Ανίχνευση και εντοπισμός επιπλεόντων πλαστικών απορριμμάτων

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Investigating Detection of Floating Plastic Litter from Space Using Sentinel-2 Imagery

Συγγραφείς: Kyriacos Themistocleous, Christiana Papoutsa, Silas Michaelides, Diofantos Hadjimitsis

Πηγή: Remote Sensing in Applications of Geoinformation, 2020, 12(16), 2648

Λέξεις κλειδιά: Sentinel-2, δορυφορικές εικόνες (satellite images), πλαστικά απορρίμματα (plastic litter), φασματικοί δείκτες (spectral indices), φασματοσκοπία (spectroscopy), τηλεπισκόπηση (remote sensing), UAVs.

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0025326X23011815

Αντικείμενο έρευνας

Τα πλαστικά απορρίμματα προέρχονται από διάφορες πηγές και μεταφέρονται από τα ποτάμια στους ωκεανούς, προκαλώντας σοβαρές βιολογικές, οικολογικές και χημικές επιπτώσεις στο θαλάσσιο οικοσύστημα και θεωρούνται πλέον ένα παγκόσμιο ζήτημα. Την τελευταία δεκαετία, πολλές μελέτες έχουν παρακολουθήσει και εντοπίσει θαλάσσια πλαστικά απορρίμματα σε παράκτιες και ανοικτές ωκεάνιες περιοχές, χρησιμοποιώντας τεχνολογίες τηλεπισκόπησης. Η παρούσα μελέτη εξετάζει κατά πόσον οι δορυφορικές εικόνες Sentinel-2 μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό πλαστικών απορριμμάτων στην επιφάνεια της θάλασσας με σκοπό την παρακολούθηση, τη συλλογή και την διάθεσή τους. Πραγματοποιήθηκε μια πιλοτική μελέτη για να διαπιστωθεί αν μπορούν να εντοπιστούν πλαστικοί στόχοι στην επιφάνεια της θάλασσας, με τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης με δεδομένα Sentinel-2. Δημιουργήθηκε ένας στόχος από πλαστικά μπουκάλια νερού με επιφάνεια 3m×10m, ο οποίος στη συνέχεια τοποθετήθηκε στη θάλασσα, κοντά στο Παλιό Λιμάνι στη Λεμεσό της Κύπρου. Ένα μη επανδρωμένο εναέριο όχημα (UAV) χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη πολυφασματικών αεροφωτογραφιών της περιοχής ενδιαφέροντος κατά την ίδια χρονική περίοδο με την υπέρβαση του δορυφόρου Sentinel-2. Οι φασματικές υπογραφές του νερού και των πλαστικών απορριμμάτων μετά την τοποθέτησή τους στο νερό ελήφθησαν με ένα φασματοραδιόμετρο SVC HR1024. Η μελέτη διαπίστωσε ότι ο στόχος των πλαστικών απορριμμάτων ήταν ευκολότερο να εντοπιστεί στα μήκη κύματος NIR. Επτά καθιερωμένοι δείκτες για την επεξεργασία δορυφορικών εικόνων, εξετάστηκαν για να διαπιστωθεί κατά πόσον μπορούν να αναγνωρίσουν τα πλαστικά απορρίμματα στο νερό. Περαιτέρω, οι συγγραφείς εξέτασαν δύο νέους δείκτες, τον δείκτη πλαστικών (PI) και τον δείκτη βλάστησης με αντίστροφη κανονικοποιημένη διαφορά (RNDVI) για να χρησιμοποιηθούν στην επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας. Ο πρόσφατα ανεπτυγμένος δείκτης πλαστικών (PI) ήταν σε θέση όχι απλώς να εντοπίσει τα πλαστικά αντικείμενα που επιπλέουν στην επιφάνεια του νερού, αλλά διακρίθηκε και ως ο πιο αποτελεσματικός δείκτης για τον εντοπισμό του στόχου των πλαστικών απορριμμάτων στη θάλασσα.

Σκοπός εφαρμογής

O σκοπός της μελέτης είναι να προσδιοριστεί κατά πόσο οι στόχοι πλαστικών απορριμμάτων, μεγέθους κάτω των 10 μέτρων, μπορούν να ανιχνευθούν με δορυφορικές εικόνες Sentinel-2, και να διερευνηθεί η δυνατότητα της τηλεπισκόπησης να παρέχει πληροφορίες μέσω της ανάπτυξης δείκτη που μπορεί να αναγνωρίσει τα θαλάσσια πλαστικά στη θάλασσα, με στόχο να ενισχυθεί η διαδικασία παρακολούθησης θαλάσσιων πλαστικών στη Μεσόγειο.

Γενικές πληροφορίες

Ο όρος θαλάσσια απορρίμματα αναφέρεται σε απόβλητα που προέρχονται από ανθρώπινες δραστηριότητες και έχουν απορριφθεί σε παράκτια ή θαλάσσια περιβάλλοντα. Τα απορρίμματα αυτά μπορεί να προέρχονται από δραστηριότητες που λαμβάνουν χώρα στην ξηρά ή και στη θάλασσα. Επί του παρόντος, το 60 έως 80% αυτών των θαλάσσιων απορριμμάτων αποτελείται από πλαστικό, το οποίο σε ορισμένες περιοχές φτάνει το 95%, και έχει αναγνωριστεί ως σοβαρός περιβαλλοντικός κίνδυνος. Με βάση το βάρος και το σχήμα τους, τα θαλάσσια απορρίμματα μπορούν να ταξινομηθούν σε πλωτά απορρίμματα και βυθιζόμενα απορρίμματα. Έχει υπολογιστεί ότι τα θαλάσσια απορρίμματα αποτελούνται κατά 15% από απορρίμματα που επιπλέουν στην επιφάνεια της θάλασσας, κατά 15% από απορρίμματα που παραμένουν στη στήλη του νερού και κατά 70% από αυτά που βυθίζονται στον πυθμένα της θάλασσας. Τα πλαστικά που επιπλέουν στην επιφάνεια των υδάτινων σωμάτων, συχνά συσσωρεύονται σε συσσωματώματα τα οποία μπορούν να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις, κατευθυνόμενα από τους επικρατούντες ανέμους και τα ωκεάνια ρεύματα, πριν βυθιστούν. Ένα μεγάλο μέρος αυτών των συστάδων πλαστικών εισέρχεται σε ωκεάνιους στρόβιλους και μπορεί να οδηγήσει σε συστάδες μεγέθους έως και πολλών χιλιομέτρων, όπως το Great Pacific Garbage Patch (GPGP). Τα πλαστικά μπουκάλια αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος των πλωτών θαλάσσιων απορριμμάτων που συσσωρεύονται στον πυθμένα της θάλασσας και ξεβράζονται στις ακτές. Η έκθεση International Coastal Cleanup (ICC) διαπίστωσε ότι τα πλαστικά μπουκάλια είναι ο τρίτος πιο κοινός τύπος απορριμμάτων στις παραλίες, ότι το 10% των παγκόσμιων θαλάσσιων απορριμμάτων είναι πλαστικά μπουκάλια και ότι αυτά αποτελούν το 14% των συνολικών απορριμμάτων της Μεσογείου.

Μέθοδος και περιοχή μελέτης

Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν πλαστικά μπουκάλια προκειμένου να διαπιστωθεί εάν τα πλαστικά απορρίμματα μπορούν να εντοπιστούν μέσω των δορυφορικών εικόνων Sentinel-2. Σύμφωνα με τους Biermann et al, η υψηλή χωρική ανάλυση έως και 10m×10m είναι ικανή να ανιχνεύσει μικρά χαρακτηριστικά στη θάλασσα, όπως τα πλαστικά απορρίμματα. Στην παρούσα μελέτη, σκοπός ήταν να εξεταστεί εάν ένας μικρότερος στόχος μπορεί να εντοπιστεί από τις δορυφορικές εικόνες Sentinel-2. Χρησιμοποιήθηκαν αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες Sentinel-2 για τον εντοπισμό πλαστικών απορριμμάτων στο νερό. Μια πλατφόρμα UAV με πολυφασματικές κάμερες τράβηξε φωτογραφίες του στόχου των πλαστικών απορριμμάτων ταυτόχρονα με την υπέρβαση του δορυφόρου Sentinel-2, προκειμένου να εξεταστούν τα διαφορετικά μήκη κύματος στα οποία το πλαστικό θα μπορούσε να ανιχνευθεί στο θαλασσινό νερό. Η μελέτη διεξήχθη στη Λεμεσό της Κύπρου, νότια του παλιού λιμανιού της Λεμεσού. Η περιοχή επιλέχθηκε καθώς συσσωρεύεται εκεί μεγάλη ποσότητα απορριμμάτων από τα πλοία που περιμένουν να εισέλθουν στο λιμάνι της Λεμεσού. Οι έρευνες δείχνουν ότι τα πλαστικά απορρίμματα βρίσκονται συχνά σε περιοχές με μεγάλη θαλάσσια κίνηση. Προκειμένου να εντοπιστούν τα πλαστικά απορρίμματα στο νερό, δημιουργήθηκε ένας «στόχος» πλαστικών απορριμμάτων διαστάσεων 3m×10m από μπουκάλια νερού μεγέθους 0,5 λίτρου και 1,5 λίτρου (Εικόνα 1), ώστε να μιμηθούν τα θαλάσσια σμήνη πλαστικών απορριμμάτων που επιπλέουν στη θάλασσα. Ο στόχος για τα πλαστικά απορρίμματα που χρησιμοποιήθηκε για το έργο αυτό αποτελούνταν από 1500 πλαστικά μπουκάλια που συγκρατούνταν μεταξύ τους με νάιλον σπάγκο και πλαισιώνονταν από σωλήνες PVC.

Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στις 15 Δεκεμβρίου 2018 στο Παλιό Λιμάνι της Λεμεσού, κατά τη διάρκεια της υπέρβασης του δορυφόρου Sentinel-2. Επιλέχθηκε η χρήση των εικόνων του Sentinel-2, καθώς οι εικόνες είναι δωρεάν και ανοικτές σε όλους τους χρήστες μέσω του Copernicus Hub. Ο δορυφόρος αποκτά εικόνες κάθε 5 ημέρες, έτσι ώστε η χρονοσειρά των δορυφορικών εικόνων να μπορεί εύκολα να αποκτηθεί για επιχειρησιακές εφαρμογές χρονοσειρών. Κατά τη διάρκεια της υπέρβασης του δορυφόρου Sentinel-2, ο «στόχος» των πλαστικών απορριμμάτων τοποθετήθηκε στη θάλασσα κοντά στο Παλιό Λιμάνι στη Λεμεσό της Κύπρου και μετακινήθηκε 200 μέτρα από την ακτογραμμή.

Αποτελέσματα

Ο Δείκτης πλαστικών απορριμμάτων που αναπτύχθηκε στην παρούσα μελέτη μπορεί να διακρίνει και να εντοπίσει πλαστικούς στόχους μεγέθους 3m×10m. Η ανάλυση ευαισθησίας διαπίστωσε ότι ο Δείκτης βλάστησης με αντίστροφη κανονικοποιημένη διαφορά παρήγαγε χαμηλές τιμές και, ως εκ τούτου, δεν ήταν σε θέση να εντοπίσει πλαστικούς στόχους απορριμμάτων στο νερό. Ο PI εφαρμόστηκε στην ακτή της Λεμεσού και υπήρξαν ενδείξεις ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση μικρότερων πλαστικών στόχων. Για παράδειγμα, παρατηρήθηκε ότι ο ΡΙ αναγνώρισε τα κολάρα αλιείας που χρησιμοποιούνται στις πλωτές ιχθυοκαλλιέργειες στα ανοικτά των ακτών της Λεμεσού. Αυτά τα κολάρα είναι κατασκευασμένα από πλαστικό και έχουν διάμετρο σωλήνα που κυμαίνεται από 50-110 cm, ωστόσο, τα ίδια τα κολάρα μπορεί να έχουν συνολική διάμετρο περί τα 80m. Μελλοντικές εφαρμογές της μεθόδου μπορεί να περιλαμβάνουν μικρότερα μεγέθη πλαστικών στόχων, καθώς και διαφορετικούς τύπους πλαστικού, σε διαφορετικά βάθη. Αυτό ενδεχομένως, θα παρείχε τη δυνατότητα να γίνει και μία βαθμονόμηση με βάση τον PI.

Συμπεράσματα

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν ότι τα πλαστικά μπουκάλια στη θάλασσα μπορούν να εντοπιστούν καλύτερα με τη χρήση του δείκτη PI, χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες Sentinel-2 και τα αποτελέσματα αξιολογήθηκαν με φασματικές υπογραφές και εναέριες εικόνες που αποκτήθηκαν από UAV. Η μελέτη διαπίστωσε ότι οι δορυφορικές εικόνες Sentinel-2 ήταν αποτελεσματικές για τον εντοπισμό συστάδων πλαστικών στη θάλασσα. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι τα πλαστικά στη θάλασσα μπορούν να αναγνωριστούν από την υψηλή ανακλαστικότητα της ηλιακής ακτινοβολίας στα μήκη κύματος NIR. Δύο νέοι δείκτες, ο δείκτης πλαστικών (PI) και ο δείκτης βλάστησης με αντίστροφη κανονικοποιημένη διαφορά (RNDVI) διαμορφώθηκαν για την επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων, στην προσπάθεια εντοπισμού πλαστικών απορριμμάτων στο νερό. Η μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο κατά τη διάρκεια συνθηκών χωρίς σύννεφα με τη χρήση του Sentinel-2 MSIL1C, χωρίς την εκτέλεση ατμοσφαιρικής διόρθωσης λόγω της φασματικής απορρόφησης του νερού. Τα ευρήματα αυτής της μελέτης είναι σημαντικά, δεδομένου ότι, όπως αναφέρουν διάφοροι ερευνητές, η νοτιοανατολική Μεσόγειος αντιμετωπίζει σημαντικό πρόβλημα με τα πλαστικά απορρίμματα. Ο δείκτης πλαστικών ΡΙ μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλους τύπους πλαστικών απορριμμάτων, όπως πλαστικές σακούλες, θαλάσσια απορρίμματα από υδατοκαλλιέργειες και άλλα υλικά, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν σε άλλες ερευνητικές μελέτες. Είναι ζωτικής σημασίας να σημειωθεί ότι η μελλοντική έρευνα θα επικεντρωθεί στη χρήση εικόνων υψηλής ανάλυσης για τον εντοπισμό των πλαστικών.