Εκτίμηση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων ΡΜ10 στην ατμόσφαιρα του Δελχί, Ινδία από εικόνες του δορυφόρου Landsat 8 OLI.

Από RemoteSensing Wiki

Εκτίμηση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων σωματιδίων ΡΜ10 στην ατμόσφαιρα του Δελχί, Ινδία από εικόνες του δορυφόρου Landsat 8 OLI.

Estimation of PM10 concentration from Landsat 8 OLI satellite imagery over Delhi, India (2017).[1]

Συγγραφείς: Ishan Saraswat, Rajeev Kumar Mishra, Amrit Kumar

Πηγή: http://www.sciencedirect.com

Περίληψη

Η αέρια ρύπανση στην Ινδία είναι ένα σημαντικό πρόβλημα αφού οι περισσότερες πόλεις έχουν κακή ποιότητα αέρα και υποφέρουν από σωματιδιακή ρύπανση. Για να αντιμετωπιστεί αυτός ο περιβαλλοντικός κίνδυνος για την υγεία, απαιτείται ολοκληρωμένος έλεγχος. Ο στόχος της έρευνας που διαπραγματεύεται το άρθρο, είναι να αναπτυχθεί ένα πολυφασματικό εμπειρικό μοντέλο ώστε να υπολογίζεται η συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων που έχουν διάμετρο μικρότερη από 10μm χρησιμοποιώντας εικόνες του δορυφόρου Landsat 8 (OLI). Η περιοχή μελέτης είναι η πόλη Δελχί της Ινδίας (Εικόνα 1). Αποκτήθηκαν δεδομένα συγκεντρώσεων των PM10 από επίγειους σταθμούς μέτρησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης εγκατεστημένων σε διάφορες θέσεις στο Νέο Δελχί (Εικόνα 2) και για τις ίδιες ημερομηνίες χρησιμοποιήθηκαν και τα δεδομένα του δορυφόρου Landsat 8. Υπολογίστηκε η ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας στα ορατά κανάλια του δορυφόρου και έγινε συσχετισμός με τα δεδομένα των επίγειων σταθμών μέτρησης της συγκέντρωσης των PM10 (θετική συσχέτιση ˃0,9). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το προτεινόμενο μοντέλο μπορεί να εκτιμήσει την συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα με μεγάλη ακρίβεια.

Εισαγωγή

Σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (WHO) η ποιότητα της ατμόσφαιρας στο Νέο Δελχί, την πρωτεύουσα της Ινδίας, είναι η χειρότερη από όλες τις μεγάλες πόλεις του κόσμου. Οι κύριες πηγές ρύπανσης είναι οι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, οι εκπομπές αυτοκινήτων, η καύση ξύλων και βιομάζας, οι βιομηχανικές εκπομπές και η σκόνη από τον τομέα των κατασκευών. Τους φθινοπωρινούς και χειμερινούς μήνες, η καύση των υπολειμμάτων των καλλιεργειών γύρω από το Δελχί είναι μια σημαντική πηγή καπνού και αιωρούμενων σωματιδίων. Τα PM10 αλλά και τα σωματίδια μικρότερης διαμέτρου όπως τα PM2.5 είναι ιδιαίτερα επικίνδυνα για την υγεία του ανθρώπου καθώς εισέρχονται στο αναπνευστικό σύστημα και προκαλούν βλάβες. Όσο πιο λεπτόκοκκα (μικρότερης διαμέτρου) τόσο πιο επικίνδυνα για την υγεία είναι, αφού μπορούν να εισέλθουν και στην κυκλοφορία του αίματος και να αυξήσουν τη θνησιμότητα και θνητότητα του πληθυσμού. Η μέτρηση της ποιότητας του αέρα είναι καθοριστικής σημασίας και πραγματοποιείται κυρίως από επίγειους σταθμούς μέτρησης. Η τηλεπισκόπηση προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα για την χαρτογράφηση της ποιότητας του αέρα. Τα δορυφορικά δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της ποιότητας του αέρα σε απομακρυσμένες ή μη αστικές περιοχές όπου δεν υπάρχουν εγκατεστημένοι επίγειοι σταθμοί μέτρησης. Οι δορυφόροι Landsat, MODIS και SPOT μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παρέχουν δεδομένα αέριας ρύπανσης και ειδικότερα των συγκεντρώσεων PM10 και PM2.5 καλύπτοντας μια ευρεία περιοχή.

Μεθοδολογία έρευνας

Η μεθοδολογία μπορεί να διακριθεί σε τέσσερα βήματα:

1) Απόκτηση δεδομένων. Οι πολυφασματικές εικόνες του αισθητήρα OLI (Operational Land Imager) του δορυφόρου Landsat 8 αποκτήθηκαν από την Γεωλογική Υπηρεσία των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS) για το χρονικό διάστημα από τον Νοέμβριο 2015 μέχρι τον Δεκέμβριο 2016. Για την έρευνα χρησιμοποιήθηκαν τα ορατά φασματικά κανάλια 1, 2, 3, 4 με χωρική ανάλυση 30m. Οι μετρήσεις των συγκεντρώσεων των αιωρούμενων σωματιδίων PΜ10 από τους επίγειους σταθμούς μέτρησης αποκτήθηκαν από το website της Κεντρικής Επιτροπής Ελέγχου Ρύπανσης που παρέχει καθημερινές μετρήσεις και χωρίστηκαν σε δύο ομάδες. Η πρώτη ομάδα μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη του πολυφασματικού μοντέλου και η δεύτερη ομάδα για την εκτίμηση ακρίβειας του προτεινόμενου αλγορίθμου.

2) Προ-επεξεργασία δεδομένων. Πραγματοποιήθηκε ραδιομετρική και ατμοσφαιρική διόρθωση των εικόνων του δορυφόρου. Τα δεδομένα (ψηφιακοί αριθμοί) του αισθητήρα OLI μετατράπηκαν σε τιμές ακτινοβολίας που ανακλάστηκε από την γήινη ατμόσφαιρα προς το διάστημα σύμφωνα με τη σχέση: ρλ΄ = Μρ*Qcal + Ap όπου ρλ΄= η ακτινοβολία που ανακλάστηκε πίσω στο διάστημα (χωρίς διόρθωση της γωνίας του ήλιου) Qcal= κβαντισμένες και βαθμονομημένες τιμές των εικονοστοιχείων (pixels) Μρ= πολλαπλασιαστικός συντελεστής αποκλιμάκωσης Ap= πρόσθετος συντελεστής αποκλιμάκωσης

3) Επεξεργασία δεδομένων. Οι τιμές ανακλαστικότητας της ατμόσφαιρας που αντιστοιχούν στις περιοχές που βρίσκονται οι επίγειοι σταθμοί μέτρησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης συσχετίστηκαν με τις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων σωματιδίων PM10 με τη μέθοδο της ανάλυσης παλινδρόμησης (regression analysis). Με βάση τον υψηλό συντελεστή συσχέτισης (R) και την χαμηλότερη τιμή της ρίζας του μέσου τετραγώνου σφάλματος, επιλέχθηκε ο κατάλληλος πολυφασματικός αλγόριθμος (Εικόνα 3). Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη των συγκεντρώσεων PM10 πάνω από το Δελχί, και δημιουργήθηκε ένας χάρτης από τα δεδομένα του δορυφόρου Landsat την 6 Ιουνίου 2016 (Εικόνα 4).

Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα είναι:

PM10 = RBand1 (-94.22) + RBand2(166.48) + RBand3(21.01) + RBand4(-78.98) - 0.8689

όπου RBand η ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας και Band 1, 2, 3, 4 τα φασματικά κανάλια του Landsat 8. Ο συντελεστής συσχέτισης βρέθηκε R = 0.9205 και η ρίζα του μέσου τετραγώνου σφάλματος RMSE (μg/m3)= 18.9891.

4) Εκτίμηση ακρίβειας. Η ακρίβεια και η επαλήθευση του αλγορίθμου (μοντέλου) πραγματοποιήθηκε με τη σύγκριση των τιμών PM10 που προκύπτουν από τον αλγόριθμο με την δεύτερη ομάδα μετρήσεων των συγκεντρώσεων από σταθμούς στη γη. Αν στο πολυφασματικό μοντέλο συνυπολογιστούν και μετεωρολογικές παράμετροι όπως η θερμοκρασία, η υγρασία και η ταχύτητα του ανέμου τότε θα υπάρχει μεγαλύτερη ακρίβεια στα αποτελέσματα.

Αποτελέσματα και συζήτηση Παρόλο που η έρευνα – μελέτη του παρόντος άρθρου αφορά συγκεκριμένη περιοχή, την ποιότητα ατμόσφαιρας του Δελχί, η μεθοδολογία που έχει χρησιμοποιηθεί μπορεί να γενικευτεί και να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε περιοχή υπάρχουν επίγειες μετρήσεις για να συσχετιστούν με τα δορυφορικά δεδομένα. Τα δεδομένα του δορυφόρου Landsat 8 χρησιμοποιήθηκαν με επιτυχία για να εκτιμήσουν την συγκέντρωση των αιωρούμενων σωματιδίων με διάμετρο 10μm (ΡΜ10) πάνω από το Δελχί, Ινδία. Το πολυφασματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε είναι ικανό να υπολογίσει με μεγάλη ακρίβεια τις συγκεντρώσεις ΡΜ10 χρησιμοποιώντας την ανακλαστικότητα ακτινοβολίας της ατμόσφαιρας. Επιπλέον, η παρούσα μελέτη δείχνει ότι οι εικόνες δορυφόρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την χαρτογράφηση της ποιότητας της ατμόσφαιρας μιας μεγάλης περιοχής. Για να γίνει το μοντέλο βέλτιστο και περισσότερο αξιόπιστο, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν περισσότερα δεδομένα μετρήσεων από επίγειους σταθμούς μέτρησης ατμοσφαιρικής ρύπανσης για τη βαθμονόμηση του αλγορίθμου.