ΣΥΝΔΙΑΣΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΓΕΙΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ Α.Σ.
Από RemoteSensing Wiki
ΣΥΝΔΙΑΣΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΓΕΙΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ Α.Σ. ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΜΙΚΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ
Συγγραφείς: Anton Beloconi, Nikolaos Benas, Nektarios Chrysoulakis, Yiannis Kamarianakis
ΠΗΓΗ: [[1]]
ΕΙΣΑΓΩΓΉ
Η ιδιαίτερη σημασία της συγκεντρωσης αιωρούμενων σωματιδίων στην ποιότητα του αέρα των πόλεων και κατα συνέπεια στην ανθρώπινη υγεία είναι αντικείμενο έντονης ερευνητικής διαδικασίας κατα το παρελθόν. Οι υψηλές συγκεντρώσεις τόσο των μικρότερης διαμέτρου (PM2.5) όσο και των μεγαλύτερης (PM10) σωματιδίων έχουν συσχετισθεί με υψηλά ποσοστά θνησιμότητας που προκαλείται από αναπνευστικά και καρδιαγγειακά προβλήματα. Ενώ στα μεγάλα αστικά κέντρα λειτουργεί ένα αρκετά πυκνό δίκτυο επίγειων αισθητήρων συγκέντρωσης, εντούτοις μεγάλα τμηματα των πόλεων στερούνται δεδομένων λόγω της λειτουργικότητας και της χρονικής συχνότητας των εν λόγω μετρήσεων. Η τηλεπισκοπική παρατήρηση της συγκέντρωσης Α.Σ. θα μπορούσε να υπερνικήσει τον παραπάνω περιορισμό και να παρέχει ακριβή και περιοδικά στοιχεία της συγκέντρωσης και της κατανομής στον χώρο Α.Σ. μέσα σε μεγάλα αστικά συγκροτήματα. Ο συνδυασμός δε τηλεπισκοπικών δεδομένων, επίγειων μετρήσεων και αριθμητικών μοντέλων διασποράς θα ήταν η βέλτιστη προσέγγιση προς την πληρέστερη ενημέρωση και καταγραφή. Στις μέρες μας η δορυφορική μέθοδος καταγραφής της Οπτικής πυκνότητας Αιωρημάτων (AOT), με την οποία ορίζεται η αποτύπωση όλων των στερεών αιωρούμενων σωματιδίων σε μια μοναδιαία στήλη της ατμοσφαιρας, είναι η πιο διαδεδομένη διαδικασία που σχετίζεται με τον υπολογισμό συγκεντρώσεων Α.Σ. Στην παρούσα έρευνα γίνεται χρήση στατιστικών μοντέλων με χρονική και χωρική συσχέτιση για την εκτίμηση της συγκέντρωσης στην ευρύτερη περιοχή του Λονδίνου.
ΔΕΔΟΜΕΝΑ
Η περιοχή μελέτης είναι η ευρύτερη περιοχή του Λονδίνου, η οποία παρουσιάζεται με μαυρο περίγραμμα στην Εικόνα 1. Στην ίδια εικόνα εμφανίζονται οι σταθμοί επίγειας μέτρησης συγκέντρωσης Α.Σ. Επίσης στην Εικόνα 2 δίδεται ένας χάρτης χρήσεων γης της μελετώμενης περιοχής με κατηγοριοποίηση 20 διαφορετικών χρήσεων στον αστικό χώρο. Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν είναι προιόντα του αισθητήρα MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) και περιλαμβάνουν δεδομένα αιωρηματων- AOT, σχετικής υγρασίας- RHUM, επιφανειακής θερμοκρασίας- STMP και του συντελεστή Κ- KIND. Τα παραπάνω δεδομένα καλύπτουν το χρονικό εύρος των ετών 2002-2012.
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
Για την ασφαλέστερη εξαγωγή συμπερασμάτων αρχικά απαιτήθηκε η διαστάυρωση των δορυφορικών δεδομένων με τις επίγειες μετρήσεις. Για την επικύρωση των αποτελεσμάτων επιλέχθηκε ένα εικονοστοιχείο στην επιφάνεια του οποίου λειτουργεί και ένας επίγειος σταθμος μέτρησης. Για να αυξηθεί η εγκυρότητα των συγκρίσεων, η μέση ημερήσια τιμή των μετρήσεων του επίγειου σταθμού συγκρίνεται όχι μόνο με το εικονοστοιχείο στο οποίο εμπίπτει αλλά και με συνδυασμούς γειτονικών ακολουθώντας την μέθοδο του χωρικού μέσου για εύρος 13x13px. Λόγω των διαφορετικών καλύψεων γης αναμένεται η συγκέντρωση να διαφοροποιείται από περιοχή σε περιοχή. Για να συγκριθούν οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις εφαρμόστηκε η μέθοδος των άνισων δειγμάτων και έτσι προέκυψε μια μετα-ταξινόμηση των περιοχών με βάση αυτή τη φορά τις διαφορές στις παρατηρούμενες στγκεντρώσεις των σωματιδίων. Στη συνέχεια εφαρμόζεται έλεγχος συσχέτισης της χρήσης γης με την μέση μετρούμενη συγκέντρωση με βάση τον παρακάτω τύπο. log(𝑃𝑀𝑖𝑗)=𝑎0∙𝑆𝑉𝐹𝑖+𝑎𝑖∙𝐿𝑈𝐶𝑖+𝜀𝑖𝑗 Οι τιμές που εξάγονται απο την συνάρτηση στη συνέχεια υφίστατνται στατιστική παρεμβολή με την μέθοδο του kriging που δίνει μια κανονικοποιημένη γκαουσιανή πρόβλεψη για την θέση των τιμών και κάθε ενδιάμεσσης. Η ομογενοποίηση των αποτελεσμάτων, λαμβάνοντας υπόψιν την χωρική υπόσταση, συνεχίστηκε με την εκτίμηση των Μοντέλων μικτών παραμέτρων (LMM) με 2 υποπεριπτώσεις. Στην πρώτη περίπτωση το μοντέλο θεωρεί σημαντικό τον χρόνο και επιτρέπει την ανα μέρα σύγκριση των δεδομένων του δορυφόρου με τις συγκεντρώσεις Α.Σ. Σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιεί δεδομένα όλων των ημερών για να σταθεροποιήσει την παρατήρηση και την εξαγωγή αποτελέσματος. Το δεύτερο μοντέλο θεωρεί σημαντικό τον χώρο και τα αποτελέσματά του αναπαριστούν την κατανομή του φαινομαίνου στον χώρο. Κατά την δημιουργία των μοντέλων παρατηρήθηκε σαφής εποχική τάση για τις μετρώμενες συγκεντρώσεις. Έτσι κατα τον σχεδιασμό το βέλτιστο μοντέλο επιλέχθηκε για να αποφασιστεί ποιές μεταβλητές είναι τυχαίες και ποιές είναι σταθερές-εξαρτημένες.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ –ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Αρχικά εξάχθηκε σαν αποτέλεσμα η σύγκριση των τηλεπισκοπικών δεδομένων συγκέντρωσης με αυτά που μετρώνται στους επίγειους σταθμούς. Η τάση που παρατηρήθηκε είναι οτι τα δεδομένα του δορυφορικού αισθητήρα δίνουν σαν αποτέλεσμα υπερεκτιμημένες συγκεντρώσεις σε σχέση με τις επίγειες. Όμως το φαινόμενο εξαλείφεται καθώς αυξάνεται η περιοχή μελέτης. Σε γενικές γραμμές τα διαστήματα εμπιστοσύνης για τα δορυφορικά δεδομένα είναι αποδεκτά για χρήση. Όπως αναμενόταν σε κάποιες απο τις κατηγορίες κάλυψης γης έχουμε σημαντικές διαφοροποιήσεις στις μέσες τιμές της συγκέντρωσης που υπολογίστηκαν. Έτσι για να ομαδοποιηθούν καλύτερα τα αποτελέσματα οι 20 αρχικές κατηγορίες κάλυψης γης συγχωνεύθηκαν σε 6. Το αποτέλεσμα φαίνεται στην εικόνα 3. Στη συνέχεια εξάχθηκαν τα αποτελέσματα των στατιστικών μοντέλων για την αποτύπωση της χωροχρονικής κατανομής των συγκεντρώσεων. Στις εικόνες 4 και 5 παρατηρούμε την χωρική κατανομή των συγκεντρώσεων για τους 2 τύπους ρύπων με 2 διαφορετικές αναλύσεις για την κάθε περίπτωση. Αν παρατηρήσουμε τους χάρτες, ειδικά στις περιπτώσεις υψηλής ανάλυσης, παρατηρούμε οτι οι συγκεντρώσεις είναι αυξημένες στις περιοχές οπου έχουμε έντονη αστικοποίηση άρα και μεγαλύτερες εκπομπές σωματιδίων. Τα αποτελέσματα των στατιστικών μοντέλων κρίνονται επίσης ικανοποιητικά αν και στην περίπτωση του μοντέλου LMM1 η ικανότητα πρόβλεψης συγκεντρώσεων κρίνεται σαφώς καλύτερη από αυτή του μοντέλου LMM2. Στις εικόνες 6 και 7 παρατηρούμε την εκτίμηση που δίνει το μοντέλο για την συγκέντρωσει των 2 τύπων ρύπων κάνοντας χρήση όλων των συλλεγμένων δεδομένων της δεκαετίας (2002-2012). Συμπερασματικά η απόδοση των προτύπων χωρικής κατανομής των ρύπων κρίνεται ικανοποιητική βάσει και των δεδομένων που ήταν διαθέσιμα. Το θετικό είναι οτι το μοντέλο που δημιουργήθηκε θα μπορεί να ενσωματώσει και να αξιοποιήσει και τα μελλοντικά δεδομένα τηλεπισκοπικής παρατήρησης όπως αυτά του Copernicus Sentinel-3 που προσφατα τέθηκε σε τροχιά.
