Σχεδιασμός αλγορίθμου για υπερφασματική τηλεπισκόπηση επιπλεόντων στην θάλασσα μακροπλαστικών
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς
Goddijn-Murphy L., Peters S., van Sebille E., James A. N. και Gibb S. (2018)
Η ρύπανση από θαλάσσια πλαστικά απορρίμματα αποτελεί παγκόσμιο περιβαλλοντικό πρόβλημα αυξημένης ανησυχίας. Η παγκόσμια παραγωγή πλαστικών αυξάνεται ετησίως, εκτιμώντας ότι 4,8 έως 12,7 εκατομμύρια μετρικών τόνων πλαστικού εισέρχονται στους ωκεανούς κάθε χρόνο, αποτελώντας απειλή για θαλασσοπούλια, ψάρια, χελώνες και θαλάσσια θηλαστικά. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμα αρκετά ερωτήματα για τις πηγές, τις διόδους και τα πρότυπα αφθονίας των θαλάσσιων πλαστικών απορριμμάτων, των επιπτώσεών τους στον άνθρωπο και τη θαλάσσια ζωή, καθώς και της αποτελεσματικότητας εκστρατειών καθαρισμού. Έχουν εκπονηθεί μικρής κλίμακας μελέτες, ωστόσο μακροπρόθεσμη και μεγάλης κλίμακας παρακολούθηση δεν έχει ακόμη πραγματοποιηθεί. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν τη δυνατότητα να προσφέρουν μακροπρόθεσμη, παγκόσμια παρακολούθηση των επιπλεόντων θαλάσσιων πλαστικών, αλλά τέτοια εγχειρήματα παραμένουν στην αφάνεια.
Μία πιθανή μέθοδος τηλεπισκόπησης για τα θαλάσσια επιπλέοντα πλαστικά απορρίμματα στο ανώτερο στρώμα της θαλάσσιας επιφάνειας, βασίζεται στη γεωμετρική οπτική και τις φασματικές υπογραφές των πλαστικών και του θαλασσινού νερού. Αντικείμενο αυτής της μεθόδου είναι εύρεση της επιφανειακής μάζας επιπλεόντων πλαστικών στην επιφάνεια της θάλασσας μέσω της μετρούμενης ανακλαστικότητας του φυσικού φωτός της ημέρας στην ατμόσφαιρα. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη φασματική υπογραφή των μακροπλαστικών στο ορατό (VIS) και μέσο υπέρυθρο (SWIR) φάσμα που περιέγραψε ο Anser (2016). Το ορατό φάσμα κυμαίνεται μεταξύ 400 και 780 nm, το μέσο υπέρυθρο από 1.1 έως 3 μm και το εγγύς υπέρυθρο (NIR) παίρνει τις ενδιάμεσες τιμές μήκους κύματος.
Τέτοιου είδους εγχειρήματα διαλεύκανσης των ερωτημάτων που υπάρχουν γύρω από τα θαλάσσια πλαστικά απορρίμματα παρουσιάζουν δυσκολίες λόγων των πολλών διαφορετικών τύπων πλαστικών που συναντώνται στη θάλασσα, τα οποία ποικίλουν σε μέγεθος (μικροπλαστικά-μακροπλαστικά), τύπο επικινδυνότητας (τοξικότητα, παγίδευση), πηγή προέλευσης (πρωτογενή και δευτερογενή μικροπλαστικά), σύσταση πολυμερών, σχήμα κλπ. Τα δευτερογενή μικροπλαστικά προέρχονται από τη διάσπαση των μακροπλαστικών και εκτιμάται ότι θα αποτελέσουν την κυριότερη πηγή μικροπλαστικών, διότι λόγω λήψης μέτρων τα πρωτογενή μικροπλαστικά θα μειωθούν. Εντούτοις, οι μελέτες μικροπλαστικών με τη χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης αφορούν και τα δευτερογενή μικροπλαστικά. Επιπλέον, σε αντίθεση με τα μικροπλαστικά, τα μακροπλαστικά που ανιχνεύονται με μεθόδους τηλεπισκόπησης, μπορούν δυνητικά να αφαιρεθούν από τη θάλασσα.
Τα πλαστικά αντικείμενα στην επιφάνεια του νερού «ελέγχουν» την ακτινοβολία που ανακλάται από την επιφάνεια, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1. Οι διαφορετικές διαδρομές που απεικονίζονται στην Εικόνα 1, εξηγούν γιατί η μέτρηση των θαλάσσιων πλαστικών είναι διαφορετική από την ανάκτηση των συγκεντρώσεων των οπτικά ενεργών στοιχείων του νερού διαμέσου των ιδιοτήτων φασματικής σκέδασης και απορρόφησης αυτών. Το χρησιμοποιούμενο μαθηματικό μοντέλο θα πρέπει να περιλαμβάνει την μεταφορά ακτινοβολίας από το ίδιο το νερό, καθώς και την αλληλεπίδραση του φωτός με τα πλαστικά στην επιφάνεια του νερού με διαφορετικές οπτικές ιδιότητες (π.χ. χρώμα, διαφάνεια και σχήμα). Το μαθηματικό μοντέλο που προτείνεται στο παρόν άρθρο μπορεί να βοηθήσει στην επιλογή του βέλτιστου μήκους κύματος, στο σχεδιασμό πειραμάτων και στην ανάπτυξη αλγορίθμου για τηλεπισκοπική ανίχνευση των θαλάσσιων πλαστικών.
Κύρια λογική του παρόντος μαθηματικού μοντέλου οπτικής ανακλαστικότητας είναι ότι εάν υπολογίσουμε την ανακλαστικότητα της καθαρής θαλάσσιας επιφάνειας μέσω τηλεπισκόπησης, και της επιφάνειας του πλαστικού, τότε μπορούμε να εκτιμήσουμε το κλάσμα της πλαστικής επιφάνειας μέσω μετρήσεων στον αέρα. Μπορούμε να προσδιορίσουμε την ανακλαστικότητα της επιφάνειας του νερού εάν ο τύπος νερού είναι γνωστός και την επιφάνεια του πλαστικού, μέσω επιτόπιων μετρήσεων ανακλαστικότητας (με σπεκτόμετρο κλπ).
Για την παραγωγή του μαθηματικού μοντέλου αυτού ήταν απαραίτητες διαφορετικές προσεγγίσεις. Αρχικά, το προτεινόμενο μοντέλο ανακλαστικότητας είναι για ένα τύπο πλαστικού με δύο διαστάσεις, όπως μία ομαλή επίπεδη επιφάνεια με συγκεκριμένες φυσικές και οπτικές ιδιότητες, ενώ στην πραγματικότητα τα θαλάσσια πλαστικά απορρίμματα έχουν διαφόρων ειδών σχήματα και χημική σύσταση. Στην πραγματικότητα, ένα πλαστικό αντικείμενο έχει τρεις διαστάσεις και μπορεί να ανακλάσει το φως πίσω προς τον αισθητήρα, ειδικά όταν κινείται λόγω των κυμάτων της θάλασσας. Επίσης, εάν τα σχήματα τριών διαστάσεων αλλάξουν το φωτεινό περιβάλλον κοντά στην επιφάνεια της θάλασσας, μπορεί να επηρεάσουν και το ένα την ανακλαστικότητα του άλλου. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ανακλαστικότητα του πλαστικού εξαρτάται επίσης από την πυκνότητα του πλαστικού. Μία πλαστική επιφάνεια δεν είναι συνήθως μόνο ένα κατοπτρικός ανακλαστήρας, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 1 (ομαλή επιφάνεια), αλλά μπορεί να ανακλά το φως σε περισσότερες από μία κατευθύνσεις (τραχιά επιφάνεια), γνωστή ως διάχυτη ανάκλαση ενισχύοντας έτσι την πυκνότητα του πλαστικού. Περιπλέκοντας ακόμα περισσότερο τα πράγματα, εάν η επιφάνεια του πλαστικού είναι υγρή, το νερό μπορεί να γεμίσει τα κενά και να εξομαλύνει την επιφάνεια μειώνοντας έτσι τη διάχυτη ανάκλαση. Επιπλέον, το νερό απορροφά ισχυρά τα μήκη κύματος στο υπέρυθρο και ένα λεπτό στρώμα νερού μπορεί να μειώσει περαιτέρω το σήμα σε αυτά τα μήκη κύματος.
Μία επιπλέον πρόκληση προσαρμογής των μαθηματικών υπολογισμών του συγκεκριμένου μοντέλου, είναι η μίξη διαφορετικών τύπων πλαστικού και του πως αλληλεπιδρούν με το φως στο μήκος κύματος που μας ενδιαφέρει, καθώς και πως τα διαφορετικά σήματα μπορούν να συνδυαστούν.
Τα θαλάσσια πλαστικά απορρίμματα που έχουν περάσει κάποιο διάστημα στον ωκεανό συνήθως δεν έχουν καθαρή επιφάνεια, αλλά πάνω σε αυτή μαζεύονται διάφοροι θαλάσσιοι οργανισμοί, όπως φύκη. Τέτοιοι οργανισμοί μπορεί να βυθίσουν ένα πλαστικό αντικείμενο κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας, κρύβοντας το, ή μπορεί να επηρεάσουν την ανακλαστικότητά του, καθώς οι θαλάσσιοι φυτικοί οργανισμοί περιέχουν χλωροφύλλη η οποία απορροφά γύρω στα 672-680 nm.Τα περισσότερα φύκη έχουν χαμηλή ανακλαστικότητα στο ορατό φάσμα και υψηλή στο εγγύς υπέρυθρο, επομένως ο αλγόριθμος για την εφαρμογή τηλεπισκόπησης στα θαλάσσια απορρίμματα θα πρέπει να επιλέξει μήκη κύματος στο υπέρυθρο παρά στο ορατό φάσμα, για παράδειγμα κοντά στα 750 nm.
Θεωρητικά, η παρούσα μέθοδος γεωμετρικής οπτικής μπορεί να εφαρμοστεί σε αντικείμενα των οποίων οι διαστάσεις είναι μεγαλύτερες από μερικά μήκη κύματος ακτινοβολίας (στην κλίμαμα των μικρόμετρων στο VIS-SWIR φάσμα) συμπεριλαμβάνοντας έτσι μικροπλαστικά, αλλά σωματίδια τόσο μικρά που μπορούν γρήγορα να αφαιρεθούν από την επιφάνεια της θάλασσας. Για τη συμπλήρωση αυτής της προσέγγισης, η οποία έλαβε υπόψη το μέγεθος των πλαστικών, περαιτέρω μελέτες για τη σύσταση των πλαστικών είναι απαραίτητες προκειμένου να λάβουμε πλήρη εικόνα της θαλάσσιας ρύπανσης από πλαστικά.
