Εύρεση πλαστικών σε παράκτια νερά χρησιμοποιώντας οπτικά δορυφορικά δεδομένα.

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Finding Plastic Patches in Coastal Waters using Optical Satellite Data

Συγγραφείς: Lauren Biermann, Daniel Clewley, Victor Martinez-Vicente & Konstantinos Topouzelis

Δημοσίευση: Published: 23 April 2020

Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://www.nature.com/articles/s41598-020-62298-z

Λέξεις κλειδιά: πλαστικά, παράκτια νερά

Περίληψη

Οι δορυφόροι που συλλέγουν οπτικά δεδομένα προσφέρουν μια μοναδική προοπτική, την ανίχνευση πλαστικών απορριμμάτων από το θαλάσσιο περιβάλλον. Βέβαια, λίγες μελέτες έχουν δείξει με επιτυχία τη χρήση τους για το σκοπό αυτό. Για πρώτη φορά, τμήματα κυμαινόμενων μακροπλαστικών γίνονται ανιχνεύσιμα σε οπτικά δεδομένα που αποκτήθηκαν από τους δορυφόρους Sentinel-2 της (ESA) και επιπλέον, διακρίνονται από φυσικά υλικά όπως τα φύκια. Εντοπίστηκαν ύποπτα μακροπλαστικά σε περιπτωσιολογικές μελέτες τεσσάρων χωρών. Επιθέματα υλικών στην επιφάνεια του ωκεανού επισημάνθηκαν χρησιμοποιώντας ένα νέο Floating Debris Index (FDI) που αναπτύχθηκε για το Sentinel-2 Multi-Spectral Instrument (MSI). Σε όλες τις περιπτώσεις, οι αιωρούμενες μάζες ήταν ανιχνεύσιμες σε κλίμακες υπο-pixel και φάνηκε να αποτελούνται από ένα μείγμα φυκιών, θαλάσσιου αφρού και μακροπλαστικών. Κατασκευάζοντας τα πρώτα βήματα προς ένα μελλοντικό σύστημα παρακολούθησης, χρησιμοποιήθηκε φασματικό σχήμα για τον εντοπισμό μακροπλαστικών και ένας αλγόριθμος Naïve Bayes για την ταξινόμηση των μικτών υλικών. Τα ύποπτα πλαστικά ταξινομήθηκαν επιτυχώς ως πλαστικά με ακρίβεια 86%.

Εισαγωγή

Σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα, τα χαρακτηριστικά του πλαστικού που αρχικά θεωρήθηκαν θετικά (ευκολία και μακροζωία), πλέον έχουν μετατραπεί σε τεράστια αιτία σοβαρών περιβαλλοντικών προβλημάτων. Στο θαλάσσιο πλαίσιο, εκατομμύρια τόνοι πλαστικών εισέρχονται στους ωκεανούς μας ετησίως. Μεγαλύτερα πλαστικά που εισέρχονται στα νερά των ωκεανών επιπλέουν στην επιφάνεια ή βυθίζονται. Εάν δεν αφαιρεθούν με εργασίες καθαρισμού, τα μακροπλαστικά (> 5 mm), ενδέχεται να βλάψουν τη θαλάσσια ζωή μέσω εμπλοκής ή κατάποσης, αλλά αναπόφευκτα θα κατακερματιστούν και θα υποβαθμιστούν σε μικροπλαστικά. Έρευνα σχετικά με την ανίχνευση πλαστικών με χρήση αερομεταφερόμενων δεδομένων, μοντέλα και θεωρητικές μελέτες, έχουν δείξει τη δυνατότητα ανίχνευσης μακροπλαστικών σε οπτικά δεδομένα. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι η κορυφαία τεχνική για τη συλλογή υψηλής ποιότητας, τυποποιημένων οπτικών εικόνων σε παγκόσμιες κλίμακες. Με την εκτόξευση των δορυφόρων Παρατήρησης Γης Sentinel-2A και 2B από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA) το 2015 και το 2017, αντίστοιχα, η ανάλυση ενδέχεται να έχει βελτιωθεί επαρκώς για την ανίχνευση πλωτών μακροπλαστικών από τροχιά χαμηλής γης.

Σε αντίθεση με το καθαρό νερό, το οποίο είναι χαρακτηριστικά αποτελεσματικό στην απορρόφηση κοντά υπέρυθρου (NIR) στο φως υπέρυθρου κύματος (SWIR), τα μακροπλαστικά αντανακλούν στο NIR16,18,20,21,23,24. Η αξιοποίηση αυτών των φασματικών ιδιοτήτων καθιστά τα συγκεντρωτικά υλικά που επιπλέουν στην επιφάνεια του ωκεανού ορατά από το διάστημα. Το φάσμα που μετρήθηκε από κάμερες των drone και το Sentinel-2 MSI, επιβεβαίωσαν ότι οι πλωτές σχεδίες αποτελούμενες από πλαστικές φιάλες, τσάντες και δίχτυα ψαρέματος, αντανακλούσαν σταθερά το φως στο NIR. Η ένταση της ανακλαστικότητας φαίνεται να εξαρτάται κυρίως από την αναλογία του κυμαινόμενου πλαστικού εντός των pixel. Κατά συνέπεια, όταν το νερό συνθέτει περισσότερο από 50% έως 70% ενός δεδομένου εικονοστοιχείου, βλέπουμε κακή ανάκλαση στο NIR21. Σε εικονοστοιχεία γεμάτα με τουλάχιστον 30% φιάλες ή σακούλες ή 50% δίχτυ ψαρέματος, παρατηρούνται τα χαρακτηριστικά ανάκλασης και απορρόφησης των πλωτών πλαστικών. Ο στόχος αυτής της μελέτης είναι διπλός. Πρώτον, να αποδειχθεί ότι τα μακροπλαστικά είναι ανιχνεύσιμα σε δεδομένα που συλλέγονται από τους δορυφόρους Sentinel-2, και δεύτερον, ότι η ταξινόμηση των μακροπλαστικών και των φυσικών υλικών, ενδέχεται να συσσωματωθούν σε μικτά τμήματα πλωτών συντριμμάτων.

Αποτελέσματα

Για εφαρμογές τηλεπισκόπησης, η φασματική ανάλυση αναφέρεται στην εξαγωγή ποιοτικών και ποσοτικών πληροφοριών από τα φάσματα ανάκλασης ενός δεδομένου pixel, με βάση τις ιδιότητες ανάκλασης που εξαρτώνται από το μήκος κύματος. Επομένως, οι κατηγορίες αντικειμένων ενδέχεται να έχουν αναγνωρίσιμα φασματικά χαρακτηριστικά και φασματικές υπογραφές. Με βάση τα πρότυπα απορρόφησης και ανάκλασης σε 10 από τις 12 ζώνες Sentinel-2 MSI (από 490 nm έως 1610 nm), δημιουργήθηκαν φασματικές υπογραφές ανιχνευμένων φυκιών, καπνών, ξυλείας, μακροπλαστικών και θαλασσινού νερού. Αυτά αποδείχτηκαν απαραίτητα για την ταυτοποίηση υλικών σε μικτές συγκεντρώσεις (Εικ. 1)

Μελέτη περίπτωσης

Με βάση πληροφορίες για επίμονα ή οξέα περιστατικά θαλάσσιων πλαστικών απορριμμάτων, επιλέχθηκαν τα παράκτια ύδατα από τη Γκάνα, τη Βορειοδυτική Αμερική, το Βιετνάμ και την ανατολική ακτή της Σκωτίας ως μελέτες περιπτώσεων. • Η χώρα της Δυτικής Αφρικής Γκάνα διαθέτει ακτογραμμή που εκτείνεται περίπου 550 χιλιόμετρα, με θέα στον Κόλπο της Γουινέας. Η Άκρα, παράκτια πρωτεύουσα, φιλοξενεί περίπου 3 εκατομμύρια άτομα και αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις διαχείρισης αποβλήτων, ειδικά όσον αφορά τα πλαστικά απορρίμματα. Εφαρμόζοντας το FDI στα δεδομένα Sentinel-2 που αποκτήθηκαν στις 31 Οκτωβρίου 2018, εντοπίστηκαν ομάδες φωτεινών εικονοστοιχείων κατά μήκος ενός μετώπου που εντοπίζει την ακτογραμμή. Τα υλικά συγκεντρώθηκαν σε πλωτά μπαλώματα που κυμαίνονταν από περίπου 200 μ. ως 6 χλμ. από την ακτογραμμή, και φάνηκε να κυριαρχούνται από μακροφύκια. Ωστόσο, ένα ποσοστό εικονοστοιχείων εντός των ανιχνευμένων συσσωματώσεων ήταν σύμφωνο με τη φασματική υπογραφή του πλαστικού (n = 23). Αυτά ταυτοποιήθηκαν ως ύποπτα πλαστικά ωκεανού.

• Τα τελευταία χρόνια, η παράκτια περιοχή του Ντα Νανγκ αντιμετώπισε μια σειρά περιβαλλοντικών προκλήσεων. Βάσει εσωτερικής έκθεσης παρακολούθησης για τα παράκτια ύδατα της περιοχής, αναλαμβάνεται δράση για την ελαχιστοποίηση και την πρόληψη της ρύπανσης από βιομηχανικές και υγρές πηγές και για τη βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος. Οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν επίσης στην αντιμετώπιση του προβλήματος της πλαστικής ρύπανσης. Η εφαρμογή του αλγορίθμου FDI επισήμανε φωτεινά pixel κατά μήκος του ποταμού στις 30 Οκτωβρίου 2019, που σύμφωνα με τη φασματική υπογραφή του πλαστικού (n = 22), αυτές οι ανιχνεύσεις αναγνωρίστηκαν ως ύποπτα πλαστικά ωκεανού.

• Η εφαρμογή του FDI επιτρέπεται για τον εντοπισμό πλωτών συντριμμιών νότια του νησιού Gabriola, το οποίο είναι μέρος των νησιών του Κόλπου στα Στενά της Γεωργίας στη Βρετανική Κολομβία (Καναδάς). Τα πλωτά υλικά συγκεντρώθηκαν σε σορούς από περίπου 180 μ. ως 550 μ. Από τις πιο νότιες ακτές της Νήσου Γκαμπριόλα, από εικόνες υψηλής ανάλυσης από το Google Earth επιβεβαίωσαν ότι οι πλωτές συγκεντρώσεις επαναλαμβάνονται. Ένας αριθμός εικονοστοιχείων μέσα σε συγκεντρώσεις που ανιχνεύθηκαν από το FDI συμμορφώθηκαν με τη φασματική υπογραφή του πλαστικού (n = 26), και ταυτοποιήθηκαν ως ύποπτα πλαστικά ωκεανού.

• Μια πρόσφατη έκθεση για την πλαστική ρύπανση στις παραλίες του Ηνωμένου Βασιλείου κυκλοφόρησε από το Ηνωμένο Βασίλειο Marine Conservation Society, UK. Τα ευρήματά τους έδειξαν ότι σε 135 παραλίες της Σκωτίας, τα απορρίμματα πλαστικών είχαν αυξηθεί κατά 14% από το 2017.

Συμπεράσματα μελέτης περίπτωσης

Ένας αλγόριθμος Naïve Bayes (Bayesian) εκπαιδεύτηκε για την πρόβλεψη των πλαστικών. Το μοντέλο εκπαιδεύτηκε χρησιμοποιώντας τα φυσικά υλικά που περιγράφονται και δείχνονται στην εικόνα 2.

Σε όλες τις τοποθεσίες, τα ύποπτα πλαστικά ταξινομήθηκαν ως πλαστικά από το μοντέλο Naïve Bayes, με ακρίβεια 86%. Οι ανιχνεύσεις από την Άκρα και τα Νησιά του Κόλπου είχαν την υψηλότερη συμφωνία μεταξύ ύποπτων πλαστικών και μοντέλων ταξινομημένων πλαστικών σε 87% και 100% αντίστοιχα. Οι ανιχνεύσεις από το Ντα Νανγκ και τη Σκωτία έδειξαν συμφωνίες 77% και 83%, αντίστοιχα. Για την Accra, τα ύποπτα πλαστικά που δεν ταξινομήθηκαν ως πλαστικά αναγνωρίστηκαν ως θαλασσινό νερό, γεγονός που υποδηλώνει ότι μια ανεπαρκής ποσότητα εικονοστοιχείου ήταν γεμάτη με πλωτά συντρίμμια. Και για τις περιπτωσιολογικές μελέτες Da Nang και Σκωτία, ένα μικρό ποσοστό ύποπτων πλαστικών ταυτοποιήθηκε από το μοντέλο ως spume.