Τηλεπισκόπηση ενεργειακών πόρων
Από RemoteSensing Wiki
Author: Floyd F. Sabins
Η τηλεπισκόπηση ορίζεται ως η επιστήμη της καταγραφής, επεξεργασίας και ερμηνείας των εικόνων από τους δορυφόρους και τα αεροσκάφη, καταγράφοντας την αλληλεπίδραση μεταξύ της ύλης και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι εικόνες αυτές κατανέμονται σε τρία διαστήματα μήκους κύματος, ή περιοχές, του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η ορατή περιοχή, με μήκη κύματος από 0.4 έως 0,7 μm και η υπέρυθρη περιοχή (IR), η οποία κυμαίνεται από 0,7 έως 30 μm και διαιρείται στο ανακλώμενο και το θερμικό τμήμα. Το ανακλώμενο τμήμα IR, εμφανίζει μήκη κύματος από 0,7 έως 3 μm με την ενέργεια να είναι κυρίως ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία, ενώ το θερμικό τμήμα IR κυμαίνεται από 3 μm έως 15 μm με ακτινοβολούμενη ή θερμική ενέργεια.
Το σύστημα δορυφόρων Landsat καθώς και άλλα δορυφορικά συστήματα καταγράφουν χρήσιμες εικόνες στις περιοχές της ορατής και ανακλώμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας. Οι εικόνες της θερμικής IR περιοχής δίνουν τη δυνατότητα εξερεύνησης των κοιτασμάτων πετρελαίου σε άνυδρες και άγονες εκτάσεις. Εντούτοις, η μέθοδος αυτή δεν χρησιμοποιούταν ευρέως μέχρι πρόσφατα, εξαιτίας της έλλειψης των κατάλληλων εικόνων.
Η τηλεπισκόπηση είναι μια γρήγορα εξελισσόμενη επιστήμη, με την εμφάνιση των νέων συστημάτων απεικόνισης να συντελεί στην περαιτέρω διερεύνησή της σε ποικίλους τομείς της τεχνολογίας. Πρωταρχική πηγή πληροφοριών για την δυναμική αυτή επιστήμη είναι ο Παγκόσμιος Ιστός.
Η σημαντικότερη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στον τομέα της ενέργειας, αφορά την εξερεύνηση των κοιτασμάτων πετρελαίου και, σε μικρότερη έκταση, την αξιολόγηση της περιβαλλοντικής επίδρασης των διαδικασιών που σχετίζονται με καύσιμο αυτό. Τα δύο ευρύτερα και επιτυχώς χρησιμοποιημένα συστήματα τηλεπισκόπησης για τη συγκεκριμένη εφαρμογή είναι το δορυφορικό σύστημα Landsat και το ραντάρ.
Ο δορυφόρος Landsat είναι ένας ανεπάνδρωτος δορυφόρος της NASA ο οποίος κινείται γύρω από τη γη σε ύψος 705 km, κάνοντας μια πλήρη περιστροφή σε διάστημα 16 ημερών. Οι δορυφόροι δεύτερης γενιάς Landsat 4 και 5 φέρουν το σύστημα thematic mapper (TM), το οποίο αποτελείται από έναν πολυφασματικό σαρωτή που καταγράφει εικόνες σε επτά ξεχωριστά διαστήματα μήκους κύματος, ή κανάλια, για κάθε σκηνή. Τα κανάλια 1 έως 3 καταγράφουν μπλε, πράσινο, και κόκκινο φως αντίστοιχα. Τα κανάλια 4, 5, και 7 καταγράφουν ανακλώμενη υπέρυθρη ακτινοβολία, ενώ το κανάλι 6 καταγράφει τη θερμική ενέργεια IR, αλλά χρησιμοποιείται σπάνια για εξερεύνηση.
Στο σχήμα 1 φαίνονται τα φάσματα αντανάκλασης της βλάστησης και των κοινών ιζηματωδών βράχων μαζί με τα μήκη κύματος που καταγράφονται από τις ζώνες του TM. Τα φάσματα των διαφορετικών βράχων είναι παρόμοια στις ορατές ζώνες, αλλά παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στις ζώνες ανακλώμενης IR. Επομένως, τα κανάλια 4, 5 και 7 είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για τη χαρτογράφηση των διαφορετικών τύπων βράχων.
Μια εναλλακτική τεχνολογία τηλεπισκόπησης, η οποία παρατίθεται στο σχήμα 2, είναι το ραντάρ. Παλμοί ενέργειας μικροκυμάτων, με μήκη κύματος της τάξης από μερικά μικρόμετρα έως και κάποιες δεκάδες αυτών, κατευθύνονται στο έδαφος μέσω μιας σταθερής κεραίας τοποθετημένης σε ένα αεροσκάφος ή σε έναν δορυφόρο. Κάθε παλμός αντιστοιχεί σε μια στενή λωρίδα, ή γραμμή ανίχνευσης του εδάφους. Η γωνία κατάθλιψης (depression angle, γ) μετριέται μεταξύ του ορίζοντα και του κέντρου του παλμού . Στο σχήμα 2 απεικονίζεται μια απλή γραμμή ανίχνευσης, όπου η προκύπτουσα ενέργεια αλληλεπιδρά με το έδαφος και επιστρέφει στο σύστημα του ραντάρ, το οποίο καταγράφει τα στοιχεία. Τρία χαρακτηριστικά του εδάφους καθορίζουν την έντασης της επιστροφής του ραντάρ:
1.Η διηλεκτρική σταθερά, η οποία είναι κατά ένα μεγάλο μέρος συνάρτηση της περιεκτικότητας σε υγρασία.
2.Η τραχύτητα επιφάνειας σε κλίμακα εκατοστόμετρων. Οι ομαλές επιφάνειες, όπως το ήρεμο νερό, έχουν σκοτεινά χαρακτηριστικά σήματα εκπομπής σε αντίθεση με τις τραχιές επιφάνειες, όπως τα δάση και το αμμοχάλικο που εμφανίζουν φωτεινά σήματα.
3.Η τοπογραφία της περιοχής, σε κλίμακα μέτρων ή χιλιομέτρων. Οι κλίσεις της επιφάνειας προς τη κεραία του ραντάρ αντιστοιχούν σε φωτεινά σήματα, ενώ οι κλίσεις μακριά από την κεραία αντιστοιχούν σε σκοτεινά σήματα.
Οι εικόνες μέσω ραντάρ εμφανίζουν δύο σημαντικά πλεονεκτήματα απέναντι στις εικόνες ορατής και ανακλώμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας της τεχνολογίας δορυφόρων Landsat. Επειδή το ραντάρ είναι ένα ενεργό σύστημα το οποίο παράγει την απαιτούμενη ενέργεια, οι εικόνες μπορούν να καταγραφούν ημέρα ή νύχτα ακόμη και μέσω νεφώσεων, βροχής και ομίχλης. Οι εικόνες ραντάρ από αεροσκάφη, λαμβάνονται με γωνία κατάθλιψης της τάξης των 20ο ή και μικρότερη, πράγμα το οποίο συνεπάγεται έντονα φωτεινά και σκοτεινά σήματα των τοπογραφικών και γεωλογικών γνωρισμάτων της περιοχής. Η χωρική ανάλυση των εικόνων των σύγχρονων ραντάρ συνθετικών ανοιγμάτων (SAR) κυμαίνεται από μερικά μέτρα έως και κάποιες δεκάδες αυτών, ακόμα και για ύψη που αντιστοιχούν στους δορυφόρους.
Η βασικότερη ενεργειακή εφαρμογή της τηλεπισκόπησης είναι η εξερεύνηση των κοιτασμάτων πετρελαίου. Κατά τα πρώτα στάδια της συγκεκριμένης εφαρμογής, οι εικόνες χρησιμοποιούνται για να αποτυπώσουν το περίγραμμα των ιζηματωδών λεκανών καθώς και τις πιθανές προοπτικές διάτρησης. Οι δύο πιο αντιπροσωπευτικές περιπτώσεις τηλεπισκόπησης οι οποίες διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο στις ανακάλυψη μεγάλων κοιτασμάτων πετρελαίου αφορούν την τοποθεσία Παπούα στη Νέα Γουινέα, και την Κεντρική Αραβία. Η τοπογραφία των περιοχών αυτών εμφανίζει σημαντικές διαφορές, μιας και, η μεν πρώτη καλύπτεται από τροπικό δάσος με πολύπλοκη γεωλογία, η δε δεύτερη είναι μια έρημος με σχετικά απλή γεωλογική μορφή. Η καταγραφή των εικόνων στην εφαρμογή της Νέας Γουινέας επιλέχθηκε να γίνει μέσω της τεχνολογίας των ραντάρ. Στο σχήμα 3 (α) φαίνεται η εικόνα που καταγράφηκε μέσω ραντάρ για την περιοχή της λίμνης Kutubu, ενώ στο σχήμα 3 (β) παρατίθεται η γεωλογική ερμηνεία της συγκεκριμένης εικόνας. Το έδαφος αποτελείται από αντίκλινα που τείνουν βορειοδυτικά καθώς και ρήγματα τα οποία σχηματίζουν τοπογραφικές κορυφογραμμές και αναχώματα.
Η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης για την περίπτωση της Κεντρικής Αραβίας έγινε μέσω της χρήσης δορυφορικών εικόνων Landsat ΤΜ στα κανάλια 4, 5 και 7, τα οποία συνδυάστηκαν σε μπλε, πράσινο και κόκκινο για την παραγωγή έγχρωμων εικόνων που ερμηνεύτηκαν με σκοπό την δημιουργία γεωλογικών χαρτών με κλίμακα 1:250000. Στο σχήμα 4 (α) φαίνεται η δορυφορική εικόνα ΤΜ της περιοχής Raghib, η οποία βρίσκεται 110 km νοτιοανατολικά του Riyadh της Κεντρικής Αραβίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι η συγκεκριμένη ασπρόμαυρη εκδοχή παρέχει σημαντικά λιγότερες πληροφορίες από ότι η έγχρωμη φωτογραφία που επιλέχθηκε για την γεωλογική ερμηνεία, η οποία παρουσιάζεται στο σχήμα 4 (β). Οι τοξοειδής απότομες πλαγιές σχηματίζουν μια ανώμαλη τοπογραφική κατάθλιψη που καλύπτεται από τη μεταφερόμενη μέσω του ανέμου άμμο.
Οι υπεράκτιες διαρροές πετρελαίου προκαλούνται κυρίως από ατυχήματα σε δεξαμενόπλοια και σε μικρότερο βαθμό από τις δραστηριότητες γεώτρησης και παραγωγής. Οι περιβαλλοντικές εφαρμογές της τηλεπισκόπησης αφορούν την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων καθώς και τον έλεγχο και την παρακολούθηση των διαδικασιών καθαρισμού. Στο σχήμα 5 φαίνονται οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του πετρελαίου και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για τις εξής περιοχές μήκους κύματος:
- Υπεριώδης (UV)
- Ορατή και ανακλώμενη υπέρυθρη
- Θερμική υπέρυθρη
- Ενέργεια ραντάρ
Οι εικόνες υπεριώδους ακτινοβολίας είναι η πιο ευαίσθητη μέθοδος τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση διαρροών πετρελαίου μιας και μπορεί να ανιχνεύσει λεπτά στρώματα με πάχος έως και 0,15 μm.
