Εντοπισμός μολυσμένων θαλάσσιων επιφανειών
Από RemoteSensing Wiki
Μια νέα μέθοδος για τον αξιόπιστο εντοπισμό μολυσμένων θαλάσσιων επιφανειών
Helmi Ghanmi, Ali Khenchaf και Fabrice Comblet
Ένας από τους βασικούς στόχους των συστημάτων τηλεπισκόπησης, όπως το SAR είναι – πέρα από τον εντοπισμό εμποδίων – ο εντοπισμός ρυπαντών. Σε εικόνες ραντάρ, οιπετρελαιοκηλίδες συχνά εμφανίζονται σαν σκοτεινά σημεία (δηλαδή με μειωμένη ένταση του σήματος οπισθοσκεδασμού) και μπορεί επμένω να είναι δύσκολα παρατηρήσιμη. Η ανάπτυξη νέων τεχνικών τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό πετρελαιοκηλίδων σε τέτοιες εικόνες βέβαια δεν είναι απλή υπόθεση. Για παράδειγμα είναι δύσκολο να διαχωρίσεις τη κηλίδα πετρελαίου από άλλα φαινόμενα (όπως κάποια ήδη πάγου, σκιάσεις από την ακτή κ.α.). Επιπλέον οι ικανότητες εντοπισμού των συστημάτων SAR εξαρτώνται από εξωτερικές συνθήκες όπως και από παραμέτρους των αισθητήρων (συχνότητα, πολικότητα κ.α.).
Η παρουσία ρυπαντών έχει σημαντικές επιδράσεις στις γεωμετρικές και φυσικές ιδιότητες της επιφάνειας της θάλασσας. Όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι σχετικά χαμηλή, το πετρέλαιο σχηματίζει ένα στρώμα στην επιφάνεια, το οποίο μετριάζει το φάσμα τραχύτητας της θάλασσας. Όταν η ταχύτητα του ανέμου όμως είναι υψηλή το πετρέλαιο αναμιγνύεται με το θαλασσινό νερό και σχηματίζεται γαλάκτωμα με αποτέλεσμα να αλλάζουν οι διηλεκτρικές ικανότητες του δεύτερου. Σε τέτοιες περιπτώσεις οι τεχνολογίες SAR δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό αλλαγών στη θαλάσσια επιφάνεια. Επομένως ανεξαρτήτως από το πιο θαλάσσιο φάσμα έχει επιλεγεί η διηλεκτρική σταθερά του νερού είναι η μόνη παράμετρος που πραγματικά συνδέεται με με την παρουσία ρυπαντών. Για τη βελτίωση των υπαρχόντων συστημάτων ραντάρ, είναι επομένως αναγκαίο να να γίνεται λεπτομερής ανάλυση των πληροφοριών που περιέχονται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που εξαπλώνεται πάνω από τη θαλάσσια επιφάνεια. Σε αυτό το πλαίσιο η μοντελοποίηση της σκέδασης του ΗΜ κύματος που συμβαίνει από την επιφάνεια της θάλασσας μπορεί να παρέχει πλούτο πληροφοριών σχετικά με την παρουσία διάφορων ρυπαντών. Τέτοιες ουσίες μπορεί να είναι οργανικά υμένια, πετρελαιοκηλίδες και γαλακτώματα πετρελαίου.
Ο βασικός στόχος της δουλείας μας συνεπώς είναι η ανάλυση της λεπτομερούς πληροφορίας που περιέχεται στο ΗΜ πεδίο που σκεδάζεται τόσο από καθαρές όσο και από μολυσμένες θαλάσσιες επιφάνειες. Συγκεκριμένα θεωρούμε τη διηλεκτρικλη σταθερά ως μια συνάρτηση της συγκέντρωσης πετρελαίου στη θάλασσα. Τα αποτελέσματά μας προέκυψαν από χρήση της μεθόδου FBM και τα συγκρίναμε με αυτά ασυμπτωτικών μοντέλων όπως το TSM και το SSA με διαφορετικές ρυθμίσεις και παραμέτρους. Έτσι οι αριθμητικές προσομοιώσεις μας μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βάση για την ανάπτυκη ενός νέου αξιόπιστου εργαλείου για τον εντοπισμό των ρυπαντών της επιφάνειας της θάλασσας. Μια σύγκριση μεταξυ των διστατικών συντελεστών σκέδασης μιας καθαρής και μιας μολυσμένης θαλάσσιας επιφάνειας (καλυμμένης με οργανικό υμένιο) φαίνεται στην εικόνα 2. Από αυτά τα αποτελέσματα βρίσκουμε ότι η παρουσία του στρώματος ρυπαντών μειώνει τους συντελεστές σκέδασης της επιφάνειας της θάλασσας. Όντως, για υψηλές γωνίες σκέδασης (πανω από 40 μοίρες), βρίσκουμε ότι υπάρχει μια μικρή διαφορά μεταξύ των συντελεστών σκέδασης για την καθαρή θαλάσσια επιφάνεια και αυτών για την μολυσμένη. Από την άλλη, για μικρές γωνίες σκέδασης, η απόκλιση μεταξύ των συντελεστών σκέδασης αυξάνεται (σε περίπου 16dB).
Για να επιβεβαιωθεί η ανάλυση αυτή, έχουμε προσομοιώσει την απόλυτη τιμή της διαφοράς μεταξύ των συντελεστών σκέδασης ΗM για τις καθαρές και μολυσμένες θαλάσσιες επιφάνειες (βλέπε Εικόνα 2). Χρησιμοποιήσαμε τα ασυμπτωτικά μοντέλα TSM και SSA καθώς και τη μέθοδο FBM για αυτές τις προσομοιώσεις, και διερευνήθηκε μια σειρά από παραμέτρους. Τρέξαμε τις προσομοιώσεις για μια σειρά γωνιών σκέδασης (-85 έως 20°), δύο γωνίες πρόσπτωσης (40 και 60°), ταχύτητα του ανέμου (σε ύψος 10m) 15m/s, και μια σειρά από συγκεντρώσεις βενζίνης (0-60%). Οι υπόλοιπες παράμετροι προσομοίωσης είναι ίσες με τις τιμές που φαίνονται στην Εικόνα 1.
Για την περίπτωση που το πετρέλαιο αναμιγνύεται με το θαλασσινό νερό (βλέπε Εικόνα 3), βλέπουμε ότι η παρουσία της βενζίνης στο θαλασσινό νερό δημιουργεί μια διαφορά μεταξύ των διστατικών συντελεστών σκέδασης μιας θαλάσσιας επιφάνειας που περιέχει και μιας που δεν περιέχει πετρέλαιο. Παρατηρούμε επίσης ότι η μέγιστη ενέργεια παραλαμβάνεται γύρω από την κατοπτρική κατεύθυνση, και ότι το επίπεδο ενέργειας μειώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης πετρελαίου στο θαλάσσιο νερό. Έχουμε αναλύσει επίσης τη μείωση των συντελεστών σκέδασης ώστε να διερευνήσουμε περαιτέρω την επίδραση του γαλακτώματος στην ηλεκτρομαγνητική υπογραφή της επιφάνειας της θάλασσας. Αναλύσαμε αυτή τη μείωση για την συγκεκριμένες γωνίες σκέδασης και πρόσπτωσης (δηλαδή, οι γωνίες σκέδασης και πρόσπτωσης ήταν είτε 40 είτε 60°) και ως συνάρτηση διαφόρων συγκεντρώσεων πετρελαίου (μεταξύ 25 και 60%). Τα αποτελέσματά μας (βλέπε Σχήμα 4) δείχνουν ότι η μέγιστη διαφορά μεταξύ των συντελεστών σκέδασης για μια καθαρή και μια μολυσμένη επιφάνεια θάλασσας είναι περίπου 9dB για πολικότητα κάθετης μετάδοσης και κατακόρυφης λήψης (νν), και είναι 1-3dB για πολικότητα οριζόντιας μετάδοσης και οριζόντιας λήψης (hh) πόλωση. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι η μείωση του συντελεστή σκέδασης ΗΜ είναι πιο σημαντική για vv πολικότητα από ό, τι για hh πολικότητα. Αυτή η μείωση ουσιαστικά προκαλείται από την επίδραση της σχετικής διηλεκτρικής σταθεράς για το γαλάκτωμα πετρελαίου.
Έχουμε προσομοιώσει αριθμητικά την επίδραση των ρυπαντών στις χαρακτηριστικές ΗΜ υπογραφές των θαλάσσιων επιφανειών. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεών μας δείχνουν ότι η παρουσία ενός στρώματος μόλυνσης δημιουργεί μια μεγάλη διαφορά (περίπου 16dB) μεταξύ των συντελεστών σκέδασης καθαρών και μολυσμένων επιφανειών θάλασσας. Επιπλέον έχουμε παρατηρήσει ότι η μέγιστη διαφορά μεταξύ των συντελεστών σκέδασης μιας καθαρής θαλάσσιας επιφάνειας και μιας που έχει μολυνθεί από γαλάκτωμα πετρελαίου είναι της τάξης των 9dB. Τώρα σχεδιάζουμε να αναπτύξουμε περεταίρω το τη δουλειά μας εξετάζοντας άλλες συγκρίσεις και αξιολογήσεις με τα περιαματικά αποτελέσματα προσομοίωσης. Συγκεκριμένα θα χρησιμοποιήσουμε πειραματικές μετρήσεις που αποκτήθηκαν εντός του προγράμματος NETMAR της ΕΕ.
