二是實現天-空-地一體化監測模擬油庫火災污染，分析地面監測數據和航空遙感監測信息，為航天遙感信息提取模型的構建與校正提供依據。

（1）外場實驗設計

外場實驗選擇在重慶市沙坪壩區的后勤工程學院訓練場內，周圍地勢空曠，地表覆蓋類型單一，非常有利于開展天-空-地一體化監測實驗。經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（中心位置經緯度坐標為：北緯29°38'0.48″；東經106°19'32.77″），如圖3.1所示。

天-空-地監測系統主要包括地面監測系統、航空監測系統和衛星監測系統。地面監測系統包括溫度梯度監測系統、熱輻射監測系統以及污染物濃度監測系統。溫度監測系統由溫度傳感器、溫度傳感器支架、計算機分析系統組成。熱輻射監測系統由HT50高溫輻射熱流傳感器和計算機分析系統組成。污染物濃度監測系統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，采用監測儀器為TestoT350煙氣分析儀，監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，監測儀器為PGM-7840型復合式氣體檢測儀，監測污染物包括CO、NO、SO₂。航空監測系統包括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，可以實現對模擬油庫火災污染可見光、熱紅外以及紅外成像監測。衛星監測系統由××衛星組成，可實現對模擬油庫火災的可見光、高光譜、紅外成像監測。

（2）熱紅外航空遙感影像的獲取

天-空-地一體化監測研究中，采用無人機進行航空遙感監測，監測任務見表3.1。

對熱紅外遙感影像進行密度分割，得到溫度場產品。利用熱紅外無人機影像可以有效監測油庫火災發生時周圍環境的溫度場變化情況。

（3）地面溫度監測的布點

為了給遙感反演提供依據，地面溫度監測布點應與遙感數據的空間分辨率相對應，其布點設計如下。

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

用途：用于建立溫度場反演模型。示意圖如圖3.2所示。

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

用途：用于驗證溫度場反演結果精度。示意圖如圖3.3所示。

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

用途：用于獲取實驗當天的周邊環境溫度，評價反演的整體精度。

通過建立同步的××衛星的航天遙感監測、無人機的航空遙感監測及地面傳感器的溫度監測，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據。利用航天遙感影像和地面監測數據可以構建油料火災周圍溫度場反演模型，并對模型進行校正優化，航空遙感可監測油料火災溫度場發展態勢。

（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，結構如圖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，保證燃燒的均勻性和持續性。火盆采用Q235鋼焊接而成，無明顯腐蝕，不會導致燃燒時產生附屬產物而影響監測結果。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。

（5）個體防護以及應急裝備

為了滿足模擬油庫火災實驗場近距離監測作業和應對突發火災蔓延事件應急處理的需求，還需要準備防火服、滅火毯、滅火器等防護及應急處理處置裝備，如圖3.6～圖3.8所示。