Παρακολούθηση θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης σε χώρους διάθεσης αστικών στερεών αποβλήτων, μέσω δορυφορικών εικόνων Landsat
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος Τίτλος: Analysis of multi-temporal landsat satellite images for monitoring land surface temperature of municipal solid waste disposal sites.
Συγγραφείς: Wai Yeung Yan, Prathees Mahendrarajah, Ahmed Shaker, Kamil Faisal, Robin Luong, Mohamed Al-Ahmad
Λέξεις Κλειδιά: Αστικά Στερεά Απόβλητα, Χώρος Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (ΧΥΤΑ), Αέριο ΧΥΤΑ, Θερμοκρασία Επιφάνειας Γης, Πολυχρονικά Δεδομένα, Landsat, Τηλεπισκόπηση
Πηγή: Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(12):8161-73
Εισαγωγή
Οι δημοτικές αρχές είναι υπεύθυνες για την παρακολούθηση των χώρων διάθεσης αποβλήτων είτε αυτοί είναι χωματερές, είτε ΧΥΤΑ, την πρόληψη και αποτροπή πιθανών απειλών που μπορούν να επιβαρύνουν το φυσικό περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Η ανακύκλωση και η αποτέφρωση αποτελούν δύο από τις πιο κοινές μεθόδους διαχείρισης απορριμμάτων. Παρ' όλα αυτά, η πλειονότητα των αποβλήτων βρίσκεται θαμμένη στους διάφορους χώρους διάθεσης. Σε γενικές γραμμές οι ΧΥΤΑ είναι κατάλληλα σχεδιασμένοι και διαθέτουν ολοκληρωμένα συστήματα παρακολούθησης. Επειδή όμως τα συστήματα αυτά απαιτούν κατάλληλο εξοπλισμό, εγκαταστάσεις και χρόνο, η τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει μια οικονομικότερη συμπληρωματική μέθοδο παρακολούθησης.
Λαμβάνοντας υπόψη προηγούμενες έρευνες για την παρακολούθηση των χώρων διάθεσης αποβλήτων μέσω τηλεπισκοπικών τεχνικών και δεδομένων, η συγκεκριμένη μελέτη θα επικεντρωθεί στη χρήση εικόνων Landsat Thematic Mapper (TM), που λήφθηκαν από τη Γεωλογική Υπηρεσία των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS), με σκοπό την παρακολούθηση δύο γειτονικών ΧΥΤΑ στην πόλη Οτάβα, που βρίσκεται στο Οντάριο του Καναδά. Περισσότερες από 400 δορυφορικές εικόνες (Πηγή Εικόνων: USGS Earth Explorer 1) χρησιμοποιηθήκαν για την ανάλυση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης των περιοχών μελέτης, μεταξύ του 1984 και του 2011.
Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή μελέτης αποτελείται από τα 500 στρέμματα των όμορων χώρων διάθεσης μη επικίνδυνων στερεών αστικών αποβλήτων Nepean και Trail Road, που βρίσκονται στην πόλη Οτάβα στο Οντάριο του Καναδά (Εικόνα 1). Ο ΧΥΤΑ του Trail Road λειτουργεί από το 1980, ενώ ο ΧΥΤΑ στο Nepean λειτουργούσε από το 1960 έως τα τέλη του 1980. Σε άμεση γειτνίαση με την περιοχή μελέτης εντοπίζονται γεωργικές εκτάσεις, λιβάδια, δέντρα και μικρές βιομηχανικές εγκαταστάσεις.
Οι ΧΥΤΑ στο Nepean και Trail Rail λειτουργούν και διαχειρίζονται από το πρόγραμμα περιβαλλοντικής παρακολούθησης, που υπάγεται στο Υπουργείο Περιβάλλοντος του Οντάριο. Το πρόγραμμα αυτό περιλαμβάνει τη λήψη δειγμάτων από τα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα, που εμπίπτουν ή συνορεύουν με τους ΧΥΤΑ και την παρακολούθηση της συγκέντρωσης μεθανίου (CH4) στα αέρια, που παράγονται στους ΧΥΤΑ, κατά την διαδικασία αποσύνθεσης των αποβλήτων.
Μεθοδολογία
Διάγραμμα Ροής
Το διάγραμμα 1 απεικονίζει τη συνολική διαδικασία της επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων Landsat. Η ανάλυση των επεξεργασμένων εικόνων πραγματοποιήθηκε μέσω πλατφόρμας GIS (ESRI ArcGIS Version 10).
Δεδομένα Landsat
Οι εικόνες Landsat ETM+ δεν εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη, λόγω της εσφαλμένης διόρθωσης της γραμμής σάρωσης. Οι εικόνες Landsat TM που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα έχουν επτά φασματικά κανάλια:
- Φασματικό Κανάλι 1 (μπλε),
- Φασματικό Κανάλι 2 (πράσινο),
- Φασματικό Κανάλι 3 (κόκκινο),
- Φασματικό Κανάλι 4 (εγγύς υπέρυθρο),
- Φασματικό Κανάλι 5 (μικροκυματικό υπέρυθρο),
- Φασματικό Κανάλι 6 (θερμικό υπέρυθρο),
- Φασματικό Κανάλι 7 (μικροκυματικό υπέρυθρο).
Τα φασματικά κανάλια 1 έως 5 έχουν διακριτική ικανότητα 30μ, ενώ το θερμικό κανάλι 6 έχει 60μ.
Αναλυτικότερα, 465 δορυφορικές εικόνες διατέθηκαν ορθοδιορθωμένες από την Γεωλογική Υπηρεσία των Ηνωμένων Πολιτειών (USGS) σε UTM 17N σύστημα συντεταγμένων και WGS84 σύστημα αναφοράς. Από αυτές, οι 83 ήταν λάθος γεωαναφερμένες και οι 139 δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν λόγω των ατμοσφαιρικών τους συνθηκών (νέφος και χίονι). Τελικά, στη συγκεκριμένη έρευνα χρησιμοποιήθηκαν 81 φωτογραφίες (Πίνακας 1).
Επεξεργασία Εικόνων Landsat
Σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο της απόλυτης ατμοσφαιρικής διόρθωσης ATCOR2 (Ατμοσφαιρική Διόρθωση και Μείωση Θολότητας) σε όλα τα φασματικά κανάλια του Landsat. Οι εικόνες 2 και 3 αποτελούν παραδείγματα πολυχρονικών δορυφορικών απεικονίσεων Landsat και παραγωγής θερμοκρασίας στην επιφάνεια της γης κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, αντίστοιχα.
 Εικόνα 2 Πολυχρονικές δορυφορικές απεικονίσεις Landsat χώρου διάθεσης αστικών στερεών αποβλήτων. |
 Εικόνα 3 Παραγωγή θερμοκρασίας στην επιφάνεια της γης σε χώρο διάθεσης αστικών στερεών αποβλήτων. |
Αποτελέσματα και Ανάλυση
Αποτελέσματα για τη Θερμοκρασία της Επιφάνειας της Γης
Στο διάγραμμα 2 παρουσιάζεται η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης του ΧΥΤΑ (κόκκινη γραμμή) και της γύρω βλάστησης (πράσινη γραμμή), όπως αυτή εντοπίστηκε από τις εικόνες Landsat, και η θερμοκρασία του αέρα (μπλε γραμμή), όπως αυτή λήφθηκε από τον κοντινό μετεωρολογικό σταθμό, για την χρονική περίοδο 1984 έως 2011. Η διαφορά στη θερμοκρασία μεταβάλλεται σε σχέση με την εποχή. Οι υψηλότερες τιμές παρουσιάστηκαν κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού στο ΧΥΤΑ.
Στο διάγραμμα 3 παρουσιάζεται συνοπτικά η μέση διαφορά θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης του ΧΥΤΑ και της γύρω βλάστησης και συσχετίζεται με την θερμοκρασία της επιφάνειας της γης του ΧΥΤΑ και του αέρα, σύμφωνα με τις τρεις εξεταζόμενες εποχές.
 Διάγραμμα 2 Η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης του ΧΥΤΑ και της γύρω βλάστησης (εικόνες Landsat) και η αντίστοιχη θερμοκρασία του αέρα μεταξύ των ετών 1984 και 2011. |
 Διάγραμμα 3 Μέση διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμοκρασίας της επιφάνειας του ΧΥΤΑ και της γύρω βλάστησης και μεταξύ της θερμοκρασίας της επιφάνειας του ΧΥΤΑ και του αέρα. |
Αποτελέσματα για τη Θερμοκρασία της Επιφάνειας της Γης μεταξύ του Ενεργού ΧΥΤΑ (Trail Road) και του Κλειστού ΧΥΤΑ (Nepean)
Στο διάγραμμα 4 παρουσιάζεται η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης των δύο ΧΥΤΑ για την χρονική περίοδο 1984 - 2011. Σε γενικές γραμμές ο ανοιχτός XYTA Trail Road εμφανίζει υψηλότερες θερμοκρασίες από τον κλειστό ΧΥΤΑ Nepean. Σε συγκεκριμένες χρονικές περιόδους η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ των δύο ΧΥΤΑ μεγαλώνει.
Αποτελέσματα για τη Θερμοκρασία της Επιφάνειας της Γης μεταξύ των Καλυμμένων και Ανοιχτών Κυττάρων του Ενεργού ΧΥΤΑ (Trail Road)
Στο διάγραμμα 5 απεικονίζονται οι θερμοκρασίες που καταγράφηκαν στα καλυμμένα (στάδια 1,2) και ανοιχτά (στάδια 3,4) κύτταρα του ενεργού ΧΥΤΑ. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα απόβλητα των ανοιχτών (στάδια 3,4) κυττάρων παρουσίαζαν μεγαλύτερη θερμοκρασία στην επιφάνεια της γης, ανεξαρτήτως της εποχής.
Συμπεράσματα
Υπάρχουν αρκετοί λόγοι που να εξηγούν τη διακύμανση της θερμοκρασίας της επιφάνειας της γης στους Χώρους Υγειονομικής Ταφής, αλλά ο βασικότερος είναι η διαδικασία της βιοαποικοδόμησης. Η βιομηχανική αντίδραση της αναερόβιας ή αερόβιας χώνευσης ξεκινά μόλις τα απόβλητα απορριφθούν στο χώρο διάθεσης. Κατά τη διάρκεια της αερόβιας χώνευσης παράγονται υψηλές θερμοκρασίες, ενώ κατά τη αναερόβια χώνευση παράγεται αέριο με υψηλή περιεκτικότητα σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Η θερμοκρασία που παράγεται από τη βιοαποικοδόμηση των αποβλήτων αποτυπώνεται στο θερμικό υπέρυθρο κανάλι των εικόνων Landsat, ωστόσο επηρεάζεται από τη θερμική απορρόφηση και εκπομπή που παράγεται από τη γύρω βλάστηση και το έδαφος.
Σύμφωνα με τα ευρήματα της έρευνας αυτής, η Τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει ένα αξιόπιστο εργαλείο παρακολούθησης χώρων διάθεσης αποβλήτων. Η παρούσα μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό ύποπτων ή μη αδειοδοτημένων χώρων διάθεσης αποβλήτων. Τέλος, η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ ενός ΧΥΤΑ και του περιβάλλοντα του χώρου πρέπει να είναι ελάχιστη, όταν ο ΧΥΤΑ έχει σταθεροποιηθεί και η διαδικασία αποσύνθεσης έχει λήξει.
