Ανίχνευση Συμβάντων Βιομηχανικών Ατυχημάτων Στην Υπέρυθρη Περιοχή του Φάσματος

Από RemoteSensing Wiki

Περίληψη

Το ραδιόμετρο AVHRR των δορυφόρων NOAA έχει τη δυνατότητα εντοπισμού συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων στο υπέρυθρο μέσω των υψηλών θερμοκρασιών που εμφανίζονται στις περιπτώσεις αυτές. Η ανίχνευση τέτοιων συμβάντων και ο διαχωρισμός των εικονοστοιχείων που τα αντιπροσωπεύουν πραγματοποιείται με χρήση αλγορίθμου που στηρίζεται στην κατανομή της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 του AVHRR.

Εξετάζονται οι περιπτώσεις των βιομηχανικών ατυχημάτων στη Γαλλική Λυών στις 2 Ιουνίου 1987 και στο Kαλοχώρι Θεσσαλονίκης στις 24/02/1986 χρησιμοποιώντας τις αντίστοιχες εικόνες που ελήφθησαν από το δορυφόρο ΝΟΑΑ 9.

Είσαγωγή

Σε περίπτωση εκδήλωσης ενός βιομηχανικού ατυχήματος, η ακτινοβολία που φτάνει σε έναν δορυφορικό ανιχνευτή από την περιοχή που λαμβάνει χώρα το συμβάν, είναι επαλληλία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκπέμπονται από το μέτωπο της φωτιάς που δημιουργείται, από τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης, και από τη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία η οποία σκεδάζεται από την επιφάνεια της γης και την ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το φασματικό παράθυρο στο μέσο υπέρυθρο (mid-IR window: 3-5 μm) είναι η περιοχή που υπάρχει η μεγαλύτερη πιθανότητα να καταγραφεί μια φωτιά με βάση τη θερμοκρασία που έχει.

Σε αρκετές εργασίες στο παρελθόν έχει φανεί η δυνατότητα του καναλιού 3 (3,55 - 3,93 μm) του AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) των δορυφόρων NOAA για την ανίχνευση περιοχών πολύ υψηλών θερμοκρασιών στην επιφάνεια της γης (Dosier 1981, Matson and Dosier 1981, Matson et. al. 1984, Muirhead and Cracknell 1984, 1985, Matson et. al. 1987, Scorer 1987, 1989, Bandinelli and Carla 1993). Όσο ισχυρότερη είναι η φωτιά (μεγαλύτερη θερμοκρασία), το μέγιστο την καμπύλης εκπομπής της (φασματική περιοχή στην οποία ο δορυφορικός ανιχνευτής θα καταγράψει το φαινόμενο) μετατοπίζεται σε μικρότερα μήκη κύματος. Έτσι, για σημεία με πολύ υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια της γης, το μέγιστο ποσό της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπουν καταγράφεται στο κανάλι 3. Το γεγονός αυτό προκαλεί μια διαφορά της τάξης των 20 με 30 ° C στη θερμοκρασία ακτινοβολία που καταστρέφεται στα κανάλια 3 και 4, ενώ τυπικές διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ των δύο αυτών καναλιών είναι της τάξης των 1 με 2 ° C για σημεία πάνω στην επιφάνεια της γης (Matson et. al., 1987). Συνεπώς με ταυτόχρονη χρήση των καναλιών 3 και 4 του AVHRR είναι δυνατή η ανίχνευση στόχων που έχουν υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια της γης.

Υλικά και Μέθοδοι

Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες NOAA/AVHRR υψηλής ευκρίνειας (Local Area Caverage) που έχουν ληφθεί από το σταθμό του πανεπιστημίου του Dundee. Ο ανιχνευτής AVHRR έχει χωρική διακριτική ικανότητα 1,1 Km στο ναδίρ και μπορεί να σαρώσει ταυτόχρονα περιοχή 2400 Km, η χρονική διακριτική του ικανότητα είναι 6 ώρες.

Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουν επιλεγεί οι εικόνες που έχουν ληφθεί από το δορυφόρο ΝΟΑΑ 9 στις ημερομηνίες 2 Ιουνίου 1987 (13:55 UTC) και 24 Φεβρουαρίου 1986 (12:55 UTC). Οι ημερομηνίες αυτές επιλέγονται για το λόγο ότι στην πρώτη περίπτωση εκδηλώθηκε βιομηχανικό ατύχημα στις εγκαταστάσεις της Shell στη Λυών της Γαλλίας και στη δεύτερη περίπτωση στις εγκαταστάσεις της Jet Oil στο Καλοχώρι Θεσσαλονίκης. Οι εικόνες έχουν τη διαμόρφωση (format) NOAA Level 1-b και είναι δομημένες σε λέξεις των 10 bit (1024 gray levels). Η επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό ERDAS IMAGINE 8.3.

Αρχικά οι εικόνες υφίστανται τις κατάλληλες γεωμετρικές διορθώσεις με βάση την πληροφορία που εμπεριέχεται στο format Level 1-b και κατόπιν την κατάλληλη βαθμονόμηση (calibration) ώστε οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων της εικόνας να μετατραπούν σε θερμοκρασίες ακτινοβολίας για τα κανάλια του υπέρυθρου και σε λευκαύγειες για τα κανάλια του ορατού. Έπειτα δημιουργείται ένα απλό μοντέλο που χρησιμοποιεί αλγόριθμο με δύο κριτήρια για το φιλτράρισμα των νεφών που υπάρχουν και ένα κριτήριο για τον έλεγχο του αν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 ξεπερνά ένα ορισμένο κατώφλι.

Έπειτα από τη μάσκα των νεφών ενεργοποιείται το κριτήριο που εξετάζει τις τιμές της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 και που στην ουσία είναι το κριτήριο εντοπισμού των περιοχών πολύ υψηλών θερμοκρασιών που πιθανόν να οφείλονται σε βιομηχανικά ατυχήματα. Στο σχήμα 1 παρουσιάζεται η αναλυτική μορφή του αλγορίθμου που χρησιμοποιείται.

Σχήμα 1:Διάγραμμα ροής του μοντέλου που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό των συμβάντων.

Αποτελέσματα

Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται η περιοχή της Γαλλίας όπως προκύπτει μετά την εφαρμογή του αλγορίθμου. Με κόκκινο χρώμα εμφανίζονται τα σημεία των οποίων η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη από 20 ° C, και είναι πάνω ακριβώς στην περιοχή της Λυών όπου εκδηλώθηκε το ατύχημα.

Εικόνα 1: Ανίχνευση του συμβάντος στο υπέρυθρο.

Στην εικόνα 2 επιλέγεται η ευρύτερη περιοχή της Λυών (πλαίσιο a,b,c,d) και παριστάνονται γραφικά οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο παραπάνω πλαίσιο, οι οποίες στην ουσία εκφράζουν τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4. Όπως είναι φανερό η κορυφή που παρουσιάζεται (διαφορά θερμοκρασίας μεγαλύτερη από 20 °C) αντιστοιχεί στο σημείο του ατυχήματος, ενώ και στις περιοχές άμεση γειτνίασης η διαφορά θερμοκρασίας είναι υψηλή. Σε πιο απομακρυσμένες περιοχές, η διαφορά θερμοκρασίας περιορίζεται στις τυπικές τιμές που παίρνει πάνω στην επιφάνεια της γης (μικρότερες από 5 ° C).

Εικόνα 2: Χωρική κατανομή της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 στην περιοχή γύρω από το ατύχημα.

Στην εικόνα 3 παρουσιάζεται η παραπάνω περιοχή χρησιμοποιώντας το κανάλι 2. Η παρουσία του λοφίου του καπνού πάνω ακριβώς στα εικονοστοιχεία που εντοπίστηκαν στις προηγούμενες εικόνες επιβεβαιώνει την εκδήλωση του ατυχήματος.

Εικόνα 3:Κανάλι 2 του AVHRR στις 2 Ιουνίου 1987 (13:55 UTC).

Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται η περιοχή της Βόρειας Ελλάδας όπως προκύπτει μετά την εφαρμογή του αλγορίθμου. Με κόκκινο χρώμα εμφανίζονται τα σημεία των οποίων η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη από 20 ° C, τα οποία φαίνονται καλύτερα στη μεγένθυση και είναι πάνω ακριβώς στην περιοχή του καλοχωρίου Θεσσαλονίκης όπου εκδηλώθηκε το ατύχημα.

Εικόνα 4: Ανίχνευση του συμβάντος στο υπέρυθρο.

Στην εικόνα 5 επιλέγεται η ευρύτερη περιοχή της Θεσσαλονίκης (πλαίσιο a,b,c,d) και παραστάνονται γραφικά οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο παραπάνω πλαίσιο, οι οποίες στην ουσία εκφράζουν τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4. Οπως είναι φανερό η κορυφή που παρουσιάζεται αντιστοιχεί στο σημείο του ατυχήματος.

Εικόνα 5: Χωρική κατανομή της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 στην περιοχή γύρω από το ατύχημα

Στην εικόνα 6 παρουσιάζεται η παραπάνω περιοχή χρησιμοποιώντας το κανάλι 2. Η παρουσία του λοφίου του καπνού (παρ' όλο που δεν είναι τόσο ευδιάκριτη όσο στην προηγούμενη περίπτωση) πάνω ακριβώς στα εικονοστοιχεία που εντοπίστηκαν στις προηγούμενες εικόνες επιβεβαιώνει την εκδήλωση του ατυχήματος.

Εικόνα 6:Κανάλι 2 του AVHRR στις 24 Φεβρουαρίου 1986 (12:55 UTC).

Συμπεράσματα

Κατά την διάρκεια της εκδήλωσης ενός βιομηχανικού ατυχήματος μεγάλης έκτασης, η θερμοκρασία στο μέτωπο της φωτιάς μπορεί να φτάσει σε πολύ υψηλά επίπεδα κάνοντας εφικτό τον εντοπισμό της συγκεκριμένης περιοχής από κατάλληλο δορυφορικό δέκτη ο οποίος έχει την ικανότητα να καταγράφει την ακτινοβολίας που εκπέμπεται. Ένας τέτοιος δορυφορικός δέκτης θα πρέπει έχει τουλάχιστον ένα κανάλι στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου.

Το ραδιόμετρο AVHRR των δορυφόρων NOAA έχει φασματικά κανάλια στο μέσο και στο θερμικό υπέρυθρο. Παρ' όλο που χωρική διακριτική του ικανότητα είναι μόλις 1,1 Km στο ναδίρ, έχει τη δυνατότητα εντοπισμού συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων επειδή η θερμοκρασία στις περιπτώσεις αυτές ανεβαίνει σε τέτοια επίπεδα προκαλώντας κορεσμό των υπέρυθρων καναλιών του δέκτη και καταλαμβάνοντας με τον τρόπο αυτόν ολόκληρα εικονοστοιχεία.

Η ανίχνευση τέτοιων συμβάντων και ο διαχωρισμός των εικονοστοιχείων που τα αντιπροσωπεύουν δεν μπορεί να γίνει με ακρίβεια με τη χρήση ενός μόνο καναλιού, αλλά είναι προτιμότερη η χρήση πολυφασματικών μεθόδων και κατάλληλων αλγορίθμων. Η εφαρμογή αλγορίθμου που στηρίζεται στην κατανομή της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 του AVHRR δίνει πολύ καλά αποτελέσματα στην ανίχνευση συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων και στο διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που τα αντιπροσωπεύουν. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργία ενός τέτοιου αλγορίθμου είναι η συνδυασμένη χρήση του με αλγόριθμους απαλοιφής των νεφών από τη δορυφορική εικόνα.

Πηγή: Χρυσουλάκης Ν.,Καρτάλης Κ.(1998). Ανίχνευση Συμβάντων Βιομηχανικών Ατυχημάτων στην Υπέρυθρη Περιοχή του Φάσματος με Βάση τισ Καταγραφές του Ραδιόμετρου AVHRR των δορυφόρων NOAAA