Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага с использованием лазерного дальномера

Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага с использованием лазерного дальномера

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области метеорологии и гляциологии, а именно к способам дистанционного определения экспозиции склона, характеризующего пространственную ориентацию элементарного склона относительно сторон света, и может быть использовано при определении толщины снежного покрова на склонах для прогноза лавинной опасности и определения снегонакопления в горах.

Экспозиция склона является одной из важнейших морфометрических характеристик рельефа. Экспозиция склонов - расположение склонов горных хребтов, холмов и др. элементов рельефа по отношению к странам света или преобладающим ветрам. Согласно определению экспозиция точки на склоне равна азимуту проекции нормали точки на горизонтальную плоскость и выражается в градусах.

Известны различные способы определения экспозиции склона в горах с помощью таких простейших приборов, как компас [1].

Суть способа заключается в том, что предварительно с помощью компаса измеряют положение склона относительно частей света, т.е. азимут горизонтали склона в точке измерения, а затем определяют экспозицию склона как азимут проекции нормали склона в этой точке на горизонтальную плоскость.

Известный способ прост в реализации. Однако он не приемлем для определения экспозиции склона при наличии глубокого снежного покрова на склоне, да еще при наличии серьезной опасности, связанной со сходом лавин.

В последнее время для лыжников создан миниатюрный компас, который позволяет, находясь на склоне, измерить экспозицию и крутизну склона с помощью откидывающейся крышечки и отметок на его корпусе [2]. Однако данный прибор имеет те же недостатки, что и обычный компас.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ дистанционного определения параметров склона и снежного покрова в лавинных очагах с использованием лазерной локации. Задача этих съемок - получение высокоточных цифровых моделей рельефа поверхности земли и поверхности снежного покрова [3].

К недостаткам известного способа можно отнести высокую стоимость авиационной техники и невозможность ее использования при снегопадах, что затрудняет реализацию способа для целей активного воздействия на снеголавинный режим в горах.

Техническим результатом, ожидаемым от использования заявленного способа, является снижение трудозатрат по его реализации и повышение точности дистанционного измерения экспозиции склона в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера.

Технический результат достигается тем, что в известном способе дистанционного определения экспозиции склона в лавинных очагах путем измерения расстояния до контрольных точек (фиг.1, 2) с использованием лазерного дальномера, размещенного в долине, определяют расстояние до контрольной точки на склоне (L₁), азимут (A₁) и угол зондирования (β), затем, сместив зондирующий луч на некоторое расстояние АВ по горизонтали влево или вправо, определяют расстояние (L₂) до произвольной вспомогательной точки на склоне и азимут зондирования этой точки (А₂), затем из проекции на горизонтальную плоскость величин L_1, L₂ и АВ, образующих треугольник - А¹В¹С, определяют угол α между проекциями отрезков L₁ и L₂ на горизонтальную плоскость, а также значение проекции АВ и углы φ и γ, образованные соответственно на стыке проекций отрезков L₁ и L₂ с проекцией отрезка АВ на горизонтальную плоскость, после этого для случая А₁>А₂ определяют экспозицию склона (Э) через азимут зондирования контрольной точки на склоне по формуле

Э=А₁+φ+90,

либо через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне по формуле

Э=А₂+270-γ,

а для случая, когда точка «В» выбирается справа от точки «А» {А₁<А₂), экспозицию склона находят через азимут зондирования контрольной точки на склоне по формуле

Э=А₁+270-γ,

либо через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне по формуле

Э=А₂+γ+90,

где

А₁ - азимут зондирования контрольной точки на склоне, град.;

А₂ - азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне, град.;

φ - угол между проекциями на горизонтальную плоскость отрезков L₁ и АВ, град.;

γ - угол между проекциями на горизонтальную плоскость отрезков L₂ и АВ, град.;

90 - постоянная величина, характеризующая перпендикулярность нормали ( n ¯ ) к отрезку АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град.

Технический результат достигается и тем, что проекцию L₁ на горизонтальную плоскость (b) определяют по формуле

b=L₁·cosβ,

а проекцию L₂ на горизонтальную плоскость (b) определяют по формуле

а=L₂·cosβ,

где β - угол зондирования контрольной и вспомогательной точек на склоне.

Технический результат достигается и тем, что угол α между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и L₂ находят: для случая А₁>А₂ по формуле

α=А₁-A₂,

а для случая А₁<А₂ по формуле

α=А₂-A₁.

Технический результат достигается также и тем, что проекцию отрезка АВ на горизонтальную плоскость определяют по теореме косинусов

c = a 2 + b 2 − 2 a ⋅ b ⋅ cos α ,

где

с - проекция отрезка АВ на горизонтальную плоскость;

а и b - проекции величин соответственно L₂ и L₁ на горизонтальную плоскость.

Технический результат достигается и тем, что угол φ между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и АВ определяют по теореме синусов

φ = arcsin ( b c sin α ) .

Сущность изобретения поясняется рисунками, где для случая А₁>А₂ представлена схема зондирования контрольной (А) и вспомогательной (В) точек на склоне (фиг.1) и проекции величин L₁ L₂ и АВ на горизонтальную плоскость (фиг.2).

На рисунке (фиг.3) представлена аналогичная схема для случая А₁<А₂ и проекции величин L_1, L₂ и АВ на горизонтальную плоскость (фиг.4).

На рисунках приняты следующие обозначения: L₁ и L₂ - расстояние, измеренное лазерным дальномером соответственно до контрольной (А) и вспомогательной (В) точек на склоне. Угол зондирования (он один и тот же для рассматриваемых точек) обозначен позицией β. Величины L₁, L₂ и отрезок АВ, соединяющий точки «А» и «В» на склоне, образуют на рисунках треугольник ABC. Стороны данного треугольника обозначены через а, b и с, где b и а - проекции на горизонтальную плоскость соответственно величин L₁ L₂, а с - проекция отрезка АВ, соединяющего контрольную и вспомогательную точки на склоне. Стрелкой на рисунках (фиг.1 и фиг.3) обозначено направление перемещения зондирующего луча лазерного дальномера влево или вправо от контрольной точки при зондировании склона. Буквой «N» обозначено направление на Север. На рисунках горизонталь обозначена через «х-х». Экспозиция склона, которая согласно определению равна азимуту проекции нормали склона n ¯ на горизонтальную плоскость, обозначена буквой «Э».

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:

1) Предварительно в долине в точке «С», с которой хорошо просматривается контрольная точка «А» на склоне (фиг.1), устанавливается система измерений (теодолит с лазерным дальномером).

2) Затем с помощью лазерного дальномера определяют расстояние (L₁) до контрольной точки «А» на склоне, азимут (А₁) и угол зондирования (β).

3) После чего, сместив зондирующий луч на некоторое расстояние АВ по горизонтали влево (или вправо), определяют расстояние (L₂) до произвольной вспомогательной точки (В) на склоне и азимут зондирования этой точки (А₂). При этом расстояние АВ составляет ориентировочно 10-50 метров.

4) Затем определяют проекцию на горизонтальную плоскость величин L₁, L₂ (фиг.2) по формулам

b=L₁·cosβ,

а=L₂·cosβ,

где β - угол зондирования контрольной и вспомогательной точек на склоне.

5) После этого определяют угол α между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и L₂,

для случая А₁>А₂ по формуле

α=А₁-A₂,

а для случая А₁<А₂ по формуле

α=А₂-А_1,

где А₁ и А₂ - азимут зондирования контрольной (А) и вспомогательной (В) точек на склоне.

6) После этого, зная α, определяют проекцию отрезка АВ на горизонтальную плоскость по теореме косинусов

c = a 2 + b 2 − 2 a ⋅ b ⋅ cos α ,

где

с - проекция отрезка АВ на горизонтальную плоскость; а и b - проекции величин соответственно L₂ и L₁ на горизонтальную плоскость.

7) Затем определяют угол ϕ между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и АВ по теореме синусов

φ = arcsin ( a c sin α )

и угол γ между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₂ и АВ по формуле

φ=180-α-ϕ.

8) После этого определяют экспозицию склона в контрольной точке «А». При этом для случая А₁>А₂ экспозицию склона через азимут зондирования контрольной точки на склоне определяют по формуле

Э=А₁+φ+90,

либо через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне по формуле

Э=А₂+270-γ,

а для случая А₁<А₂ экспозицию склона находят через азимут зондирования контрольной точки на склоне по формуле

Э=A₁+270-φ,

либо через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне по формуле

Э=A₂+γ+90,

где

А₁ - азимут зондирования контрольной точки на склоне, град.;

А₂ - азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне, град.;

γ - угол между отрезками L₁ и АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град.;

φ - угол между отрезками L₂ и АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град;

90 - постоянная величина, характеризующая условие перпендикулярности нормали к отрезку АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град.

Пример выполнения способа

В качестве примера дистанционного определения экспозиции склона в контрольной точке с использованием лазерного дальномера приведем результаты измерений, полученные в летний период при зондировании склона горы «Кизиловка», расположенного вблизи г.Нальчика. В качестве примера рассматривался случай, ограниченный условием A₁>A₂. Отсутствие снега на склоне при этом не играет никакой роли.

В соответствии с заявленным способом в летнее время был выбран склон на горе «Кизиловка», у основания которого была установлена система измерений (теодолит с лазерным дальномером) и выбрана контрольная точка на склоне «А».

В результате зондирования контрольной точки «А» были получены следующие результаты:

расстояние до контрольной точки L₂=800 м;

азимут А₁=120°;

угол зондирования β=60°.

После этого, сместив зондирующий луч на некоторое расстояние по горизонтали влево от точки «А», выбрали произвольную вспомогательную точку «В» на склоне. В результате зондирования данной точки «В» на склоне были получены следующие результаты:

расстояние до вспомогательной точки L₂=805 м;

азимут A₁=118°;

угол зондирования (как и в первом случае) β=60°.

Затем определили проекцию на горизонтальную плоскость величин L₁ L₂ по формулам

b=L₁·cosβ=800·cos60=400 м,

a=L₂·cosβ=805·cos60=402,5 м.

Затем нашли угол α между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и L₂ по формуле

α=A₁-A₂=120-118=2 град.

После нахождения угла α определили проекцию отрезка АВ на горизонтальную плоскость по теореме косинусов

c = a 2 + b 2 − 2 a ⋅ b ⋅ cos α = 400 + 2 402,5 2 − 2 ⋅ 400 ⋅ 402,5 ⋅ cos 2 = 14,2   м .

Затем нашли угол ϕ между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и АВ по теореме синусов

ϕ = arcsin ( b c sin α ) = arcsin ( 402,5 14,2 sin 2 ) = 81,58   г р а д .

и угол γ между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₂ и АВ по формуле

γ=180-α-β=180-2-81,58=96,42 град.

После нахождения углов α и ϕ перешли к определению экспозиции склона в контрольной точке «А». По первому варианту расчета экспозицию склона «Э» нашли через азимут зондирования контрольной точки на склоне 4 по формуле

Э=А₁+ϕ+90=120+81,58+90=291,58 град.,

а по второму варианту - через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне А₂ по формуле

Э=А₂+270-γ=118+270-96,42=291,58 град.

По двум вариантам расчета получен один и тот же результат, что свидетельствует о правильности принципов, заложенных в основу способа.

Для случая А₁<А₂ расчеты производятся по соответствующим для этого случая формулам, приведенным выше.

Предлагаемый способ в отличие от известных существенно снижает трудоемкость операций и повышает точность дистанционного измерения экспозиции склона в лавинных очагах с использованием лазерного дальномера.

Источники информации

1. Сайт: 12/opredelenie-storon-sveta/#ixzz1GNEQZg4k.

2. Сайт: www.risk.ru/users/forest/9898/.

3. Бойко Е.С. Использование метода воздушной лазерной локации при оценке снегонакопления в горных условиях // Материалы VI международной конференции. «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка. Сегодня и завтра». - М.: 2006. С.29-30 - ПРОТОТИП.

1. Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага с использованием лазерного дальномера, отличающийся тем, что предварительно с помощью лазерного дальномера, размещенного в долине, определяют расстояние до контрольной точки на склоне (L₁), азимут (А₁) и угол зондирования (β), затем, сместив зондирующий луч на некоторое расстояние АВ по горизонтали влево или вправо, определяют расстояние (L₂) до произвольной вспомогательной точки на склоне и азимут зондирования этой точки (А₂), затем из проекции на горизонтальную плоскость величин L₁, L₂ и АВ, образующих треугольник, определяют угол α между проекциями отрезков L₁ и L₂ на горизонтальную плоскость и по данному углу находят истинное значение проекции отрезка АВ и углы φ и γ, образованные соответственно на стыке проекций отрезков L₁ и L₂ с проекцией отрезка АВ, после этого для случая А₁>А₂ определяют экспозицию склона через азимут зондирования контрольной точки на склоне (Эк) по формулеЭ=А₁+φ+90,либо через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне по формулеЭ=А₂+270-γ,а для случая А₁<А₂ экспозицию склона находят через азимут зондирования контрольной точки на склоне по формулеЭ=А₁+270-γ,либо через азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне по формулегдеА₁ - азимут зондирования контрольной точки на склоне, град.;А₂ - азимут зондирования произвольной вспомогательной точки на склоне, град.;φ - угол между отрезками L₁ и АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град.;γ - угол между отрезками L₂ и АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град.;90 - постоянная величина, характеризующая условие перпендикулярности нормали к отрезку АВ в проекции на горизонтальную плоскость, град.

2. Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага по п.1, отличающийся тем, что проекцию L₁ на горизонтальную плоскость (b) определяют по формулеb=L₁·cosβ,а проекцию L₂ на горизонтальную плоскость (а) определяют по формуле а=L₂·cosβ,где β - угол зондирования контрольной и вспомогательной точек на склоне.

3. Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага по п.1, отличающийся тем, что угол α между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и L₂ находят:для случая А₁>А₂ по формулеα=А₁-А₂,а для случая А₁<А₂ по формулеα=A₂-A₁.

4. Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага по п.1, отличающийся тем, что проекцию отрезка АВ на горизонтальную плоскость определяют по теореме косинусов c = a 2 + b 2 − 2 a ⋅ b ⋅ cos α ,гдес - проекция отрезка АВ на горизонтальную плоскость; а и b - проекции величин соответственно L₂ и L₁ на горизонтальную плоскость.

5. Способ дистанционного определения экспозиции склона в контрольных точках лавинного очага по п.1, отличающийся тем, что угол β между проекциями на горизонтальную плоскость величин L₁ и АВ определяют по теореме синусов ϕ = arcsin ( a c sin α ) .