Εφαρμογή τηλεπισκόπησης σχετικά με την γεω-οικολογική παρακολούθηση περιοχής εξόρυξης άνθρακα

Από RemoteSensing Wiki

Εφαρμογή τηλεπισκόπησης σχετικά με την γεω-οικολογική παρακολούθηση περιοχής εξόρυξης άνθρακα

Πρωτότυπος τίτλος: Experience of the application of remote sensing data in the problems of geo-ecological monitoring of the coal mining area

Συγγραφείς: Olga Giniyatullina, Evgeniy Schastlivtsev, and Vladimir Kovalev Institute of Computational Technologies of SB RAS, Kemerovo, Russia

Δημοσιεύθηκε: RPERS, 14 Ιανουαρίου 2019

Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]

Λέξεις-Κλειδιά: γεωλογική παρακολούθηση, ορυχεία άνθρακα, διαταραγμένα εδάφη, αποκατάσταση γης

Εικόνα 1: Έλεγχος των ορίων των ορυχείων εξόρυξης άνθρακα

Eικόνα 2: Αποτελέσματα υπολογισμού του δείκτη βλάστησης εδάφους SAVI

Eικόνα 3: Τα αποτελέσματα του υπολογισμού από τον συνδυασμό των δεικτών NDVI, SRI και ARI

Eικόνα 4: Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα των διαστημικών εικόνων και του μαθηματικού μοντέλου

Αντικείμενο Εφαρμογής

Αυτό το άρθρο ασχολείται με τα πιο συχνά προβλήματα που προκύπτουν σε περιοχές εξόρυξης άνθρακα και επιλύονται χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης.

Εισαγωγή

Η σημερινή κατάσταση του περιβάλλοντος σε περιοχές με υψηλές ανθρωπογενείς επιπτώσεις απαιτεί συνεχή παρακολούθηση από ειδικές υπηρεσίες και χρήση λειτουργικών εργαλείων για την οικολογική παρακολούθηση. Το πρόβλημα αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο στις περιοχές εξόρυξης άνθρακα, όπου ως αποτέλεσμα της εξόρυξης προκύπτουν θεμελιώδεις αλλαγές στη δομή των εδαφών, των τοπίων, των υδάτινων πόρων, βιοτόπων κλπ. Η χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης για την επίλυση ορισμένων προβλημάτων γεωοικολογικής παρακολούθησης καθιστά δυνατή την αξιολόγηση της κατάστασης των εδαφών της περιοχής στο σύνολό της. Στο Kemerovo Scientific Centre των ICT SB RAS για περισσότερα από 10 χρόνια έχουν αναπτυχθεί νέες προσεγγίσεις για την επίλυση προβλημάτων γεωοικολογικής παρακολούθησης με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης. Σε γενικές γραμμές, η τηλεπισκόπηση πραγματοποιείται σε τέσσερις κατευθύνσεις και παρακάτω περιγράφονται παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων από κάθε κατεύθυνση.

Μεθοδολογία

1.Προσδιορισμός των ορίων των διαταραγμένων εδαφών

Μία από τις σημαντικότερες προτεραιότητες είναι ο έλεγχος των ορίων των εξουσιοδοτημένων εγκαταστάσεων εξόρυξης άνθρακα. Η παραβίαση των επίσημων ορίων οδηγεί σε τεράστιες οικονομικές απώλειες τον περιφερειακό προϋπολογισμό. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι στις περιοχές που διεξάγεται ανεξέλεγκτη εξόρυξη άνθρακα προκαλούνται σοβαρές αρνητικές επιπτώσεις στο περιβάλλον. Σε αυτή την περίπτωση, η λύση του προβλήματος είναι να απομονωθούν τα όρια της περιοχής μελέτης σε εικόνες υψηλής ανάλυσης (για παράδειγμα, δεδομένα Sentinel 2A με ανάλυση 10 m / pix) και να συσχετιστούν με τα επίσημα όρια των αδειοδοτημένων περιοχών χρησιμοποιώντας μεθόδους GIS. Στην Εικόνα 1 φαίνονται τα νόμιμα όρια των ορυχείων σχεδιασμένα με μαύρο περίγραμμα σε σχέση με την πραγματική και εκτός των ορίων έκταση εκμετάλλευσης της περιοχής. Ως εκ τούτου, αποστέλλεται επίσημο αίτημα για να δικαιολογηθεί η αύξηση της περιοχής.

2.Παρακολούθηση της διαδικασίας αποκατάστασης της γης

Ένα άλλο ζήτημα είναι η παρακολούθηση της διαδικασίας αποκατάστασης της γης μετά την εξόρυξη άνθρακα. Για την λύση αυτού του προβλήματος η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην επεξεργασία ενός αριθμού εικόνων για αρκετά χρόνια από τον δείκτη εδάφους SAVI με δεδομένα Landsat 7. Το πιο ευαίσθητο φασματικό κανάλι για τον υπολογισμό αυτού του τύπου δεικτών είναι το κοντινό υπέρυθρο (705-745 nm). Στην προκειμένη περίπτωση ο πιο βολικός τρόπος για τη διερεύνηση των αλληλένδετων συνιστωσών της βλάστησης του εδάφους θεωρήθηκε η χρήση του μοντέλου Gaudrian. Σε αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται ο σφαιρικός συντελεστής φασματικής αντανάκλασης: θεωρείται ότι το έδαφος είναι ένας διαχύτης Lambert και οι τιμές του συντελεστή δεν εξαρτώνται από την κατεύθυνση των ακτίνων του ήλιου και την πρόσπτωση του φωτός. Όταν χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης εδάφους SAVI για την εκτίμηση της κατάστασης των ορυχείων, χρησιμοποιήθηκε η τιμή L = 1 για αντικείμενα με καθόλου ή ελάχιστη βλάστηση σε μορφή χλόης. Ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας καταγράφηκαν ακόμη και οι ελάχιστες μεταβολές στην κατάσταση της βιομάζας που είναι χαρακτηριστικές στις διαδικασίες αυτό-ανάπτυξης όταν η εμφάνιση της βλάστησης οφείλεται όχι στο σκόπιμο σχηματισμό του στρώματος του χούμος αλλά στη χαοτική μεταφορά φυτικών σπόρων με φυσικές διαδικασίες. Έτσι, για παράδειγμα, στη μελέτη του χώρου εναπόθεσης των ορυχείων για την περίοδο από το 1992 έως το 2010, όταν υπήρχαν ενεργές εργασίες σε αυτόν, οι δείκτες καθορίστηκαν από -0,25 έως 0,05, γεγονός που δείχνει την εμφάνιση βιομάζας στην επιφάνεια. Η Εικόνα 2 δείχνει τα αποτελέσματα της παρακολούθησης της χωματερής του ορυχείου του Bachatskiy (περιοχή Kemerovo). Όπως φαίνεται, η μετατόπιση του ορίζοντα από το βορρά προς το νότο είναι σαφώς εντοπισμένη. Το όριο του δείκτη εδάφους διέρχεται από το 0, τα έγχρωμα σημάδια αντιπροσωπεύουν τους δείκτες με εύρος [0;1] που χαρακτηρίζουν το έδαφος. Οι δείκτες που παρουσιάζονται με λευκές αποχρώσεις είναι άδειοι βράχοι. Όπως είναι σαφές από το σχήμα, ο σχηματισμός του χώρου εναπόθεσης ορυχείων δημιουργήθηκε από κάτω προς τα πάνω και μέχρι το 2010 παρατηρήθηκε μια ενεργή διαδικασία αυτό-ανάπτυξης της νότιας πλευράς του ορυχείου. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν πραγματοποιούνταν αποκατάσταση της περιοχής εκείνη την χρονική περίοδο, ενώ η μέση ταχύτητα εμφάνισης της πρώτης πράσινης μάζας είναι 4-5 χρόνια. Κατά τη διεξαγωγή της έρευνας αυτής της μεθόδου το βήμα του δείκτη σταθεροποιήθηκε κατά το δεύτερο έτος με περαιτέρω αύξηση του ανάλογα με τα επικρατούντα είδη βλάστησης.

3.Αξιολόγηση της κατάστασης της βιομάζας στο έδαφος των εγκαταστάσεων και εκτός της υγειονομικής ζώνης

Ένα μάλλον ευρέως διαδεδομένο πρόβλημα είναι η εκτίμηση της βιομάζας σε δορυφορικές εικόνες χρησιμοποιώντας δείκτες βλάστησης. Στην έρευνα χρησιμοποιήθηκε ένας συνδυασμός δεικτών όπως ο NDVI, ο SRI και ARI για την εκτίμηση της κατάστασης της βλάστησης στις περιοχές εξόρυξης άνθρακα. Οι δύο πρώτοι δείκτες προσανατολίζονται την κατανομή της βιομάζας στο σύνολό της, ενώ ο τρίτος δείκτης ανιχνεύει την ένταση των ανθοκυανινών στα φύλλα. Οι συγγραφείς πρότειναν οι δείκτες να εξεταστούν ως συνδυασμός. Ως αποτέλεσμα, παρουσιάστηκαν ολοκληρωμένοι χάρτες βλάστησης με βάση την κοινή επεξεργασία των δεικτών (Εικόνα 3), όπου η R band περιέχει τις τιμές των δεικτών NDVI, G-SRI και B-ARI. Σύμφωνα με την αποδεκτή χρωματική διαβάθμιση, η φυσιολογική βλάστηση εκτιμάται σε κίτρινο-πράσινους τόνους που αντιστοιχούν στη βιομάζα της περιοχής μελέτης. Η παρουσία καφέ αποχρώσεων υποδηλώνει την εξασθενημένη βλάστηση. Ωστόσο, καθώς το 2016 ήταν πολύ ξηρό, τότε η πολύ μεγάλη παρουσία αυτού του χρώματος οφείλεται σε φυσικές αιτίες και όχι στην επίδραση της εξόρυξης άνθρακα. Κατά κανόνα, ασθενέστερη βλάστηση είναι σταθερή στις ζώνες άμεσης επαφής με τις χωματερές άνθρακα όπου η βιομάζα βρίσκεται υπό σημαντική πίεση.

4.Καταγραφή της περιοχής των ζωνών που αποτίθεται η σκόνη

Η επόμενη σημαντική κατεύθυνση της τηλεπισκόπησης είναι η εκτίμηση του φορτίου σκόνης από εικόνες κατά τη χειμερινή περίοδο. Η εκτίμηση γίνεται μελετώντας την ένταση της χιονοκάλυψης κοντά στα αντικείμενα της εξόρυξης άνθρακα. Χρησιμοποιήθηκε τεχνική επεξεργασίας εικόνων με αντικειμενοστρεφείς αλγόριθμους. Η προσέγγιση έγκειται στη σύνθετη απομόνωση των δομικών, κειμενικών και χωρικών χαρακτηριστικών των αντικειμένων της εικόνας σύμφωνα με κάποιον κανόνα ή τον συνδυασμό τους. Η προσέγγιση βασίζεται στον νόμο της κατανομής των εκπομπών από την πηγή, δηλ. Η καθίζηση των ρύπων προκύπτει από την πηγή ρύπανσης με μείωση της συγκέντρωσης της σε ένα ορισμένο κατώφλι όταν αυτή αφαιρεθεί. Δεδομένου ότι η μέγιστη απόκλιση στο υπέρυθρο είναι χαρακτηριστική για το χιόνι όταν αυξάνεται η ρύπανση, τότε η φασματική φωτεινότητα των εικονοστοιχείων της μπορεί να προσδιοριστεί και είναι δυνατόν να τα διαχωριστεί σε ορισμένες τάξεις υπό όρους με την παρουσία αποκλίσεων στο υπέρυθρο. Στην πραγματικότητα, στόχος είναι να χωριστεί η εικόνα σε τμήματα χρησιμοποιώντας σαν κανόνα την απόκλιση των φασματικών τιμών του εικονοστοιχείου σε συγκεκριμένα κανάλια. Το καλύτερο αποτέλεσμα για τον προσδιορισμό της κατανομής της σκόνης πάνω στην περιοχή με χιόνι είναι η χρήση ενός αντικειμενοστρεφούς αλγορίθμου με τη ρύθμιση των ορίων να ποικίλει σε ένταση σε κάθε κανάλι και χρησιμοποιώντας μία πλήρη λίστα λ τιμών όταν τα μικρά τμήματα της εικόνας συγχωνεύονται σε μεγαλύτερα. Ως αποτέλεσμα, επιτυγχάνεται μια τμηματοποιημένη εικόνα της χιονοκάλυψης όπου τα όρια στα οποία αλλάζει η έντασης της ανάκλασης της επίστρωσης αναγνωρίζονται εύκολα, πράγμα που χαρακτηρίζει τον βαθμό της μόλυνσης αυτής της περιοχής. Σε αυτή την τεχνική οι συγγραφείς διεξήγαγαν έρευνα για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων επεξεργασίας των εικόνων, σε σύγκριση με τιμές που υπολογίστηκαν από το πακέτο λογισμικού ERA και εργαστηριακά δεδομένα δειγμάτων χιονιού. Το Σχήμα 4 δείχνει τα αποτελέσματα επεξεργασίας μιας δορυφορικής εικόνας του Sentinel 2A χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο με τις υπολογισμένες τιμές του μαθηματικού μοντέλου. Όπως φαίνεται, 100% των αντικειμένων παρουσιάζουν απότομη πτώση στις τιμές ανάκλασης στην περιοχή του υπέρυθρου φάσματος στο περίγραμμα της υπολογιζόμενης γραμμής περιγράμματος 5 g / m2 (Εικόνα 4, γραμμή 5). Τα τμήματα τα οποία προκύπτουν αντιστοιχούν στις πηγές μόλυνσης. Μετά από αυτό, τα κατανεμημένα τμήματα κατανέμονται σε τέσσερις ακόμη κλάσεις με αυξανόμενες τιμές στο υπέρυθρο φάσμα (σχήμα 4, γραμμές 1-4) που αντιστοιχεί στην κατανομή των ρυπαντών των πηγών. Έτσι, κατέστη δυνατό να προσδιοριστεί η έκταση της ρύπανσης του χιονιού από το φορτίο σκόνης στην περιοχή εξόρυξης άνθρακα.

Συμπεράσματα

Αυτό το άρθρο περιλαμβάνει μόνο τα πιο συχνά προβλήματα των περιοχών εξόρυξης άνθρακα που επιλύονται με την γεωοικολογική παρακολούθηση χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης. Αυτή η λίστα επεκτείνεται διαρκώς. Η εμφάνιση νέων δεδομένων, μεθόδων και προσεγγίσεων για την επεξεργασία τους επιτρέπει τη δημιουργία νέων μέσων για την παρακολούθηση της κατάστασης του περιβάλλοντος.