Μελέτη Πλαστικών Απορριμμάτων και ποικίλων Χαρακτηριστικών στην Επιφάνεια της Θάλασσας σε Δορυφορικά Πολυφασματικά Δεδομένα Sentinel-2
Από RemoteSensing Wiki
Μελέτη Πλαστικών Απορριμμάτων και ποικίλων Χαρακτηριστικών στην Επιφάνεια της Θάλασσας σε Δορυφορικά Πολυφασματικά Δεδομένα Sentinel-2
Πρωτότυπος τίτλος: Μελέτη Πλαστικών Απορριμμάτων και ποικίλων Χαρακτηριστικών στην Επιφάνεια της Θάλασσας σε Δορυφορικά Πολυφασματικά Δεδομένα Sentinel-2
Συγγραφείς: Μικέλη Παρασκευή
Δημοσιεύθηκε: 2022
Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55395
Εισαγωγή
Σκοπός της παρούσας Μεταπτυχιακής Εργασίας (ΜΕ) αποτελεί η διερεύνηση της δυνατότητας διαχωρισμού επιπλεόντων Θαλάσσιων Πλαστικών Απορριμμάτων (ΕΘΠΑ) από άλλα επιπλέοντα αντικείμενα και υλικά μέσω δορυφορικών πολυφασματικών εικόνων. Ως Επιπλέοντα Θαλάσσια Πλαστικά Απορρίμματα ορίζονται οι συγκεντρώσεις, που έχουν εισέλθει στο θαλάσσιο περιβάλλον και λόγω της μικρής πυκνότητας τους και των περιβαλλοντικών συνθηκών, βρίσκονται στην επιφάνεια της θάλασσας. Τα ΕΘΠΑ λόγω φυσικών και βιολογικών διεργασιών που συμβαίνουν στο θαλάσσιο περιβάλλον κινούνται και μεταφέρονται σε περιοχές μακριά από τον άνθρωπο όπου και δημιουργούν συγκεντρώσεις. Το γεγονός αυτό καθιστά τον εντοπισμό τους από επίγεια μέσα σχετικά δύσκολο. Σε αυτή την κατεύθυνση τα τελευταία χρόνια έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται εναέρια μέσα για τον εντοπισμό πλαστικών σε δυσπρόσιτες περιοχές, αλλά και σε παράκτιες περιοχές. Η παρούσα εργασία κλήθηκε να διερευνήσει τη δυνατότητα διαχωρισμού ΕΘΠΑ από άλλα επιπλέοντα αντικείμενα με την εφαρμογή φασματικών και χωρικών δεικτών. Η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην ανίχνευση διαφοροποιήσεων που παρουσιάζουν αντικείμενα που παρουσιάζουν συναφείς φασματικές ιδιότητες με εκείνων των ΕΘΠΑ, όπως αραιές συγκεντρώσεις πλεούμενης βλάστησης, σκάφη, οργανικά υλικά και ο αφρός.
Μεθοδολογία
Για τους σκοπούς της εργασίας χρησιμοποιήθηκε το MARIDA, το οποίο είναι ένα ανοιχτό dataset που προσφέρει τη δυνατότητα σύγκρισης και αξιολόγησης μεθόδων που αφορούν την ανίχνευση πλαστικών απορριμμάτων και άλλων στοιχείων της επιφάνειας της θάλασσας. Το MARIDA είναι δομημένο με τέτοιων τρόπο ώστε να επιτρέπει την πολύτροπη επεξεργασία και ανάλυση γεωαναφερμένων δεδομένων για την επιφάνεια της θάλασσας. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης FDI, ο οποίος αξιοποιεί την έντονη αύξηση που παρουσιάζουν τα πλαστικά στο Εγγύς Υπέρυθρο του φάσματος και ο δείκτης PI, που δημιουργήθηκε με σκοπό την ανάδειξη πλαστικών στην επιφάνεια της θάλασσας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε ο δείκτης NDVI, ο οποίος έχει ευρέως εφαρμοστεί στη Δορυφορική Τηλεπισκόπηση για την ανάδειξη της βλάστησης, καθώς εκμεταλλεύεται την διαφορά μεταξύ του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου που παρουσιάζει η βλάστηση εξαιτίας της χλωροφύλλης. Ενώ, με σκοπό την διερεύνηση της ικανότητας των δεικτών να διακρίνουν τις διαφορετικές κλάσεις και βάσει των αποτελεσμάτων του NDVI, έγιναν πειράματα και με άλλους δείκτες βλάστησης. Πιο συγκεκριμένα διερευνήθηκε ο δείκτης FAI, ο οποίος υλοποιήθηκε για την ανάδειξη των Algae στην επιφάνεια της θάλασσας. Ύστερα, εφαρμόστηκαν οι δείκτες NDWI [Normalized Difference Water Index], MNDWI [Modified Normalized Difference Water Index] και NDMI [Normalized Difference Moisture Index] τόσο σε συνδυασμό με τους FDI και NDVI όσο και μεταξύ τους. Ενώ, οι υπόλοιποι φασματικοί δείκτες που χρησιμοποιήθηκαν είναι ο BSI, o NDSII και ο SI. Ταυτόχρονα, έγινε προσπάθεια εισαγωγής της υφής για τον διαχωρισμό των διάφορων κλάσεων από τα Marine Debris, προστέθηκε, δηλαδή η υφή ως μετρήσιμο χαρακτηριστικό, το οποίο συνδυάστηκε με τους δείκτες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Έτσι, εφαρμόστηκαν οι χωρικοί δείκτες CON, DIS και HOMO, οι οποίοι εκ του αποτελέσματος παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση μεταξύ τους. Τέλος, πραγματοποιήθηκε αποθορυβοποίηση με στόχο την αφαίρεση του θορύβου από τις εικόνες, έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά να μπορούν να αναδείξουν τις οντότητες με καλύτερο τρόπο.
Συμπεράσματα
Από όλες τις παραπάνω διαδικασίες προκύπτει πως υπάρχει η δυνατότητα διαχωρισμού ΕΘΠΑ και ποικίλων χαρακτηριστικών της επιφάνειας της θάλασσας μέσω πολυφασματικών δεδομένων Sentinel-2. Οι δείκτες πλαστικών (FDI και PI) κατάφεραν τη διάκριση μεταξύ των ΕΘΠΑ και των κλάσεων του νερού, ενώ προσδίδουν και χρήσιμη πληροφορία για τη διάκριση των ΕΘΠΑ από Natural Organic Material και Foam. Οι δείκτες της βλάστησης (NDVI, FAI, EVI, NRD, NDMI) φαίνεται πως χρησιμοποιώντας τις ανακλαστικότητες στο Εγγύς Υπέρυθρο και στο Red μπορούν να βοηθήσουν στη διάκριση των ΕΘΠΑ και των Sargassum, και γενικά στη διάκριση των ΕΘΠΑ με χαρακτηριστικά που διαφοροποιούνται μαζί τους σε εκείνες τις ζώνες του φάσματος. Οι δείκτες του νερού (NDWI, MNDWI, WRI, AWEI) προσδίδουν πληροφορία για τη διάκριση των ΕΘΠΑ από τις κλάσεις του νερού, με τον NDWI να λειτουργεί καλύτερα για τις περισσότερες από αυτές. Οι χωρικοί δείκτες, από την άλλη φαίνεται να λειτουργούν αποτελεσματικά και συμπληρωματικά στην φασματική πληροφορία, με τον δείκτη αντίθεσης CON να ξεχωρίζει.
