ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΟΛΥΝΣΗΣ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΕΡΧΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΙΖΗΜΑΤΑ ΠΟΤΑΜΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ.
Από RemoteSensing Wiki
ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΟΛΥΝΣΗΣ ΒΑΡΕΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΕΡΧΟΝΤΑΙ ΑΠΟ ΙΖΗΜΑΤΑ ΠΟΤΑΜΩΝ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ.
ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Eunyoung Choe, Freek van der Meer, Frank van Ruitenbeek, Harald van der Werff,Boudewijn de Smeth, Kyoung-Woong Kim
ΠΗΓΗ:Remote Sensing of Environment 112 (2008) 3222–3233
Στόχος και παρουσιάση μεθόδων που εφαρμόζονταν πριν την χρήση της τηλεπισκόπησης.
Ο κύριος σκοπός της συγκεκριμένης μελέτης είναι να αποδώσει παραμέτρους μέσω φασματικών μεταβλητών που είναι συνδεδεμένες με την παρουσία των βαρέων μετάλλων στο χώμα, να διερευνήσει την πιθανότητα επέκτασης της χρήσης τους σε υπερφασματικές εικόνες καθώς και να χαρτογραφήσει την κατανομή των περιοχών που επηρεάζονται από βαρέα μέταλλα μέσω δεδομένων από αεροφωτογραφίες που προέρχονται από το αερομεταφερόμενο φασματόμετρο: Hymap. Η συγκεκριμένη μελέτη περίπτωσης αφορά την περιοχή εξόρυξης, Rodalquilar, που εντοπίζεται νοτιοανατολικά της Ισπανίας
Πριν τη χρήση της τηλεπισκόπησης η κατανομή και η διάχυση των βαρέων μετάλλων στις περιοχές μία γενική μέθοδος για την αποτύπωση της χωρικής κατανομής των βαρέων μετάλλων συμπεριλαμβάνει τη συστηματική δειγματοληψία και εργαστηριακή χημική ανάλυση των δειγμάτων των ιζημάτων, η οποία ακολουθείται από παρεμβολή των σημειακών αποτελεσμάτων που εντοπίζονται σε χάρτες κατανομής. Παρόλα αυτά η συγκεκριμένη προσέγγιση θεωρείται χρονοβόρα και χαρακτηρίζεται από αυξημένο κόστος.
Είδη δορυφορικών συστημάτων και προεπεξεργασίες.
Τα δεδομένα των φωτογραφιών που χρησιμοποιήθηκαν στην συγκεκριμένη μελέτη αποκτήθηκαν το 2004 κατά τη διάρκεια της καμπάνιας HyEurope 2004, η οποία χρησιμοποίησε ένα αερομεταφερόμενο φασματόμετρο απεικόνισης HyMap, που κινεί η Επαγγελματική Ένωση ΗyVista. Οι δέκτες που συλλέχθηκαν, αντανακλούν ηλιακή ακτινοβολία σε 126 φασματικά κανάλια στενού εύρους ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας άνω των 450-2500 nm εύρους μήκους κύματος, με συνεχή φασματική κάλυψη, εκτός μεταξύ των 1400-1900 nm που αφορά τα κανάλια του ατμοσφαιρικού νερού. Η διακριτική ικανότητα ήταν 4m Τα δεδομένα του Ηymap διορθώθηκαν ατμοσφαιρικά με τη χρήση του μοντέλου ΑΤCOR 4.
Χρήση επιπρόσθετων βάσεων δεδομένων και αποτελέσματα
Όσον αφορά στον επίγειο έλεγχο, πραγματοποιηθήκε συλλογή 49 δειγμάτων ξηρών ιζημάτων από τις περιοχές εξόρυξης όπου εναποτίθενται απομεινάρια εκμετάλλευσης και συμπεριλαμβάνουν βαρέα μέταλλα: Au και Pb – Ag . Τα 20 από αυτά τα δείγματα που προέρχονται από παραπόταμους αποκλείστηκαν από την χωρική ανάλυση όπως η χαρτογράφηση (GIS) και αποτύπωση εικόνας (HyMap) γιατί εξετάστηκαν τα χωρικά σχέδια μόνο κατά μήκος τoυ κύριου ποταμού. Τα δείγματα κοσκινίστηκαν έτσι ώστε το κλάσμα του χώματος να΄ ναι μικρότερο των 2mm. Εν συνεχεία το επιλεγμένο σχήμα των ξηρών δειγμάτων χωρίστηκε σε πέντε κύριες περιοχές : path II, path II, path III, Co-path I και Co-path II .Ο διαχωρισμός αυτός διευκόλυνε την παρατήρηση της κατανομής των βαρέων μετάλλων. Έπειτα, εργαστηριακά, πραγματοποιήθηκαν χωνεύσεις των δειγμάτων (με χρήση αναλογίας οξεων 3:1, HCl, HNO3 αντίστοιχα) που αποσκοπούν στην αποσύνθεση του μεγαλύτερου μέρους των βαρέων μετάλλων που είναι παρών στο χώμα.
Με τη βοήθεια των φυσικών μεθόδων ανάλυσης: φασματομετρία μάζας με πηγή επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος (ΙCP-MS) και φασματομετρία ατομικής απορρόφησης (AAS) μετρήθηκαν οι συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων ανάμεσα στιςοποίες ήταν και των As, Cu, Pb και Zn οι οποίες ξεπερνούσαν τα όρια επικινδυνότητας (ενδεικτικά περιβαλλοντικής μόλυνσης). Όσον αφορά στις φασματικές μετρήσεις τα δείγματα μετρήθηκαν στο εργαστήριο με τη χρήση ASD FieldSpec Pro (Αναλυτικές φασματικές τεχνικές). Το συγκεκριμένο μηχάνημα κάλυπτε εύρος του φάσματος 350-2500 nm χρησιμοποιώντας το VNIR (350-1050 nm), SWIR1 (1000–1800 nm) και SWIR2 δέκτες (1800–2500 nm). Βασιζόμενοι στους μηχανισμούς δέσμευσης των μετάλλων, οι μεταβλητές όσον αφορά στα χαρακτηριστικά της απορρόφησης όπως το μέγιστο βάθος στα μεταλλεύματα αργιλίου ή οξειδίων παρατηρήθηκε στα 2000 nm. Επίσης μεταβλητές, όσον αφορά στην φασματική απορρόφηση αντικειμένων, λειτουργικών ομάδων που δεσμεύουν βαρέα μέταλλα μετρήθηκαν ξεχωριστά στις περιοχές VNIR και SWIR, με σκοπό την παραγωγή φασματικών παραμέτρων. Εν συνεχεία ακολουθήθηκε στατιστική επεξεργασία. Συγκεκριμένα η σύγκλιση μεταξύ των συγκεντρώσεων των βαρέων μετάλλων (αποτελέσματα από χημικές αναλύσεις) και της φασματικής απορρόφησης των αντικειμένων αξιολογήθηκαν μέσω του συντελεστή συσχετισμού Pearson. Tελικά ο διμεταβλητός συχετισμός απέδωσε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Όσον αφορά στον ποιοτικό συσχετισμό των παραπάνω πιο αποδοτική αποδείχτηκε η εφαρμογή της multiple linear regression, with stepwise.
Προχωρημένες επεξεργασίες και σημαντικά αποτελέσματα
Το επόμενο βήμα ήταν η σύγκριση των αποτελεσμάτων των επίγειων αποτελεσμάτων και αεροφωτογραφιών. Ο βαθμός ομοιότητας των pixels της εικόνας και των επίγειων φασματικών δεδομένων μετρήθηκε προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εφαρμογής επίγειων φασματικών δεδομένων του χώματος στην εικόνα. Ο βαθμός φασματικής ομοιότητας των pixel μετρήθηκε σε μία ταξινομημένη εικόνα η οποία ανταποκρίνεται σε μεταβλητές GPS κάθε σημείου δειγματοληψίας. Ο βαθμός της φασματικής ομοιότητας μετρήθηκε με τη χρήση spectral angle mapper (SAM), o οποίος αντιμετωπίζει τα φάσματα σαν διανύσματα σε έναν χώρο με διαστατικότητα ίση με τον αριθμό καναλιών. Η στατιστική αξιολόγηση του βαθμού ομοιότητας των φασματικών παραμέτρων μεταξύ της εικόνας και των επίγειων δεδομένων έγινε με χρήση ΑΝΟVA όπου χρησιμοποιήθηκαν 29 δείγματα από την κύρια ροή του ποταμού και τα pixels της εικόνας που αντιστοιχούν στα σημεία δειγματοληψίας και εξετάστηκε η υπόθεση να μην υπάρχουν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ τους, μέσω της F μεταβλητής η οποία είχε βαθμό σημαντικότητας 0,5.
Στη συνέχεια οι φασματικές παράμετροι που προήλθαν από τα επίγεια δεδομένα εφαρμόστηκαν στην ταξινόμηση των φασματικών αποκρίσεων που συνδέονται με τα βαρέα μέταλλα των δεδομένων HyMap. Υπολογίστηκαν οι φασματικές παράμετροι από το pixel κάθε εικόνας μετά από προεπεξεργασία (συνεχόμενη αποκοπή και κανονικοποίηση), μία rule εικόνα δημιουργήθηκε για κάθε παράμετρο. Η σύνδεση των φασματικών παραμέτρων και των επιπέδων των βαρέων μετάλλων της εικόνας έγινε μέσω binary fitness function. Για να αποκτηθεί ένας χάρτης απεικόνισης των βάρεων μετάλλων, οι binary κατηγορίες χαρακτηρίστικαν από το αν η φασματική τους απόκριση επηρεαζόταν από τα βαρέα μέταλλα. Οι μέσες τιμές που αποκτήθηκαν με τη χρήση του SAM δείχνουν έναν υψηλό βαθμό ομοιότητας (SAM<0.1) μεταξύ των φασμάτων της εικόνας HyMap και των επίγειων εδαφικών (μέσω φασματόμετρου) φασμάτων. Μεγαλύτερη ομοιότητα παρατηρήθηκε στην περιοχή του φάσματος SWIR (SAM=0.037), όπου οι τιμές SAM ήταν πιο χαμηλές. Το σημαντικότερο συμπέρασμα σε αυτήν την περίπτωση είναι ότι εξαιτίας του μεγάλου βαθμού ομοιότητας οι επίγειες φασματικές παράμετροι μπορούν να εφαρμοστούν σε αυτές της εικόνας. Επισής η σύγκριση μεταξύ των παραπάνω φασμάτων (για να διαπιστωθεί ο βαθμός ομοιότητας τους) πραγματοποιήθηκε μέσω one way Anova και του υπολογισμού της τιμής R². Μικρή σχέση μεταξύ της εικόνας και των εδαφικών δεδομένων παρουσιάστηκαν για τις παραμέτρους R610,500 nm και Area2200 nm in the scatter plot όπου R²>0.5 ενώ για τις υπόλοιπες παραμέτρους R²<0.5. Με την εφαρμογή της one way Anova , όσον αφορά στις φασματικές παραμέτρους Depth500 nm, R610,500 nm, and Area2200 nm οι τιμές p<0,05 και οι τιμές F είναι μεγαλύτερες από τις κριτικές. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση μεταξύ της εικόνας και των επίγειων δεδομένων. Παρόλα αυτά εφαρμόστηκε η Anova και για κάθε μια από τις πέντε περιοχές του ποταμού γιατί χαρακτηρίζονταν από διαφορετικές μέσες τιμές. Τελικά παρουσιάστηκε στατιστική ομοιότητα όσον αφορά στις τιμές Depth500 nm των περιοχών copath-II, path-III και co-path-I. Επίσης δεν παρουσιάστηκαν σημαντικές διαφοροποιήσεις όσον αφορά στις τιμές R1344,778 nm (σε όλες τις περιοχές του ποταμού) και Depth2200 nm και Asym2200 nm (μόνο κατά μήκος των περιοχών path-III και co-path-I). Οι τιμές των παραμέτρων για κάθε περιοχή του ποταμού που προήλθαν από την εικόνα HyMap συγκρίθηκαν με αυτές των επίγειων δεδομένων. Οι εικόνες rule που συνδέονται με τις φασματικές παραμέτρους ταξινομήθηκαν με βάση τις τιμές που παρουσίασαν τα κατώτερα όρια. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται η ταξινόμηση των αποτελεσμάτων HyMap για τις φασματικές παραμέτρους. Παρόμοια σχέδια πάρθηκαν στο ανώτερο μέρος της περιοχής path-III καθώς εκεί εντοπίζονταν οι υψηλότερες συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων. Τα ταξινομημένα pixels δείχνουν ότι οι φασματικές τιμές των παραμέτρων που παρουσιάζονται στο χάρτη αντιπροσωπεύουν τις άνω του μετρίου συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλου, σύμφωνα με τον ορισμό της αξίας κατώτατων ορίων που υιοθετείται στη διαδικασία ταξινόμησης. Το χωρικό σχέδιο των ταξινομημένων pixels των εικόνων όσον αφορά στις παραμέτρους Depth500 nm, R1344,778 nm και Area2200 nm είναι κάπως παρόμοιες με τη φασματική διανομή παραμέτρου των δειγμάτων των ιζημάτων στον gradient χάρτη. Οι περιοχές στην ταξινομημένη εικόνα που αντιστοιχούσε στις υψηλότερες τιμές βαρέων μετάλλων στο χάρτη επίγειας κλίσης παρουσίασαν μία πιό στενή αντιστοιχία.
Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μερικές από τις φασματικές παραμέτρους που προέρχονται από τα φάσματα των δειγμάτων των ιζημάτων μπορούν να εφαρμοστούν στο σύνολο δεδομένων της εικόνας, αν και οι διαφορές στις κλίμακες παρατήρησης μεταξύ της εικόνας (4×4 m) και των στοιχείων των φασματομέτρων (spot point of 10 mm diameter) θα μπορούσαν να οδηγήσουν στις αποκλίσεις στις φασματικές τιμές των παραμέτρων μεταξύ των συνόλων δεδομένων εδάφους και εικόνας.
Σαν περαιτέρω βήμα, η ανάκτηση των βαριών μετάλλων και η ποσοτική χαρτογράφηση που χρησιμοποιεί τις φασματικές παραμέτρους που προέρχονται από τις υπερφασματικών εικόνων πρέπει να λάβουν υπόψη τις διαφορές στη φασματική και χωρική διακριτική ικανόνοτητα μεταξύ των στοιχείων επίγειων φασματομέτρων και των στοιχείων εικόνας. Παρά τις προτεινόμενες διορθώσεις η συνολική διαδικασία που ακολουθήθηκε σε αυτήν την μελέτη αποδείκνυεται ως χρήσιμη προκαταρκτική παρατήρηση στον καθορισμό των στρατηγικών δειγματοληψίας και των ακριβών αναλύσεων στην περιβαλλοντική ρύπανση έρευνας.
