Τηλεπισκόπιση, φυσικοί κίνδυνοι και η συμβολή των δορυφορικών αποστολών της ESA.
Από RemoteSensing Wiki
Τηλεπισκόπιση, φυσικοί κίνδυνοι και η συμβολή των δορυφορικών αποστολών της ESA.
Remote Sensing, natural hazards and the contribution of ESA Sentinels Missions. (2017)[1]
Συγγραφείς: Dimitris Poursanidis and Nektarios Chrysoulakis
Οι φυσικοί κίνδυνοι όπως οι πυρκαγιές, οι πλημμύρες, οι καύσωνες και οι γεωλογικοί κίνδυνοι (κατολισθήσεις, τσουνάμι και διαβρώσεις εδάφους) είναι φαινόμενα με μεγάλες χωρικές διαστάσεις και επιπτώσεις. Η χαρτογράφηση και η παρακολούθησή τους μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο με τη χρήση της τεχνολογίας της δορυφορικής τηλεπισκόπισης. Τα δεδομένα της οπτικής τηλεπισκόπισης από τους αισθητήρες MODIS, Landsat, Aster, SPOT, IKONOS, WorldView και άλλους έχουν εκτεταμένα χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση των κινδύνων και τον προσδιορισμό των ορίων των περιοχών που έχουν επηρεαστεί όπως και στην υποστήριξη της φάσης αποκατάστασής τους. Όταν οι καιρικές συνθήκες εμποδίζουν τους οπτικούς δορυφόρους να συλλέξουν δεδομένα, τότε χρησιμοποιούνται οι δορυφόροι Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (SAR) για την ακριβή και γρήγορη αναγνώριση της επηρεαζόμενη περιοχής. Οι δορυφόροι Ραντάρ είναι λειτουργικοί για την απεικόνιση περιοχών που καλύπτονται από σύννεφα σε περιπτώσεις πλημμυρών ή στην περίπτωση πυρκαγιών όταν η υπό μελέτη περιοχή έχει καλυφθεί από καπνό ή κατά τη διάρκεια της νύχτας αφού χρησιμοποιούν παλμούς μικροκυμάτων σε διαφορετικά μήκη κύματος. Και τα οπτικά δεδομένα και τα δεδομένα από τα ραντάρ μπορεί να συγκεντρωθούν και από αεροπλάνα και μη επανδρωμένα αέρια οχήματα, όμως η χρήση των δορυφορικών δεδομένων πλεονεκτούν στο ότι προσφέρουν μεγάλη κάλυψη της περιοχής και έχουν χαμηλό κόστος.
Πυρκαγιές Οι πιο κοινά χρησιμοποιούμενοι δορυφόροι στην χαρτογράφηση και την παρακολούθηση των πυρκαγιών είναι οι MODIS, Landsat, Aster, SPOT και WorldView II. Επιπλέον, έχουν χρησιμοποιηθεί δεδομένα ραντάρ από τους δορυφόρους ALOS PALSAR, Radarsat-2, ERS-2, Envisat ASAR, COSMO-SkyMed και TerraSAR – X. Η συνέργεια μεταξύ των δεδομένων οπτικών δορυφορικών αισθητήρων όπως είναι ο MODIS και ο Landsat αποτελεί μια καινοτομία για να αυξηθεί η ακρίβεια της χαρτογράφησης πυρκαγιών αλλά και να επαληθευτούν τα προϊόντα απεικονίσεων χαμηλής ανάλυσης από δεδομένα απεικονίσεων υψηλής ανάλυσης. Αυτό θα γίνει αποτελεσματικό μετά τη διαθεσιμότητα των δορυφόρων Sentinel 2 ( 2 δορυφόροι - 2Α και 2Β –σε τροχιά) με χρόνο επανάληψης 5 ημέρες και χωρική ανάλυση 10 μέτρα στο οπτικό φάσμα.
Ο αισθητήρας MODIS έχει σχεδιαστεί για την παρακολούθηση φυσικών και βιολογικών διαδικασιών στη γη με καθημερινή ή ανά δύο ημέρες κάλυψη της απεικόνισης της γης, αποκτά δεδομένα από 36 φασματικά κανάλια από το ορατό μέχρι το θερμικό υπέρυθρο με χωρική ανάλυση 250μ. μέχρι 1 χιλιόμετρο και έχει σχεδιαστεί να έχει χρόνο ζωής 6 χρόνια. Δύο δορυφόροι της ΝΑSΑ, οι Terra και Aqua, είναι εξοπλισμένοι με αισθητήρες MODIS. Ο καθένας περνάει από την ίδια περιοχή σε διαφορετικές χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια της ημέρας και έτσι απεικονίζουν 2 φορές την ημέρα την ίδια περιοχή. Για την ανίχνευση της φωτιάς, ο αισθητήρας MODIS διαθέτει το προϊόν MOD14 μέσω του οποίου ανιχνεύονται οι θερμικές ανωμαλίες που οφείλονται κυρίως σε φωτιές και την καύση βιομάζας και με αυτό τον τρόπο μπορεί να γίνει η χαρτογράφηση των καμένων εκτάσεων. Το προϊόν MOD14 έχει χωρική ανάλυση 1 χιλιόμετρο γεγονός που είναι ανέφικτο να καλύψει περιπτώσεις μικρών φωτιών. Επιπρόσθετα, δεν μπορεί να διακρίνει μη καμένες εκτάσεις μέσα στο οριοθετημένο πολύγωνο φωτιάς. Όμως, σημαντικό πλεονέκτημα είναι ο πολύ συχνός χρόνος παρατήρησης. Ο αισθητήρας MODIS που βρίσκεται στον δορυφόρο Aqua αποκτά δεδομένα δύο φορές την ημέρα, το ίδιο και ο αισθητήρας MODIS που βρίσκεται στον δορυφόρο Terra. Κατά συνέπεια, τέσσερις καθημερινές παρατηρήσεις για τη διαπίστωση ύπαρξης φωτιάς είναι διαθέσιμες. Ο αισθητήρας Landsat είναι το περισσότερο μακροχρόνιο πρόγραμμα (από το 1972) για την απόκτηση δορυφορικών απεικονίσεων της γης. Τα δεδομένα έχουν χωρική ανάλυση 30μέτρα, 11 φασματικά κανάλια και χρόνο παρατήρησης της γης 16 ημέρες. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την παρακολούθηση των επιπτώσεων των πυρκαγιών, την αναγέννηση της βλάστησης και για την καταγραφή ιστορικών πυρκαγιών. Η χρήση του δορυφορικού αισθητήρα ASTER έχει περιορισμένη χρήση εξαιτίας του σχεδιασμού του που δεν επιτρέπει την αποθήκευση εικόνων με συστηματικό τρόπο και ο χρήστης θα πρέπει να αιτηθεί την απόκτηση μιας απεικόνισης συγκεκριμένης μέρας και χρόνου. Οι απεικονίσεις MODIS, LANDSAT και ASTER είναι διαθέσιμες δωρεάν για χρήση από την επιστημονική κοινότητα και από την βιομηχανία. Η χρήση των απεικονίσεων SPOT είναι περιορισμένη εξαιτίας του μικρού μεγέθους της σκηνής (60*60km) σε σχέση με τη σκηνή του Landsat (170*185km).
Επίσης, το κόστος απόκτησης των απεικονίσεων, με σκοπό την παρακολούθηση πυρκαγιών, είναι υψηλό. Τα υψηλής ανάλυσης δεδομένα των δορυφόρων IKONOS, QUICKBIRD, WorldView II, III έχουν περιορισμένη χρήση εξαιτίας του υψηλού κόστους απόκτησής τους. Ύστερα από την εκδήλωση μιας φωτιάς, η απαίτηση από τις αρχές είναι η χαρτογράφηση των περιοχών που έχουν επηρεαστεί ώστε να γίνει η εκτίμηση του προβλήματος και να αποφασιστούν τα μέτρα αποκατάστασης. Πολλές προσεγγίσεις έχουν πραγματοποιηθεί για το σκοπό αυτό τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιούνται οι τεχνικές της επιβλεπόμενης ταξινόμησης σε συνδυασμό με αλγόριθμους και ο υπολογισμός δεικτών (Normalized Burn Ratio και differenced Normalized Burn Ratio) για την ανίχνευση των καμένων περιοχών. Οι δορυφόροι Sentinel 1,2,3 της ESA πρόκειται να αποτελέσουν το εργαλείο για την παρακολούθηση των πυρκαγιών ακόμη και κάτω από δύσκολες καιρικές συνθήκες (σύννεφα – καπνός) εξαιτίας της δυνατότητας των ραντάρ να διεισδύουν στα σύννεφα. Επίσης, μετά την εκδήλωση φωτιάς, η χρήση των δορυφόρων Sentinel μπορεί να υποστηρίξει την χαρτογράφηση των καμένων εκτάσεων και την ανάλυση των συνθηκών του εδάφους.
Πλημμύρες
Η καλύτερη επιλογή για την χαρτογράφηση των πλημμυρισμένων περιοχών είναι η χρήση δεδομένων ραντάρ (Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (SAR))
Γεωλογικοί κίνδυνοι Οι κατολισθήσεις, τα τσουνάμι, οι σεισμοί και η διάβρωση είναι κίνδυνοι παγκόσμιου ενδιαφέροντος. Η τηλεπισκόπιση φαίνεται να είναι ο μοναδικός πρακτικός τρόπος που μπορεί να προσφέρει γρήγορη μεγάλης κλίμακας αξιολόγηση των επιπτώσεων αυτών των κινδύνων στο περιβάλλον και την κοινωνία. Οι καιρικές συνθήκες στις περισσότερες περιπτώσεις δεν είναι κατάλληλες για την απόκτηση απεικονίσεων χωρίς σύννεφα. Έτσι, η χρήση δεδομένων ραντάρ (SAR) είναι η μόνη λύση. Η ανάλυση δεδομένων SAR, που έχουν ληφθεί πριν και μετά την εκδήλωση του φαινομένου, με την εφαρμογή συμβολομετρίας θα δώσουν πληροφορίες για τις επηρεαζόμενες περιοχές, το βαθμό και το είδος της καταστροφής. Η ένωση των δεδομένων αυτών με υψηλής ανάλυσης δεδομένα έχει βελτιώσει δραματικά την ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Από το 2014 δεν έχει γίνει κάποια βελτίωση στην τεχνολογία SAR, με την εξαίρεση της διαθεσιμότητας δεδομένων από τον δορυφόρο Sentinel 1A SAR.
Καύσωνες Η εκτίμηση είναι ότι το ακραίο κλιματικό φαινόμενο των ασυνήθιστα υψηλών θερμοκρασιών κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού που οδηγεί σε επιδείνωση των προβλημάτων υγείας ή ακόμη και σε θανάτους, πρόκειται να αυξηθεί σε συχνότητα τα επόμενα χρόνια. Στις πόλεις το φαινόμενο της Θερμής Αστικής Νησίδας κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και κατά τη διάρκεια ενός καύσωνα επηρεάζει το κλίμα, τοπικά αλλά και παγκόσμια, το περιβάλλον και τον κοινωνικοοικονομικό τομέα. Η αυξανόμενη διαθεσιμότητα συστημάτων παρατήρησης της γης παρέχουν ευκαιρίες για την παρακολούθηση του αστικού κλίματος και της θερμικής του συμπεριφοράς. Η τηλεπισκόπιση διαθέτει στο δυναμικό της έναν περιορισμένο αριθμό δορυφόρων με δεδομένα στο θερμικό υπέρυθρο φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε σχέση με τα δεδομένα στο ορατό και υπέρυθρο φάσμα. Ο γεωστατικός δορυφόρος MSG-Seviri, έχει χωρική ανάλυση 5 Km και χρονική ανάλυση 15 λεπτά, ο AVHRR έχει χωρική ανάλυση 1.1 km και χρονική ανάλυση 14 ημέρες, ο MODIS (Terra & Aqua) έχει χωρική ανάλυση 1 km και χρονική ανάλυση 4 απεικονίσεις την ημέρα, ο Envisat-AATSR έχει χωρική ανάλυση 1 km και χρονική ανάλυση 35 ημέρες, ο Landsat TM έχει χωρική ανάλυση 120 m και χρονική ανάλυση 16 ημέρες, ο Landsat ETM+ έχει χωρική ανάλυση 60 m και χρονική ανάλυση 16 ημέρες, ο Landsat 8 έχει χωρική ανάλυση 100m, αποκλιμακώνεται στα 30 m ώστε να συμβαδίζει με τα υπόλοιπα κανάλια και χρονική ανάλυση 16 ημέρες, ενώ ο ASTER έχει χωρική ανάλυση 90 m αλλά οι απεικονίσεις αποκτώνται ύστερα από αίτημα. Ανάμεσα στους δορυφόρους που αναφέρθηκαν, οι συχνότερα χρησιμοποιούμενοι δορυφόροι είναι ο MODIS και ο Landsat. Ο Landsat 8 και ο αισθητήρας TIRS, έχουν υποστεί βλάβη στο θερμικό κανάλι (κανάλι 11 του TIRS) και για το λόγο αυτό τα δεδομένα που παρέχει δεν είναι αξιόπιστα.
Τα μειονεκτήματα με τη διαθεσιμότητα των δορυφορικών θερμικών δεδομένων είναι δύο. Η χαμηλή χωρική ανάλυση των Seviri, AVHRR, MODIS και Envisat και η χαμηλή χρονική ανάλυση του Landsat και η μη συστηματική απόκτηση δεδομένων από τον Aster. Απαιτείται για την εκτίμηση της ενεργειακής ισορροπίας να υπάρχει ένας θερμικός αισθητήρας υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης. Λύση μπορεί να δοθεί στις μελλοντικές δορυφορικές υπερφασματικές αποστολές όπως οι αισθητήρες EnMAP της DLR, ο αισθητήρας HysplRI της NASA και ο αισθητήρας HISUI της METI-JAXA που πρόκειται να τοποθετηθούν στον δορυφόρο ALOS-3. Οι αισθητήρες προγραμματίζεται να λειτουργήσουν μετά το 2020. Οι αποστολές Sentinel της ESA δεν μπορούν να παρέχουν θερμικά δεδομένα.
Συμπέρασμα Είναι εξαιρετικά σημαντικό το γεγονός ότι δορυφορικές απεικονίσεις υψηλής χωρικής ανάλυσης, υψηλού χρόνου παρατήρησης της γης και χωρίς κόστος απόκτησης είναι διαθέσιμες σήμερα. Οι αποστολές των δορυφόρων Sentinel με ανοιχτά δεδομένα έχουν συμβάλλει σημαντικά στην καλύτερη παρατήρηση της γης. Κατά τη διάρκεια φυσικών καταστροφών η έγκαιρη αναγνώριση των περιοχών που έχουν πληγεί και η οριοθέτησή τους, όπως και η άμεση παροχή των πληροφοριών αυτών στις αρμόδιες αρχές και τους φορείς είναι εξαιρετικής σημασίας. Ένα μειονέκτημα των σχεδιαζόμενων νέων δορυφορικών αποστολών είναι η έλλειψη μεσαίας/υψηλής ανάλυσης θερμικών καναλιών που θα μπορούσαν να υποστηρίξουν το πρόβλημα του καύσωνα. Ο περιορισμός αυτός οδηγεί τους επιστήμονες στο συνδυασμό των χαμηλής ανάλυσης θερμικών δεδομένων από τον αισθητήρα MODIS με τα οπτικά δεδομένα του Landsat. Υπάρχει ανάγκη για την ανάπτυξη υπερ-υπολογιστών για την ανάλυση του μεγάλου όγκου δεδομένων, ειδικά στις περιπτώσεις που απαιτείται ανάλυση χρονοσειρών δεδομένων, αλλά και ανάγκη για την αύξηση της αποθηκευτικής τους χωρητικότητας σε μονάδες petabytes. Οι υπηρεσίες cloud της Google (Google Earth Engine) φαίνεται να αποτελεί λύση στην αποθήκευση, διαχείριση και ανάλυση τόσου μεγάλου όγκου δεδομένων.
