Ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων με χρήση δορυφορικών εικόνων MODIS και SAR
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο εφαρμογής Ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων με χρήση δορυφορικών εικόνων MODIS και SAR
Στόχος της εφαρμογής Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να περιγράψει τη μεθοδολογία εντοπισμού πετρελαιοκηλίδων με την ανάλυση εικόνων SAR και MODIS.
Πως γινόταν παλαιότερα χωρίς τηλεπισκόπηση Υπήρχαν αεροφωτογραφίες, γινόταν μετρήσεις και χημικές αναλύσεις του νερού και παράγονταν χάρτες για την ποιότητα των νερών.
Είδη δορυφορικών συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες SAR και MODIS.
Χρησιμότητα των δεκτών που χρησιμοποιήθηκαν Ο δέκτης MODIS είναι το καταγραφικό όργανο του δορυφόρου TERRA και αν και έχει μικρή χωρική διακριτική ικανότητα, το μεγάλο εύρος σάρωσής του επιτρέπει την κατόπτευση εκτεταμένων περιοχών. Η μεγάλη χρονική διακριτική του ικανότητα επιτρέπει τη λήψη φωτογραφιών από περιοχές που μπορεί να έχουν μία ημέρα νεφοκάλυψη αλλά όχι την επόμενη. Έτσι μπορεί να συλλεχθεί μία σειρά ανέφελων τμημάτων μιας περιοχής και να συντεθεί ένα μωσαϊκό της περιοχής ενδιαφέροντος που να καλύπτει μεγάλη έκταση. Ο δέκτης SAR χρησιμοποιείται στη διαχείριση της παράκτιας ζώνης και δεν επηρεάζεται από τη νεφοκάλυψη.
Προεπεξεργασίες, προχωρημένες, ειδικές και ψηφιακές επεξεργασίες και αποτελέσματά τους, χάρτες και αιτιολόγηση της χρησιμοποίησης κάθε στοιχείου Η ρύπανση από πετρέλαιο επιφέρει εκτεταμένες καταστροφές στο θαλάσσιο και εδαφικό οικοσύστημα. Κάθε χρόνο τεράστιες ποσότητες πετρελαίου και παραγώγων του καταλήγουν στη θάλασσα, το υπόγειο νερό και το έδαφος λόγω διαρροής κατά τη μεταφορά τους ή από φυσικές πηγές, ατυχημάτων σε αποβάθρες, ατμοσφαιρικής διάθεσής τους κ.α. Η έγκαιρη και ακριβής ανίχνευση της θαλάσσιας ρύπανσης από πετρέλαιο παίζει καθοριστικό ρόλο στην αντιμετώπισή της, μολονότι θεωρείται από τις δυσκολότερες κατηγορίες ρύπανσης εξαιτίας του τεράστιου εύρους του ωκεανού σε σχέση με τα τεχνικά μέσα διαχείρισης του προβλήματος. Οι τεχνικές τηλεανίχνευσης (οπτικοί αισθητήρες, αεροφωτογραφίες, μικροκύματα, σήματα radar) της υδατικής ρύπανσης από πετρέλαιο χρησιμοποιούνται συχνά για τον γρήγορο εντοπισμό των επιβλαβών ουσιών και μετρήσεις στο επιφανειακό νερό με στόχο την διατήρηση των οικοσυστημάτων θαλασσών και λιμνών. Ο δέκτης SAR (radar με συνθετικό άνοιγμα κεραίας, synthetic aperture radar) είναι ο πλέον διαδεδομένος για τον εντοπισμό τέτοιων συμβάντων θαλάσσιας ρύπανσης, εφόσον τα χαρακτηριστικά του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος που καταγράφει έχουν τροποποιηθεί κατά τη διαδικασία της ανάκλασης στην επιφάνεια της γης και φέρουν έτσι πληροφορίες για τα γεωμετρικά και διηλεκτρικά χαρακτηριστικά της. Μία ωκεάνια πετρελαιοκηλίδα έχει μεγαλύτερη επιφανειακή τάση από το νερό, απορροφά τα κύματα που εκπέμπει το radar και κατά συνέπεια οι περιοχές που έχουν ρυπανθεί εμφανίζονται μαύρες στις εικόνες του SAR. Επίσης, τα σήματα που εκπέμπει και καταγράφει το radar δεν επηρεάζονται από τη νεφοκάλυψη. Ωστόσο ο χρόνος και το κόστος που απαιτεί η μελέτη ενός «προβλήματος» με τη χρήση εικόνων SAR κινητοποιεί τους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν νέες τεχνικές τηλεπισκόπησης (π.χ. SeaWiFS το 1997, MODIS το 1999, MERIS το 2002). Ο Hu το 2003 χρησιμοποίησε δορυφορικές εικόνες MODIS διακριτικής ικανότητας 250 m για να μελετήσει πετρελαιοκηλίδες στη λίμνη Βενεζουέλα. Ο ίδιος ερευνητής το 2009 διαπίστωσε ότι εάν υπάρχει ηλιακή λάμψη στις εικόνες MODIS, υπάρχει και υψηλή αντίθεση μεταξύ των πετρελαιοκηλίδων και του νερού. Στην παρούσα εργασία παρατίθενται παραδείγματα ανίχνευσης πετρελαιοκηλίδων με χρήση εικόνων MODIS διακριτικής ικανότητας 250 m και RADARSAT-1 SAR διακριτικής ικανότητας 25 m. Οι εικόνες MODIS αποκτήθηκαν δωρεάν από το Κέντρο Δορυφορικών Πτήσεων Goddard της ΝΑSA και κάλυπταν το δυτικό τμήμα του κόλπου του Μεξικό, όπου υπήρχαν πολλές πετρελαιοκηλίδες. Οι εικόνες SAR προήλθαν από το πρόγραμμα AKDEMO της Αλάσκα και κάλυπταν το NE GOM, όπου ξεκίνησε στις 20 Απριλίου του 2010 ένα τραγικό περιστατικό θαλάσσιας ρύπανσης από πετρελαιοκηλίδα. Οι τελευταίες γεωαναφέρθηκαν, έγινε επεξεργασία τους με το λογισμικό ENVI και αποθηκεύτηκαν σε γραφικό περιβάλλον PNG στο πανεπιστήμιο της Αλάσκα στο τμήμα δορυφορικών εγκαταστάσεων (ASF). Το άλλο παράδειγμα που παρουσιάζεται αφορά στη θάλασσα της ανατολικής Κίνας, όπου υφίσταται ρύπανση από πετρέλαιο λόγω εδαφικής διάθεσης και κυκλοφορίας πλοίων. Τα βήματα στη διαδικασία επεξεργασίας των εικόνων MODIS έιναι τα ακόλουθα: 1.Απόκτηση των δεδομένων από τη NASA 2.Επεξεργασία των δεδομένων με το σύστημα SeaDAS έκδοσης 5.1 και αποθήκευσή του σε ιεραρχική βάση δεδομένων (HDF) σαν αρχεία ηλεκτρονικού υπολογιστή 3.Διόρθωση των δεδομένων για επιρροή της σκέδασης Rayleigh και απορρόφηση αερίων. Η διορθωμένη ανακλαστικότητα Rayleigh δίνεται από την εξίσωση: Rrc,λ(θ0, θ, Δφ)=[πLt,λ(θ0, θ, Δφ)]/[Fολ*cosθ0]-Rr,λ(θ0, θ, Δφ), όπου λ το μήκος κύματος από το κανάλι του MODIS, Lt η διορθωμένη ακτινοβολία για απορρόφηση αερίων, F0 η διαστημική ηλιακή ακτινοβολία, θ0 η ηλιακή γωνία του ζενίθ, θ η γωνία του ζενίθ για το δέκτη, Δφ το αζιμούθιο μεταξύ δορυφόρου και ήλιου και Rr η ανακλαστικότητα λόγω της σκέδασης Rayleigh. Στο βήμα αυτό χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό CREFL από το πανεπιστήμιο Wisconsin (Liam Gumley). Τα δεδομένα Rrc για τα κανάλια του MODIS αποθηκεύτηκαν σε HDF σαν αρχεία ηλεκτρονικού υπολογιστή. 4. Τα δεδομένα Rrc γεωαναφέρθηκαν σε κυλινδρικό προβολικό σύστημα. 5. Τα γεωαναφερμένα δεδομένα που ανήκαν στις φασματικές τιμές 645, 555 και 469 nm μετατράπηκαν σε κόκκινο, πράσινο, μπλε κανάλι αντίστοιχα με χρήση γραμμικής ενίσχυσης. 6. Έγινε επεξεργασία της εικόνας RGB με το λογισμικό ENVI. Τα χρώματα της εικόνας ενισχύονται γραμμικά λαμβάνοντας τιμές από το 0 έως το 255 ώστε να καλυφτεί ολόκληρη η περιοχή ενδιαφέροντος. Επειδή με αυτό τον τρόπο δεν είναι εμφανείς κάποιες λεπτομέρειες, ακολουθεί γκαουσσιανή ενίσχυση.
Η Εικόνα 1 παρουσιάζει την αρχική εικόνα RGB (α) και το σημείο εμφάνισης μίας πετρελαιοκηλίδας σε μεγένθυνση (β).
Η Εικόνα 2 παρουσιάζει ενισχυμένη κατά Gauss την εικόνα RGB (α) και το σημείο εμφάνισης μίας πετρελαιοκηλίδας σε μεγένθυνση (β).
Οι Εικόνες 3α και 3β παρουσιάζουν εικόνες MODIS και SAR αντίστοιχα του κόλπου του Μεξικό, όπου είναι εμφανείς οι πετρελαιοκηλίδες. Τα δεδομένα έχουν διαφορά λήψης 4,5 ώρες αλλά οι πετρελαιοκηλίδες φαίνονται πανομοιότυπες. Η Εικόνα 3α έχει υποστεί χρωματική ενίσχυση κατά Gauss με τη χρήση του λογισμικού ENVI.
Οι εικόνες 4α και 4β παρουσιάζουν εικόνες MODIS που ελήφθησαν στις 13/5/2001 και 24/5/2001 αντίστοιχα και όπου είναι εμφανείς οι πετρελαιοκηλίδες του κόλπου του Μεξικό. Οι εικόνες έχουν αντίστοιχα θετική και αρνητική αντίθεση σε σχέση με τον περιβάλλοντα χώρο λόγω ηλιακής ακτινοβολίας (Hu, 2009).
Η Εικόνα 5 παρουσιάζει μία δορυφορική φωτογραφία MODIS με επιφανειακά χαρακτηριστικά που φέρονται να είναι πετρελαιοκηλίδες στην ανατολική Κίνα.
Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων
Οι δορυφορικές φωτογραφίες που παρατέθηκαν στην εργασία δείχνουν ξεκάθαρα ότι η δορυφορική τηλεπισκόπιση παίζει σπουδαίο ρόλο στην διαχείριση θαλάσσιας ρύπανσης από πετρέλαιο. Τα δεδομένα των δεκτών SAR και MODIS κρίνονται ως τα πλέον κατάλληλα για τέτοιες εφαρμογές με αυτά του MODIS να υπερτερούν ως προς το κόστος (χαμηλότερο) και της μεγαλύτερης κάλυψης.
Πηγή 1. Chuanmin Hu - Xiaofeng Li - William G. Pichel, «Detection of Oil Slicks using MODIS and SAR Imagery» 2. Κωνσταντίνος Καρτάλης – Χαράλαμπος Φειδάς, Βιβλίο «Αρχές και εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης», Β. Γκιούρδας Εκδοτική
