Επεξεργασία δορυφορικών εικόνων Landsat και MODIS για εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας στην Κολομβία
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος τίτλος: Landsat and MODIS Satellite Image Processing for Solar Irradiance Estimationin the Department of Narino-Colombia
Συγγραφέας : Omar Cabrera, Bayron Champutiz, Andres Calderon, Andres Pantoja
Εισαγωγή
Ο εντοπισμός των ηλιακών δυνατοτήτων σε απομακρυσμένες περιοχές αποτελεί ευκαιρία για την παροχή λύσεων σε πληθυσμούς απομονωμένους από το ηλεκτρικό δίκτυο. Πολλές φορές τέτοιες ολοκληρωμένες μελέτες απαιτούν υψηλό κόστος και αρκετό χρονικό διάστημα για τη συλλογή δεδομένων. Διάφορες οργανώσεις όπως η IRENA έχουν δημιουργήσει παγκόσμιους χάρτες για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε συνεργασία με αρκετές εταιρίες αλλά και ερευνητικά κέντρα χρησιμοποιώντας διαφορετικά μοντέλα και βάσεις δεδομένων. Αν και αυτά τα εργαλεία έχουν δωρεάν εφαρμογές με πολλές δυνατότητες, για μικρές περιοχές η ανάλυση των χαρτών είναι περιορισμένη. Για αυτό το σκοπό, στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για τον εντοπισμό και την εκτίμηση της ηλιακής ακτινοβολίας στη Νοτιοδυτική Κολομβία, λαμβάνοντας υπόψη δορυφορικές εικόνες Landsat 7 και MODIS όπου οι βάσεις δεδομένων είναι ελεύθερα διαθέσιμες. Η βασική συμβολή είναι να προταθεί μια βασική γραμμή με έγκυρες δευτερογενείς πληροφορίες όπως επεξεργασμένες δορυφορικές εικόνες για τη δημιουργία γεωγραφικών χαρτών ενέργειας.
Μεθοδολογία
Τα βήματα που ακολουθούνται στη μεθοδολογία συνοψίζοντας αναλυτικά στην εικόνα 1, συμπεριλαμβανομένης της απόκτησης δεδομένων, προεπεξεργασίας, διευθέτησης, επεξεργασίας, μοντελοποίησης και κατασκευή χαρτών.
Οι εικόνες Landsat 7 παράγονται κάθε 16 ημέρες με 8 φασματικές κανάλια και αναλύσεις ανά εικονοστοιχείο 15m (κανάλι 6) και 30m (άλλα κανάλια). Οι εικόνες MODIS συλλέγονται καθημερινά με χωρική ανάλυση περίπου 500m ανά εικονοστοιχείο. Συγκεκριμένα τα προϊόν MOD09GA παρέχει 7 φασματικά κανάλια για τη μέτρηση της γήινης ανακλαστικότητας, τα σύνορα των εδαφών και τα στρώματα βλάστησης. Λόγω της χωρικής ανάλυσης των εικόνων Landsat χρειάζονται 5 φωτογραφίες για να καλύψουν το την περιοχή που θέλουμε (εικόνα 2). Από την άλλη μεριά μόνο μια εικόνα MODIS μπορεί να καλύψει μπορεί το μεγαλύτερο μέρος ολόκληρης της Κολομβίας (εικόνα 3). Για να επιτευχθεί ένα κοινό σύστημα συντεταγμένων όλες οι εικόνες πρέπει να προβάλλονται στο σύστημα EPSG:3857. Επιπλέον η αρχική μορφή των εικόνων MODIS (ΗDF) αλλάζουν σε μορφή TIFF. Δεδομένου ότι όλες οι εικόνες καλύπτουν μια ευρύτερη περιοχή από αυτήν της μελέτης, αποσπάται το κομμάτι που χρειαζόμαστε (εικόνα 4). Σκοπός της επεξεργασίας της εικόνας είναι να αποκτηθεί η ανακλαστικότητα σε κάθε μια από τα επτά κανάλια αφαιρώντας σύννεφα και ασαφή δεδομένα από τις κομμένες Landsat and MODIS εικόνες. Για το σύνολο Landsat εικόνων προτείνετε ο αλγόριθμος αυτόματης αξιολόγησης καλύμματος νέφους (ACCA) ενώ για τις εικόνες MODIS το προϊόν MOD09GA παρέχει τον αλγόριθμο MODIS Cloud Mask, για την αξιολόγηση της παρουσίας σκιών και σύννεφων σε κάθε κανάλι. Για την οργάνωση των επεξεργασμένων δεδομένων και για τη διευκόλυνση της εφαρμογής των μοντέλων παλινδρόμησης υπάρχουν δύο βάσεις δεδομένων (μια για κάθε πηγή) που έχουν σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας την PostgreSQL. Οι πληροφορίες που διατίθενται βρίσκονται σε ομοιόμορφο πλέγμα με χωρική διακριτική ικανότητα 450m για κάθε κανάλι η οποία καθορίζει την ανάλυση των χαρτών. Μια σύνοψη των επεξεργασμένων δεδομένων παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Τα δεδομένα ανακλάσεως που έχουν ληφθεί πρέπει να μετατραπούν σε τιμές ηλιακής ακτινοβολίας για την εκτίμηση του ενεργειακού δυναμικού. Για αυτό, δοκιμάζονται 13 μοντέλα παλινδρόμησης με διαφορετικές προσεγγίσεις, λαμβάνοντας ως εισροές τη μέση ανακλαστικότητα τιμές στα 7 κανάλια των 500 επιλεγμένων τοποθεσιών. Η εικόνα 5 παρουσιάζει δείγμα των σημείων ακτινοβολίας. Η απόδοση κάθε μοντέλου αξιολογείτε με 6 στατιστικά στοιχεία όπως φαίνεται και στον πίνακα 3. Και για τις δύο πηγές το μοντέλο με την υψηλότερη απόδοση είναι το σύνολο πολλαπλών στρώσεων (MLPE).
Αποτελέσματα
Παρακάτω βλέπουμε στις εικόνες 6 μια άμεση σύγκριση του γενικού χάρτη όπου η ομοιότητα είναι ξεκάθαρη πλην κάποιες περιοχές στις Άνδεις. Στη συνέχεια από την εικόνα 7 έως και την 10 συγκρίνονται διάφορα δεδομένα των δύο πηγών (Landsat και MODIS ) μηνιαία και ετησίως. Στον πίνακα 5 παρουσιάζεται ο συσχετισμός και ο συντελεστής προσδιορισμού για όλους τους χάρτες. Εκεί μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η συσχέτιση είναι περίπου στο 94% αποδεικνύοντας την ισχύ των αποτελεσμάτων. Τέλος συμπεραίνουμε ότι η παραπάνω μεθοδολογία δείχνει αρκετά υψηλό ερευνητικό δυναμικό.
