Ποσοτική χαρτογράφηση της έντασης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με χρήση τηλεπισκοπικών τεχνικών

Από RemoteSensing Wiki

Ποσοτική χαρτογράφηση της έντασης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με χρήση τηλεπισκοπικών τεχνικών: μια νέα μέθοδος επεξεργασίας με εφαρμογή σε αστική περιοχή

Quantitative mapping of air pollution density using Earth observations: a new processing method and application to an urban area

Συγγραφείς:N. I. Sifakis, N. A. Soulakellis, D. K. Paronis

Πηγή: Int. J. Remote Sensing, Vol 19, No 17, 3289 - 3300, 1998

Στόχος Εφαρμογής

Η ατμοσφαιρική ρύπανση σε μια αστική περιοχή μπορεί να ποσοτικοποιηθεί σε όρους θολότητας κατά την ραδιομετρική σύγκριση δορυφορικών εικόνων παρόμοιας γεωμετρίας οι οποίες ελήφθησαν σε συνθήκες καθαρής και ρυπασμένης ατμόσφαιρας. Η μέθοδος αυτή ενδέχεται να οδηγήσει στη εξαγωγή εσφαλμένων συμπερασμάτων εξαιτίας προσωρινών διαφοροποιήσεων της ανακλαστικότητας του εδάφους. Η παρούσα μελέτη προτείνει την συμπληρωματική εφαρμογή της 'θερμοκρασιακής μείωσης' ως διεργασία απεξάρτησης των αποτελεσμάτων της προαναφερθείσας μεθόδου από τέτοιου είδους διαφοροποιήσεις και επομένως αυξάνει τη βεβαιότητα των εξαγόμενων συμπερασμάτων. Η εξεταζόμενη αστική περιοχή για την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου είναι η ευρύτερη περιοχή των Αθηνών, τα προβλήματα ατμοσφαιρικής ρύπανσης της οποίας είναι γνωστά.

Εναλλακτικές Μέθοδοι

Βιβλιογραφικά συναντώνται διάφορες εναλλακτικές μέθοδοι για την μελέτη της οπτικής πυκνότητας του αερολύματος με αξιοποίηση των δυνατοτήτων διαφόρων υψηλής ανάλυσης ανιχνευτών. Μεταξύ των πλέον δημοφιλέστερων μεθόδων περιλαμβάνεται οι εξής:

• μέθοδος των ωκεανών (the ocean method), η οποία εφαρμόζεται πάνω από καθαρά θαλάσσια ύδατα και χρησιμοποιεί δεδομένα του οπτικού ή υπέρυθρου φάσματος,
• μέθοδος φωτεινότητας (the brightness method), η οποία μελετά εδάφη χρησιμοποιώντας δεδομένα του ορατού φάσματος,
• μέθοδος μείωσης της αντίθεσης (the contrast-reduction method), η οποία είναι εφαρμόσιμη σε εδάφη ή συνδυασμό περιοχών εδαφών γης και υδάτινων επιφανειών,
• μέθοδος της σκοτεινής βλάστησης (the dark vegetation method) η οποία χρησιμοποιεί μακρών μηκών κύματος δεδομένα ορατού.

Για την εφαρμογή των ανωτέρω μεθόδων, πλην της μεθόδου 'ocean method', ο μελετητής θα πρέπει να συγκρίνει βάσεις οπτικών δεδομένων και να εκτιμήσει διαφοροποιήσεις των παρατηρούμενων τιμών ακτινοβολίας. Η εκτιμώμενη οπτική πυκνότητα συγκρίνεται εν συνεχεία με δεδομένα μη ρυπασμένης ατμόσφαιρας και εξάγεται ένα μοντέλο στο οποίο η πυκνότητα λαμβάνει τον ρόλο μιας γραμμικού χαρακτήρα παραμέτρου ως προς την περιεκτικότητα των σωματιδίων τα οποία συγκεντρώνονται επί της ουσίας στα κατώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας καθώς οι οπτικές επιδράσεις των αερολυμάτων πρακτικά είναι παρατηρήσιμες εντός των πρώτων χιλιομέτρων από το έδαφος.

Είδη δορυφορικών συστημάτων

Στην υπό μελέτη περιοχή, η ρύπανση οφείλεται κυρίως σε εκπομπές μεταφορικών μέσων, διαφόρων βιομηχανιών και συστημάτων οικιακής θέρμανσης. Συνεπώς, η χαρτογράφηση της γεωγραφικής κατανομής των ρυπαντών αποκλειστικά και μόνο από παρατηρήσεις του επίγειου συστήματος σταθμών ελέγχου παρουσιάζει πλήθος δυσχερειών. Στη μελέτη αυτή επελέγησαν δεδομένα του δορυφόρου Landsat-5 ανάλογα με την αντιπροσωπευτικότητα των επιπέδων ρύπανσης τα οποία κατεγράφησαν από το τοπικό δίκτυο ελέγχου. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κάθε δορυφορικής εικόνας παρουσιάζονται στον πίνακα 1.

Η 15η Αυγούστου του 1988 ήταν μια μέρα κατά την οποία επικρατούσαν συνθήκες μη ρυπασμένης ατμόσφαιρας και για τον λόγο αυτό η εικόνα η οποία ελήφθη την ημέρα αυτή θεωρείται ως εικόνα αναφοράς (η οπτική πυκνότητα θεωρείται μηδενική). Για τις υπόλοιπες μέρες, η ρύπανση κυμαίνονταν από μέσα έως υψηλά επίπεδα.

Προεπεξεργασίες εικόνων

Οι προεπεξεργασίες εφαρμόστηκαν στις αρχικές εικόνες σκοπεύοντας στην τροποποίηση αυτών ούτως ώστε να κατασταθούν ραδιομετρικά συμβατές μέσω μιας απόλυτης διαδικασίας βαθμονόμησης, μετατροπής δηλαδή των ψηφιακών αριθμών σε τιμές ακτινοβολίας. Αυτή η διαδικασία εφαρμόστηκε σε όλα τα κανάλια πλην του υπερύθρου. Ως προς το τελευταίο, δεν είναι απαραίτητη η μετατροπή των σημάτων σε απόλυτες μετρήσεις (θερμοκρασίες ακτινοβολίας επί του δορυφόρου) καθώς απαιτείται απλή τεκμηρίωση των χωρικών μεταβολών. Το δεύτερο στάδιο προεπεξεργασίας περιλαμβάνει γεωμετρικό έλεγχο και σχετική διόρθωση ούτως ώστε να είναι δυνατή η προβολή των εικόνων σε έναν τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:50,000. Στις περιπτώσεις κατά τις οποίες κρίθηκε απαραίτητο, οι εικόνες διορθώθηκαν με εφαρμογή παλινδρόμησης ελαχίστων τετραγώνων και οι τιμές των εικονοστοιχείων επανεκτιμήθηκαν μέσω του αλγορίθμου του κοντινότερου γειτονικού εικονοστοιχείου ούτως ώστε να διατηρηθεί το πρότυπο κατανομής των εικονοστοιχείων και να αποφευχθεί οποιαδήποτε επίδραση στις πρωτότυπες ραδιομετρικές τιμές. Τέλος, σημειώνεται ότι δεν εφαρμόστηκε διάταση του ιστογράμματος των εικόνων ή οιαδήποτε άλλη τεχνική ενίσχυσης της αντίθεσης.

Χρήση επιπρόσθετων χαρτών-βάσεων δεδομένων

Τα τηλεσκοπικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δεδομένα επίγειων μετρήσεων. Χρησιμοποιήθηκαν μετεωρολογικά δεδομένα, σύμφωνα με τα οποία οι τιμές της ατμοσφαιρικής πίεσης ήταν της ίδιας κλίμακας, γεγονός που επιβεβαιώνει την απουσία σημαντικών διαφορών της διασποράς κατά τις υπό μελέτη ημέρες. Επιπλέον, κατά τον έλεγχο των αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα σχετικής υγρασίας, συγκεντρώσεων διοξειδίου του θείου, μονοξειδίου του αζώτου και καπνού τα οποία ελήφθησαν από τις βάσεις δεδομένων τοπικών δικτύων ελέγχου.

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων

Η παραπάνω μέθοδος επιτρέπει τον προσδιορισμό της οπτικής πυκνότητας του αερολύματος σε αστικές και βιομηχανικές περιοχές μέσω συγκρίσεων εικόνων οι οποίες ελήφθησαν σε διαφορετικές εποχές και έτη. Σύμφωνα με την προτεινόμενη μέθοδο, η θολότητα ποσοτικοποιήθηκε ούτως ώστε να εξαχθούν οι τιμές της οπτικής πυκνότητας σκέδασης. Η διαφοροποίηση της προτεινόμενης μεθόδου από τις προηγούμενες έγκειται στο γεγονός ότι η διαφοροποίηση της μέσης ανακλαστικότητας δεν λαμβάνεται υπόψιν λόγω ελαχιστοποίησης της διαφοράς των εγγενών θερμοκρασιών ακτινοβολίας μέσω λήψης εικόνων υπό παρόμοιες συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης. Βασικό συμπέρασμα αποτελεί η παρατήρηση ότι οι περιοχές οι οποίες εμφανίζουν την υψηλότερη πυκνότητα ρύπανσης, πέραν εκείνων που βρίσκονται πλησίον σημειακών πηγών ρύπανσης, είναι επίσης αυτές οι οποίες επηρεάζονται από θαλάσσιες αύρες κατάντι της πηγής εκπομπής. Στις εικόνες 1 και 2 παρουσιάζεται η χωρική κατανομή της πυκνότητας του αερολύματος.