第3章　基于天-空-地一体化平台的油池火遥感监测实验研究

3.1　实验平台设计及数据获取

3.1.1　天-空-地一体化的外场实验设计

本研究进行了天-空-地一体化监测油料火灾污染的外场实验，搭建了外场实验平台，采用××卫星进行航天遥感监测、无人机监测以及地面气体便携式监测仪和温度传感器监测等，进行了多次模拟油库火灾大气污染外场实验及测试分析。实验有两大目的：一是对开敞空间中油料（柴油）燃烧过程中污染物的产生与扩散过程、空气流场中热辐射量特征、温度场分布等进行实时监测，并总结其内在规律；二是实现天-空-地一体化监测模拟油库火灾污染，分析地面监测数据和航空遥感监测信息，为航天遥感信息提取模型的构建与校正提供依据。

（1）外场实验设计

外场实验选择在重庆市沙坪坝区的后勤工程学院训练场内，周围地势空旷，地表覆盖类型单一，非常有利于开展天-空-地一体化监测实验。经过实验前的综合分析，选定试验场宽度为29.5m，长度为64.0m；对角线长度分别为69.0m和71.3m；其中，在对角线位置同时放置4个直径达5m的火盆模拟油库（中心位置经纬度坐标为：北纬29°38'0.48″；东经106°19'32.77″），如图3.1所示。

天-空-地监测系统主要包括地面监测系统、航空监测系统和卫星监测系统。地面监测系统包括温度梯度监测系统、热辐射监测系统以及污染物浓度监测系统。温度监测系统由温度传感器、温度传感器支架、计算机分析系统组成。热辐射监测系统由HT50高温辐射热流传感器和计算机分析系统组成。污染物浓度监测系统由地面与空中两部分组成，其中地面部分通过收集近火源处的烟气，对烟气中的气体污染物浓度进行测定，采用监测仪器为TestoT350烟气分析仪，监测气体污染成分包括CO、NO、NO_x、HC、SO₂。空中部分采用了高程达30m的消防云梯作为实验台架，将检测仪器送入空中并固定位置，对油盆上空烟气中的气体污染物浓度进行测定，监测仪器为PGM-7840型复合式气体检测仪，监测污染物包括CO、NO、SO₂。航空监测系统包括Microdrones MD4-200四旋翼无人机、可见光传感器、红外传感器以及热红外传感器，可以实现对模拟油库火灾污染可见光、热红外以及红外成像监测。卫星监测系统由××卫星组成，可实现对模拟油库火灾的可见光、高光谱、红外成像监测。

（2）热红外航空遥感影像的获取

天-空-地一体化监测研究中，采用无人机进行航空遥感监测，监测任务见表3.1。

对热红外遥感影像进行密度分割，得到温度场产品。利用热红外无人机影像可以有效监测油库火灾发生时周围环境的温度场变化情况。

（3）地面温度监测的布点

为了给遥感反演提供依据，地面温度监测布点应与遥感数据的空间分辨率相对应，其布点设计如下。

①第一组温度传感器监测点：共计21个，东南西北四个方向各布设5个监测点，每个点之间距离油盆边缘各10m（因为红外遥感数据的空间分辨率为10m），火盆中心位置或尽可能近位置周边布设监测点1个。

用途：用于建立温度场反演模型。示意图如图3.2所示。

②第二组温度传感器监测点：共计6个，东南西北四个方向随机各布设1个监测点，火盆中心位置或尽可能近位置周边布设监测点2个。

用途：用于验证温度场反演结果精度。示意图如图3.3所示。

③第三组温度传感器监测点：共计4个，在研究区操场周边东南西北四个方向随机各布设1个监测点，距离操场500～1000m。

用途：用于获取实验当天的周边环境温度，评价反演的整体精度。

通过建立同步的××卫星的航天遥感监测、无人机的航空遥感监测及地面传感器的温度监测，可分别获得高分辨率热红外遥感影像、热红外航空遥感影像及地表温度数据。利用航天遥感影像和地面监测数据可以构建油料火灾周围温度场反演模型，并对模型进行校正优化，航空遥感可监测油料火灾温度场发展态势。

（4）外场实验台架

火盆为油料燃烧的容器，包括两个直径2.5m和两个直径2m、高均为0.3m的火盆，火盆由3mm厚的钢板焊接而成，结构如图3.4所示。实验前先向火盆中加入一定量的水，可防止高温引起的火盆变形。在火盆上覆盖细铁丝网，保证燃烧的均匀性和持续性。火盆采用Q235钢焊接而成，无明显腐蚀，不会导致燃烧时产生附属产物而影响监测结果。实验中四个火盆间隔组成一个近圆形，如图3.5所示；组合后直径近似为5m。

（5）个体防护以及应急装备

为了满足模拟油库火灾实验场近距离监测作业和应对突发火灾蔓延事件应急处理的需求，还需要准备防火服、灭火毯、灭火器等防护及应急处理处置装备，如图3.6～图3.8所示。