ΧΡΗΣΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΩΝ ΚΑΙ Γ.Σ.Π. ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΧΩΡΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΕΩΝ ΑΠΟΡΡΙΜΜΑΤΩΝ ΚΑΡΒΟΥΝΟΥ

Από RemoteSensing Wiki

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ – ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Τα απορρίμματα κάρβουνου είναι μία δευτερογενής παραγωγή που προκύπτει από την εκμετάλλευση του τελευταίου και την επεξεργασία του. Στην Κίνα, οι ποσότητες αυτών των απορριμάτων είναι μεγάλες λόγω της έντονης εξορυκτικής δραστηριότητας σε κάρβουνο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα απορρίμματα κάρβουνου στοιβάζονται συνεχώς κατά την εκμετάλλευση του και προκύπτουν “βουνά” από αυτά, τα οποία και αποκαλούνται σωροί εναπόθεσης απορριμάτων κάρβουνου (“coal refuse disposal piles” ή “coal waste piles”). Το πρόβλημα των εναποθέσεων αυτών γίνεται ολοένα και σοβαρότερο πρόβλημα τα τελευταία χρόνια. Οι εναποθέσεις των απορριμμάτων κάρβουνου είναι εξαιρετικά τοξικές. Εκτός από την υδατική και αέρια ρύπανση, προκαλεί προβλήματα και στην εκμετάλλευση της γης, εδαφική ρύπανση και υποβάθμιση της χλωρίδας.

ΣΤΟΧΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Στόχος αυτής της έρευνας είναι η καταγραφή των εναποθέσεων των απορριμμάτων κάρβουνου με τη βοήθεια της χωρικής πληροφορίας, που θα αποτελεί στο μέλλον βασικό εργαλείο πληροφόρησης για περιβαλλοντική καταγραφή, αξιολόγηση και οικολογική αποκατάσταση.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ

Η περιοχή Wangping Gully βρίσκεται στο δυτικό μέρος του Πεκίνου και είναι κατά κύριο λόγο ορινή περιοχή. Το πολύπλοκο ανάγλυφο και οι κλιματικές εναλλαγές δημιουργούν έναν πλούσιο βιολογικό και γεολογικό πόρο.

2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

2.1 Πηγές Δεδομένων

2.1.1 Τοπογραφικός χάρτης

Μία από τις πηγές παροχής δεδομένων αυτής της μελέτης είναι ο τοπογραφικός χάρτης της πόλης Wangping κλίμακας 1:1000, ο οποίος δημιουργήθηκε με τη χρήση GPS, το Μάρτιο του 2006. Η προβολή του χάρτη αυτού, είναι τύπου Beijing-54 Projection (Βλέπε Πίνακα 2.1)). Ο τοπογραφικός αυτός χάρτης περιλαμβάνει δεκάδες στρώσεις (layers) με διαφορετικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά, όπου η στρώση με τη γραμμή περιγράμματος (contour line layer) με τις πληροφορίες υψομέτρων είναι αυτή που συμβάλλει και στην πραγματοποίηση της εργασίας αυτής. Ο βασικός στόχος της προ-επεξεργασίας του τοπογραφικύ χάρτη είναι να εξασφαλίσουμε τον χάρτη περιγραμμάτων της περιοχής μελέτης (Εικόνα 2.1) καθώς και η διόρθωση (editing) των περιγραμμάτων, με στόχο τη θεμελίωση του DEM.

2.1.2. Τηλεπισκοπική Εικόνα

Άλλη μία πηγή πληροφόρησης είναι η τηλεπισκοπική εικόνα της περιφέρειας Mentougou υψηλής ανάλυσης 0,5 m όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.2, όπως καταγράφηκε το Σεπτέμβριο του 2003 βάσει αεροπορικού φωτογραμμικού σχεδίου. Επιπλέον, η προβολή είναι μία ασυνήθιστη τοπική προβολή, αυτής της πολής του Πεκίνου και παρουσίαζεται στον Πίνακα 2.2.

2.2 Μεθοδολογία έρευνας

Βασισμένο σε τεχνικές τηλεπισκόπισης και Γ.Σ.Π., η έρευνα αυτή μελετά την εξαγωγή των βασικών χωρικών πληροφοριών των εναποθέσεων απορριμάτων κάρβουνου, κάτι που ενισχύει την περιβαλλοντική αξιολόγηση και οικολογική αποκατάσταση. Επιπλέον, o DEM εγκαθίσταται ως μέση επεξεργασία και ως γέφυρα για εξαγωγή χωρικής πληροφορίας. Η Εικόνα 2.3 περιγράφει την βασική αρχή της μεθοδολογίας της παρούσας μελέτης.

Βασισμένη στην τηλεπισκοπική εικόνα και στα περιγράμματα που προέκυψαν από προηγούμενη προ-επεξεργασία της εικόνας αυτής και του τοπογραφικού χάρτη, η ερμηνεία και η 3-διάστατη ανάλυση πραγματοποιήθηκαν με στόχο να εξασφαλιστεί η Περιοχή Ενδιαφέροντος (Area of Interrest-AOT) και το Ψηφιακό υψομετρικό Μοντέλο (Digital Elevation Model-DEM). Επιπλέον υπολογισμός της χωρικής πληροφορίας των εναποθέσεων απορριμμάτων κάρβουνου πραγματοποιήθηκε βασισμένο στα AOI και DEM, κάτω από τη λειτουργία Γ.Σ.Π. Επιλέχθηκε το ArcGIS και το ERDAS.

3. ΕΞΑΓΩΓΗ (EXTRACTION)

3.1 Προ-επεξεργασία (Pre-processing)

Η προεπεξεργασία των ανεπεξέργαστων δεδομένων είναι σημαντική όσο και η ανάλυση των επεξεργασμένων. Η ακρίβεια και η ποιότητα των προ-επεξεργασμένων δεδομένων επιδούν άμεσα στα τελικά αποτελέσματα. Η διαδικασία προεπεξεργασίας της τηλεπισκοπικής εικόνας αυτής της έρευνας είναι η γεωμετρική διόρθωση (geometric correction) και το subset. Σκόπος της γεωμετρικής διόρθωσης είναι να εξακριβώσει τα χαρτογραφικά πολυωνυμικά (mapping polynomials) μέσω της χρήσης σημείων ελέγχου του εδάφους (ground control points-GCPs) και να καθοριστούν οι τιμές φωτεινότητας των pixels της εικόνας. Αφού καθοριστούν οι συντεταγμένες στην αρχική τηλεπισκοπική εικόνα, το subset είναι εξίσου απαραίτητο διότι, από τη μία επιβεβαιώνει την περιοχή μελέτης και από την άλλη, συνθέτει ένα βασικό παράγοντα του 3-διάστατου μοντέλου. Χάρη στο ERDAS, η Εικόνα 2.2. παραθέτει την τηλεπισκοπική εικόνα της περιοχή Wangping Gully μετά την προ-επεξεργασία και των διαδικασιών geometric corrrection και subset.

3.2 Φωτοερμηνεία (Image Interpretation)

Λόγω της υψηλής ανάλυσης (0,5m) της εικόνας, ο παραδοσιακός τρόπος της ερμηνείας, ο οποίος είναι η ερμηνεία μέσω οπτικής επαφής, υιοθετείται στην μελέτη. Είναι επτά σημάδια (signs) ερμηνείας: σχήμα, μέγεθος, χρώμα, σκιά, κλίση, τοπολογία (location) και δραστηριότητες. Τα αποτελέσματα της φωτοερμηνείας παρουσιάστηκαν από την AOI. Η AOI εφαρμόστηκε στην κορυφή των τηλεπισκοπικών δεδομένων ώστε να δημιουργηθεί ένα περίγραμμα-όριο γύρω από των εναποθέσεων των απορριμμάτων κάρβουνου, βάσει των σημαδιών ερμηνείας και των χαρακτηριστικών τους. Η αναγνώριση της περιοχής ενδιαφεροντος παρουσιάζεται στην Εικόνα 3.1. Να αναφερθεί πως η ακρίβεια των AOI επηρεάζει άμεσα στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων.

3.3 DEM

Το DEM είναι ένας προχωρημένος τρόπος για αυτόματη εξαγωγή τοπογραφικών μεταβλητών και γεωμετρικών στοιχείων απο δεδομένα raster. Στην εργασία αυτή, χρησιμοποιήθηκε το ERDAS για να εξασφαλιστούν τα δεδομένα ΤΙΝ από τον χάρτη, καθώς και για την σύνθεση του DEM. Επιλέχθηκε ένας αλγόριθμος vector δεδομένων, ο Linear rubber sheeting (Εικόνα 3.3). Είναι μία τεχνική η οποία μπορεί να ενισχύσει την καταχώρηση των σημείων ελέγχου στα vector δεδομένα, με τα αντίστοιχα σημεία στην εικόνα.

3.4 Υπολογισμός

Ο υπολογισμός των χωρικών πληροφοριών των εναποθέσεων απορριμμάτων κάρβουνου πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον χωρικής ανάλυσης GIS.

3.4.1 Plan Area:

Μια θεμελιώδης λειτουργία του GIS είναι ότι επιτρέπει την παραγωγή πληροφορίας μέσω των θεματικών layers. Τα δεδομένα αυτής της μελέτης ήταν δεδομένα raster, συνεπώς υιοθετείται η μέθοδος υπολογισμού raster data plan area. Βάσει των raster δεδομένων, τα DEM δεδομένα είναι τοποθετημένα στην κορυφή του χάρτη και ισαπέχουν 1m, κάτι που προέκυψε από τον τοπογραφικό χάρτη 1:1000, καθώς η τοπογραφική εικόνα φωτογραφήθηκε από με ανάλυση 0,5m.

3.4.2. Περιοχή επιφάνειας (Surface Area):

Παραδοσιακά, οι αλγοριθμοι για αυτούς τους υπολογισμούς αναπτύσσονται στην βάση της κλίσης, κάτι που προκύπτει από το DEM. Βασισμένο στο βαθμό κλίσης, η περιοχή κλίσης για κάθε pixel υπολογίζεται και το άθροισμα όλων των pixels που πέφτουν μέσα σε ένα “πακέτο” (parcel) αποτελούν την περιοχή εδάφους του “πακέτου”. Η περιοχή κλίσης για κάθε pixel μπορεί προσεγγιστικά να υπολογιστεί από την plan area κάθε pixel και η τιμή της κλίσης από το ίδιο το pixel.

3.4.3 Όγκος (Volume):

Οι υπολογισμοί του όγκου βασίζονται στον υπολογισμό γεωμετρικού όγκου των στερεών σχημάτων. Ένας νέος αλγόριθμος βασισμένος στην ανάλυση του διαγράμματος Voronoi εφαρμόστηκε, για τον υπολογισμό του όγκου της ανόργανης αποθήκευσης (mineral storage). Επιπλέον, το Digital Terrain Model (DTM) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του όγκου κατακάθισης (subsidence) με τη βοήθεια ψηφιακής επίγειας φωτογραμμετρίας.

3.5 Αποτελέσματα

Ο Πίνακας 3.2 περαθέτει τα αποτελέσματα υπολογισμού της χωρικής ανάλυσης των εναποθέσεων απορριμμάτων κάρβουνου, βασισμένο σε DEM μέσω του λογισμικού ArcGIS.

4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η εργασία αυτή υιοθετεί τεχνικές τηλεπισκόπησης και GIS. Οι δύο πηγές ανεπεξέργαστων δεδομένων είναι ο τοπογραφικός χάρτης (βασισμένος σε GPS) και η τηλεπισκοπική εικόνα (βασισμένη στη φωτογραμμετρία). Μέσω μιας σειράς από επεξεργασίες δεδομένων βασισμένης στο GIS, τα τηλεπισκοπικά και δεδομένα και αυτά του τοπογραφικού χάρτη συνδέονται, και τότε η χωρική ανάλυση των ολοκληρωμένων δεδομένων πραγμοτοποιείται σε περιβάλλον GIS. Βάσει αυτής της ολοκληρωμένης προσέγγισης, η μελέτη αυτή σε τελική ανάλυση αποσπά την χωρική ανάλυση και εξομοιώνει το 3-διάστατο μοντέλο των εναποθέσεων των απορριμμάτων του κάρβουνου (“coal waste piles”), κάτι το οποίο υποστηρίζει την περαιτέρω μελέτη πάνω στην περιβαλλοντική αξιολόγηση και την οικολογική αποκατάσταση. Ωστόσο, ο σύνδεσμος μεταξύ τηλεπισκόπησης και GIS στην εργασία αυτή είναι σίγουρα ελλειπής και με δομημένος με ατέλειες και για το λόγο αυτό, περισσότερη έρευνα απαιτείται ώστε να μπορούμε να εκμεταλλευόμαστε στο βαθμό που πρέπει να πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη συνεργασία τους.

Πηγή:

USING REMOTE SENSING AND GIS TECHNIQUES IN SPATIAL INFORMATION MONITORING OF COAL REFUSE DISPOSAL PILES

Tang Shilu * Institute of Land Reclamation & Ecological Restoration, China University of Mining & Technology (Beijing), China – sherrytang00@gmail.com