Εκτίμηση Αερίων του Θερμοκηπίου

Από RemoteSensing Wiki

Εικ. 1 Τιμές μονοξειδίου του άνθρακα (CO), Πηγή: [1]

Εικ. 2 Συγκέντρωση μεθανίου (CH4), Πηγή: [2]

Εικ. 3 Συγκέντρωση μονοξειδίου του άνθρακα (CO), Πηγή: [3]

Εικ. 4 Συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα (CO2), Πηγή: [4]

Πρωτότυπος Τίτλος: Εκτίμηση Αερίων του Θερμοκηπίου (CH4, CO, CO2) με Τηλεπισκοπικά Δεδομένα ECOSTRESS και Sentinel-5P

Συγγραφείς: Παπαγεωργίου Ανδρεανή

Πηγή: https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/

Λέξεις κλειδιά: αέρια θερμοκηπίου, CO, CO2, CH4, τηλεπισκόπηση, δορυφορικά δεδομένα, Νότια Ιταλία

Αντικείμενο Εφαρμογής: Χρήση της τηλεπισκόπησης για εκτίμηση των αερίων του θερμοκηπίου

Περίληψη

Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης και οι νέες τεχνολογίες χρησιμοποιούνται πλέον για κάθε είδους παρακολούθησης και άντλησης δεδομένων και ανάλυσης για εξαγωγή συμπερασμάτων. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα εστιάζεται η χρήση τους στη δυνατότητα εκτίμησης της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου, μονοξείδιο του άνθρακα (CO), διοξείδιο του άνθρακα (CO2) και μεθάνιο (CH4). Η περιοχή μελέτης ήταν η Νότια Ιταλία και χρησιμοποιήθηκαν δείκτες που προέκυψαν από θερμικά δεδομένα ECOSTRESS, και έγιναν έλεγχοι συσχέτισης μεταξύ αυτών και επίγειων μετρήσεων που ορίστηκαν ως δεδομένα ελέγχου. Ο δορυφόρος Sentinel-5P έδωσε δεδομένα για το μονοξείδιο του άνθρακα σε δύο περιοχές και έτσι προτάθηκαν μοντέλα που προσαρμόζονται καλύτερα σε κάθε περιοχή μελέτης. Η έρευνα αφορά διάστημα ενός έτους, από τον Ιούλιο του 2018 έως και τον Ιούνιο του 2019.

Εισαγωγή

Για την παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα απαιτούνται υπολογιστικά μοντέλα ατμόσφαιρας και συνδυασμός παρατηρήσεων από δορυφόρους και επίγειους σταθμούς. Είναι δε εξαιρετικά σημαντικό καθώς η ρύπανση της ατμόσφαιρας έχει πολλαπλές επιπτώσεις στην υγεία των ανθρώπων, καθώς και στις καλλιέργειες, δηλαδή στην οικονομία. Επιπλέον είναι κάτι που δεν περιορίζεται σε τοπικό επίπεδο, αλλά μεταφέρεται ανεξέλεγκτα μέσω του ανέμου. Οι αιτίες ρύπανσης του αέρα μπορεί να είναι ανθρωπογενείς (βιομηχανία, αυτοκίνητα, γεωργία κ.λ.π.) ή φυσικές (εκρήξεις ηφαιστείων, δασικές πυρκαγιές κ.α.). Στόχος της πληροφόρησης είναι η μείωση της έκθεσης των ανθρώπων σε κίνδυνο, και οι εποχικές προβλέψεις για τις καλλιέργειες. Οι νέες τεχνολογίες και δη η τηλεπισκόπηση, έχουν εισβάλει δυναμικά στο χώρο της παρακολούθησης της ατμόσφαιρας, αν και η χωρική ανάλυση των δορυφόρων είναι μόνο της τάξης των μερικών χιλιομέτρων. Συγκεκριμένα εδώ χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το δορυφόρο Sentinel 5P της ESA με μέγεθος εικονοστοιχείου 7km x 3,5km. Από τις θερμικές εικόνες ECOSTRESS ανακτήθηκαν δεδομένα που αφορούν στη συγκέντρωση μεθανίου, μονοξειδίου και διοξειδίου του άνθρακα, ενώ από τον Sentinel 5P αξιολογήθηκε το προϊόν μονοξειδίου του άνθρακα και δημιουργήθηκε ένα βελτιωμένο μοντέλο εκτίμησής του.

Μεθοδολογία

Ως περιοχή μελέτης ορίστηκε η Ιταλία και συγκεκριμένα 4 επίγειοι σταθμοί μέτρησης ατμοσφαιρικών παραμέτρων εξαιτίας της διαθεσιμότητας των δεδομένων. Τα δεδομένα ελέγχου υπήρξαν οι συγκεντρώσεις μεθανίου, μονοξειδίου και διοξειδίου του άνθρακα. Εξαιτίας του μεγάλου πλήθος των, λόγω της ωριαίας λήψης δεδομένων, έγινε επιλογή ώστε να συμφωνούν με την ώρα λήψης των εικόνων. Η πειραματική αποστολή “ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station(ECOSTRESS)” της NASA, έδωσε τα τηλεσκοπικά δεδομένα πρώτου επιπέδου “ECO1BRAD” και “ECO1BGEO” που χρησιμοποιήθηκαν. Τα “ECO1BRAD” δεδομένα παρέχουν βαθμονομημένες τιμές ακτινοβολίας σε πέντε ζώνες του θερμικού υπέρυθρου φάσματος (TIR) από 8 μm έως 12.5 μm. Τα “ECO1BGEO” δεδομένα περιέχουν την πληροφορία της γεωαναφοράς, γι’ αυτό οι δύο τύποι δεδομένων συνενώθηκαν ώστε να παραχθούν γεωαναφερμένες εικόνες σε μορφή GeoTIFF και να μπορέσουν να αξιοποιηθούν. Για κάθε κανάλι παρήχθη αρχείο GeoTIFF με τις τιμές τις ακτινοβολίας, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τους σκοπούς τις εργασίας. Μέσω της φασματικής πληροφορίας της εικόνας δημιουργήθηκαν δείκτες, ούτως ώστε με την ανάλυση παλινδρόμησης να φανεί εάν και κατά πόσο αυτοί μπορούν να συσχετιστούν με τα επίγεια δεδομένα για τη συγκέντρωση των στοιχείων στην ατμόσφαιρα. Ως εξαρτημένη μεταβλητή ορίστηκε η συγκέντρωση του αερίου μελέτης και ως ανεξάρτητη μεταβλητή ορίστηκε ο εκάστοτε δείκτης. Από το δορυφόρο Sentinel-5P συλλέχθηκαν δεδομένα που παρήγαγαν τιμές μονοξειδίου του άνθρακα (CO) που αφορούσαν στους δύο επίγειους σταθμούς (εικ.1) και έγινε σύγκριση μεταξύ αυτών. Χρησιμοποιήθηκε η γραμμική και μη γραμμική μέθοδος παλινδρόμησης ανάλυσης για κάθε σταθμό ξεχωριστά. Η νέα συνάρτηση παράγει βελτιωμένη εκτίμηση μονοξειδίου του άνθρακα. Από το διαστημικό σταθμό ISS πήραμε θερμικές εικόνες, των οποίων τα δεδομένα συσχετίστηκαν με αυτά από τους 4 επίγειους σταθμούς παρακολούθησης ποιότητας της ατμόσφαιρας. Μελετήθηκαν τρεις παράμετροι και τα μοντέλα συσχετίσεων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτά της απλής γραμμικής παλινδρόμησης και τα μη γραμμικά της εκθετικής και λογαριθμικής παλινδρόμησης. Στη συνέχεια έγινε ανάλυση από τους δείκτες καναλιών, που έδωσαν οι φασματικές πληροφορίες των εικόνων, και τα επίγεια δεδομένα. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην εργασία αποτελείται από δύο τμήματα. Στο πρώτο τμήμα εξετάστηκαν οι συσχετίσεις που παρουσιάστηκαν ανάμεσα στα δεδομένα ελέγχου μεθανίου, μονοξειδίου του άνθρακα και διοξειδίου του άνθρακα, και στα θερμικά δεδομένα από τις πειραματικές εικόνες πρώτου επιπέδου (ECO1BRAD) του παγκόσμιου διαστημικού σταθμού (ISS). Στο δεύτερο τμήμα, έγινε αξιολόγηση των δεδομένων του δορυφόρου Sentinel-5P με χρήση των δεδομένων αναφοράς από τους επίγειους σταθμούς μέτρησης.

Αποτελέσματα

Για την εκτίμηση της συγκέντρωσης των αερίων στην ατμόσφαιρα, προέκυψαν εξισώσεις από τις συσχετίσεις, ενώ για τον έλεγχο αυτών, πραγματοποιήθηκε ανάλυση παλινδρόμησης με χρήση γραμμικών και μη γραμμικών μοντέλων. Στις εικόνες 2, 3 και 4 φαίνονται αντίστοιχα οι χάρτες εκτίμησης συγκέντρωσης μεθανίου (CH4), μονοξειδίου του άνθρακα (CO) και διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που δημιουργήθηκαν. Γενικώς, τα αποτελέσματα υπήρξαν ενθαρρυντικά τόσο για την εκτίμηση διοξειδίου του άνθρακα όσο και του μεθανίου από θερμικά δεδομένα, ωστόσο τα δορυφορικά δεδομένα από τον Sentinel-5P έδειξαν πως υποεκτιμούν την πραγματική κατάσταση.

Συμπεράσματα

Συμπερασματικά λοιπόν, αν και η μελέτη της ποιότητας του αέρα με δορυφορικά δεδομένα βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, θα μπορούσε να εξελιχθεί και να προσφέρει πολλά εάν μεγαλώσει το πλήθος τηλεσκοπικών δεδομένων, υπάρχει σύγκριση με επίγειους σταθμούς, οι οποίοι θα εκτείνονται σε πυκνότερο δίκτυο και διερεύνηση συσχετίσεων με χρήση άλλων μη γραμμικών μοντέλων παλινδρόμησης.