I.C.A.R.O.S. ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ ΜΕ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ

Από RemoteSensing Wiki

Add Your Content Here 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Στόχος του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος ICAROS (Integrated Computational Assessment via Remore Observation System) είναι η ανάπτυξη ενός αλληλεπιδρόντος υπολογιστικού περιβάλλοντος, το οποίο θα επιτρέψει την ολοκληρωμένη αφομοίωση δεδομένων παρατήρησης του περιβάλλοντος. Η εφαρμογή του ICAROS αποβλέπει στην ελαχιστοποιήση της αβεβαιότητας κατά τη λήψη αποφάσεων που αφορούν, καταρχάς, στον έλεγχο και στην αντιμετώπιση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε αστικές περιοχές αλλά και στη διαχείριση ευρύτερων περιβαλλοντικών θεμάτων.

Οι δορυφορικές παρατηρήσεις δεν μπορούν να αντικαταστήσουν άλλες τεχνικές μελέτης και παρατήρησης δυναμικών περιβαλλοντικών φαινομένων (π.χ. μοντέλα προσομοίωσης, αεροφωτογραφίες, επίγειες μετρήσεις, επιτόπιες έρευνες). Το πλεονέκτημα τους, στην αξιοποίηση του οποίου αποβλέπει ο ICAROS, είναι η μακροσκοπική παρατήρηση η οποία παρέχει συνοπτικά και συνθετικά δεδομένα. Τα συνοπτικά δεδομένα αντιστοιχούν στην ομοιόμορφη κατανομή των σημείων μέτρησης (που επιτρέπει μια ομοιογενή χαρτογράφηση) σε παγκόσμια γεωγραφική κάλυψη (επιτρέποντας διεθνείς συγκρίσεις), ενώ τα συνθετικά δεδομένα αντιστοιχούν σε μια ολοκληρωμένη περιβαλλοντική εικόνα που επιτρέπει τον εντοπισμό περιοχών με βάση τα φυσικά χαρακτηριστικά τους (φυσιογνωμική χαρτογράφηση). Η χρονική ασυνέχεια των δορυφορικών παρατηρήσεων είναι ο βασικός περιορισμός τους στη μελέτη δυναμικών φαινομένων όπως η ρύπανση. Όμως, η χρήση δορυφορικών δεδομένων μέσω του ICAROS δεν αποβλέπει στη δυναμική πληροφόρηση αλλά στην γεφύρωση και συμπλήρωση των άλλων τεχνικών με χωρική πληροφορία ειδικού χαρακτήρα.

Δύο πιλοτικές περιοχές επιλέχθηκαν για να εφαρμοστεί η μεθοδολογία του ICAROS και να αξιολογηθεί η χρησιμότητά του στην περιβαλλοντική πολιτική τοπικού, περιφερειακού και ευρύτερου χαρακτήρα. Οι περιοχές αυτές είναι η Brescia στη Βόρειο Ιταλία και η Γαλλική Γουιάνα. Παράλληλα, η περιοχή της Αττικής χρησιμοποιείται για την βελτίωση και έλεγχο των τεχνικών επεξεργασίας δορυφορικών δεδομένων, λόγω προηγούμενης υπάρχουσας εμπειρίας. Το πρόγραμμα ολοκληρώθηκε το Φεβρουάριο του 2000.

ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗΣ

Για την αποτελεσματική διαχείριση και λήψη αποφάσεων σε θέματα ποιότητας του αέρα απαιτούνται αξιόπιστες, συγκρίσιμες και πρόσφατες πληροφορίες σχετικά με τη χωρική κατανομή των ρύπων, την εκπομπή και μεταφορά τους, τις μη-γραμμικές επιπτώσεις τους στον άνθρωπο και το οικοσύστημα καθώς και τη δυναμική μεταβολή όλων αυτών των παραμέτρων. Για το λόγο αυτό, έχουν αναπτυχθεί και εφαρμόζονται σε διάφορα επίπεδα ακρίβειας, δυναμικά μοντέλα διάχυσης και μεταφοράς τα οποία διακριβώνονται ή εξακριβώνονται μέσω επίγειων αναλυτικών μετρήσεων. Η ανάπτυξη του περιβάλλοντος ICAROS βασίζεται στο συμπληρωματικό χαρακτήρα που παρουσιάζουν οι επίγειες αναλυτικές μετρήσεις και τα δυναμικά μοντέλα διάχυσης και μεταφοράς ως προς τις δορυφορικές παρατηρήσεις.

Τόσο οι αναλυτικές μετρήσεις όσο και τα μοντέλα παρέχουν δεδομένα με χρονική συνέχεια (δυναμική παρατηρήση), όμως οι μεν αναλυτικές μετρήσεις παρέχουν ακριβή αλλά σημειακά δεδομένα, τα δε μοντέλα είναι μία χωρική προσέγγιση της πραγματικότητας. ΄Ομως, η “στατική” χωρική εικόνα που μας παρέχουν οι δορυφορικές λήψεις συμπληρώνει και συνδέει τα δύο ευρέως χρησιμοποιούμενα εργαλεία παρακολούθησης της χωροχρονικής εξέλιξης του φαινομένου της ρύπανσης: τις επίγειες αναλυτικές μετρήσεις και τα μοντέλα διάχυσης.

Συνολικά, υπάρχουν πέντε δυνατοί τρόποι αξιοποίησης των ειδικών χαρακτηριστικών της δορυφορικής πληροφορίας (ΕΟ), από τους οποίους μόνο οι δύο πρώτοι εφαρμόζονται ήδη εκτεταμένα:

1. Χωρική μέτρηση: άμεσα εφαρμοσμένη στην περίπτωση εκτεταμένων χαρτογραφήσεων. 2. Ολιστική παρατήρηση: χρήσιμη στην αναγνώριση των επιπτώσεων της ρύπανσης. 3. Η δυνατότητα αξιοποίησης του χωρικού δυναμικού για ενίσχυση της αξιοπιστίας των σημειακών μετρήσεων ώστε να αυξηθεί η ακρίβεια των χωρικών παρεμβολών. 4. Η δυνατότητα αξιοποίησης της μέτρησης σε αληθινό χρόνο για διακρίβωση της χρονοσειράς των μοντέλων προσομοίωσης. 5. Η δυνατότητα χρησιμοποίησης αρχειοθετημένων δορυφορικών δεδομένων για αναδρομικές μελέτες.

Η ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΤΗΣ ΡΥΠΑΝΣΗΣ

Οι δορυφορικοί δέκτες ΥΔΙ (η γεωμετρική τους ακρίβεια αντιστοιχεί σε μερικές δεκάδες μέτρα) προσφέρουν νέες δυνατότητες συλλογής χωρικών δεδομένων σχετικών με την ατμοσφαιρική ρύπανση. Τα δεδομένα αυτά συγκεκριμένα αφορούν: • Στον άμεσο εντοπισμό σταθερών πηγών εκπομπής και στην εκτεταμένη χαρτογραφήση χρήσεων γης σε κλίμακα μέχρι και 1/20.000. Για παράδειγμα, η ευρωπαϊκή βάση δεδομένων CORINE περιγράφει περιοχές διαφορετικής αξιολόγησης απο πλευράς ρύπανσης: βιομηχανικές, αστικές, ημιαστικές καθώς και περιοχές λατομίων ή εργοταξίων. Επίσης είναι δυνατή η εκτίμηση βιογενών εκπομπών κυρίως από δάση που συμμετέχουν στις συγκεντρώσεις VOCx. • Στην καταγραφή οδικών δικτύων και αστικής πυκνότητας που, συνδιαζόμενα με πληθυσμιακά και οικονομικά δεδομένα, πληροφορούν για μη-σταθερές πηγές εκπομπής. Προσεχή δορυφορικά συστήματα (π.χ. QuickBird) θα επιτρέπουν και άμεσες εκτιμήσεις του κυκλοφοριακού φόρτου. • Στην αξιολόγηση των επιπτώσεων της ρύπανσης στα φυσικά οικοσυστήματα μέσω εφαρμογής δεικτών υποβάθμισης της υγείας των οικοσυστημάτων (π.χ. “δείκτες βλάστησης”, “δείκτες οξύνισης των δασών” κλπ.). Το ευρωπαϊκό πρόγραμμα SEMEFOR αναπτύσει ένα τέτοιο σύστημα παρακολούθησης της υγείας των δασών. • Στην εκτίμηση των στιγμιαίων επιπέδων ατμοσφαιρικής θολότητας και την ποσοτική πληροφόρηση για τη διασπορά σωματιδιακών ρύπων. Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι με χρήση ΥΔΙ δορυφορικών συστημάτων παράγονται χάρτες σωματιδιακής ρύπανσης με οριζόντια διακριτικότητα 0.5χλμ. .

Η αξιολόγηση και αξιοποίηση της τελευταίας αυτής δυνατότητα άμεσης χαρτογράφησης της σωματιδιακής ρύπανσης σε όρους ατμοσφαιρικής θολότητας αποτελεί κύριο ερευνητικό στόχο του ICAROS. Ως θολότητα ή σωματιδιακό οπτικό πάχος (a) στο ορατό τμήμα του φάσματος ορίζεται το γραμμικό ολοκλήρωμα του συντελεστή απόσβεσης λόγω παρουσίας αεροσωματιδίων. Το μέγεθος αυτό δεν ενημερώνει για τη χημική σύσταση του αέρα, όμως μας πληροφορεί για την πυκνότητα συγκεντρώσεως μικρής διαμέτρου σωματιδίων. Η ένταση της θολότητας αποτελεί γραμμική συνάρτηση της κατακόρυφης στήλης συγκέντρωσης οπτικά ενεργών σωματιδίων, τα οποία είναι συγκεντρωμένα κυρίως στα δύο πρώτα χιλιόμετρα από το έδαφος. Οι ατμοσφαιρικοί ρύποι που επηρεάζουν τη θολότητα είναι συγκεκριμένου μεγέθους αεροσωματίδια. Στην περίπτωση του δεύτερου φασματικού καναλιού του δέκτη Landsat TM, το μέγεθος των οπτικά ενεργών σωματιδίων αντιστοιχεί περίπου στο μήκος κύματος του ορατού φωτός και κυμαίνεται από 0.1 έως 3μm. Τα αιωρούμενα αυτά σωματίδια είναι ιχνηθέτες της διασποράς και των άλλων ρύπων και η παρουσία τους στην ατμόσφαιρα προκαλεί πάντοτε αύξηση του οπτικού πάχους. Επιπλέον, η εξασθένηση της έντασης του φωτός από φωτοχημικό νέφος οφείλεται στα σωματίδια, ενώ μονάχα η κιτρινοκαφετιά απόχρωση του νέφους οφείλεται στο αέριο NO2 . Το σημαντικότερο όμως είναι ότι πρόσφατα αποδείχθηκε ότι τα μικρής διαμέτρου εισπνεόμενα σωματίδια είναι τα πλέον επιβλαβή για την ανθρώπινη υγεία. Οι δορυφορικές μετρήσεις μπορούν επομένως να παρέχουν ένα αξιόπιστο δείκτη των συνοπτικών επιπέδων ρύπανσης για τη δεδομένη στιγμή της λήψης της εικόνας.

Πρέπει να διευκρινισθεί ότι η παρουσία υγρασίας δεν διαχωρίζεται από την “ξηρά ομίχλη” της ρύπανσης μέσω δορυφορικών παρατηρήσεων γι΄αυτό και είναι αναγκαία τα μετεωρολογικά δεδομένα. Πάντως, οι υδρατμοί δεν έχουν σημαντικές οπτικές επιδράσεις σε επίπεδα σχετικής υγρασίας χαμηλότερα του 70% και, εξάλλου, η υγρασία σε ρυπασμένες περιοχές αποτελεί φορέα της ρύπανσης αφού οι ρύποι συσσωματώνονται και μεταφέρονται με τα υγροσκοπικά σωματίδια.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Η σύνθεση διαφορετικών πηγών δεδομένων μέσω του ICAROS οργανώνεται με σπονδυλωτό τρόπο, έτσι ώστε να επιτραπούν μεταβολές στις χωρο-χρονικές κλίμακες αναφοράς σε σχέση με τα δεδομένα εισόδου και την πληροφορία που απαιτείται από τους τελικούς χρήστες. Κάθε πηγή πληροφορίας (δορυφόροι, επίγεια συστήματα, μοντέλα) θα θεωρηθεί ως διακεκριμένο αλλά ολοκληρωμένο αντικείμενο. Η πληροφορία που περιέχεται σ’αυτά τα αντικείμενα θα αφορά στοιχεία ποιότητας του αέρα (χωρική κατανομή των συγκεντρώσεων των ρύπων, μονοπάτια διάχυσης κλπ.) μετεωρολογικά δεδομένα (χωροχρονική μεταβολή νεφοκάλυψης), δεδομένα χρήσης γής, ένταση πηγών εκπομπής. Επίσης θα περιέχει μετα-πληροφορίες που θα επιτρέπουν στο χρήστη να εντοπίζει την προέλευση των περιβαλλοντικών δεδομένων, την ακρίβεια και τα επίπεδα αβεβαιότητας τους, τις χωρικές και χρονικές κλίμακες αναφοράς, και τις απαιτήσεις μορφής για επικοινωνία με άλλες πηγές δεδομένων.

Το περιβάλλον του ICAROS θα είναι σε θέση να υποστηρίζει υπολογιστικά τις πλέον εξελιγμένες τεχνικές που χρησιμοποιούνται στην επίλυση των παρακάτω προβλημάτων. Επιπλέον, για την εφαρμογή του ICAROS σε πιλοτικές περιοχές, όλες ή ορισμένες από τις τεχνικές που αναφέρονται παρακάτω θα χρησιμοποιηθούν σε συνάρτηση με τις απαιτήσεις του χρήστη και τη διαθεσιμότητα δεδομένων από τα τοπικά δίκτυα.

1) Συστήματα επίγειας τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται για: • Παρακολούθηση βιομηχανικών και θερμικών εκπομπών και συγκεκριμένα με χρήση φασματομετρίας FTIR από κινητή μονάδα και με εμβέλεια 300μ. Οι μετρήσεις ερμηνεύονται με το λογισμικό MAPS του Fraunhofer Institute και καθορίζονται οι συγκεντρώσεις εκπομπής CO, CO2, CH4, N2O, NH3, NO2, NO, SO2, H2O, HCl, με ακρίβεια από 10 έως 100ppm. Εκτιμήσεις του ρυθμού εκπομπής γίνονται δυνατές μέσω ειδικής υπέρυθρης κάμερας. • Παρακολούθηση ανομοιογενών και διάχυτων εκπομπών με συστήματα FTIR και DOAS. Μετεωρολογικές παράμετροι μετρούνται με κινητή μονάδα ηχητικού ραντάρ Doppler και σπινθηρομέτρου. Οι ρυθμοί εκπομπής εκτιμώνται με αντιστροφή Gaussian μοντέλου. • Εξέταση πηγών σωματιδιακής εκπομπής και ορατότητας κοντά στο έδαφος με lidar εμβέλειας 3χλμ. • Εξέταση της ποιότητας του αέρα με μετρήσεις αερίων από κινητή μονάδα (CO, CO2, CH4, N2O, NH3, O3, NO2, NO, HNO3, SO2, HCl, HCN, HF, SF6 και περισσότερα από 100 είδη VOC) με ακρίβεια 10 έως 100ppb, με συστήματα FTIR και DOAS εμβέλειας 100-1000μ. αντίστοιχη της διακριτικότητας δορυφορικών δεκτών. • Εξέταση της κατανομής του όζοντος με κινητή μονάδα lidar και Doppler sodar μέχρι ύψους 4χλμ. με διακριτικότητα 30μ. και κατακόρυφα προφίλ μέχρι 1.300μ.

2) Εξελιγμένα ρυθμιστικά μοντέλα ατμοσφαιρικής διάχυσης και μεταφοράς χρησιμοποιούνται για την διακρίβωση επιβεβαίωση της μεθόδου. Τα στάδια εφαρμογής των ατμοσφαιρικών μοντέλων είναι τα εξής: • Ανάπτυξη και μετατροπή ενός ακριβούς αλλά “οικονομικού” μοντέλου διάχυσης που βασίζεται στο μοντέλο CTDM Plus (Perry et al. 1989). • Ανάπτυξη ενός μετεωρολογικού προ-επεξεργαστή και σύνδεση με το μοντέλο. • Επεξεργασία δεδομένων εισόδου για τις πιλοτικές εφαρμογές. • Παραγωγή βασικής πληροφορίας για αντίξοες ατμοσφαιρικές συνθήκες με εφαρμογή των μοντέλων TVM και Eulerian Airpol (Thunis 1995). • Εξακρίβωση και διακρίβωση του “οικονομικού” μοντέλου διάχυσης με βάση τα αποτελέσματα του μέσης κλίμακας μοντέλου TVM.

3) Δορυφορικά δεδομένα χρησιμοποιούνται είτε άμεσα ως στοιχείο εισόδου στη βάση δεδομένων του ICAROS, είτε έμμεσα παρέχοντας κάποιο από τα δεδομένα για την κατάρτηση ενός στρώματος πληροφορίας. Δύο πηγές δορυφορικών δεδομένων αξιοποιούνται: δεδομένα αρχειοθετημένα και δεδομένα προγραμματισμένων λήψεων που αντιστοιχούν σε ταυτόχρονες επίγειες μετρήσεις. Τα δεδομένα που εξάγονται από τις δορυφορικές εικόνες αντιστοιχούν στα 4 στάδια του κύκλου της ρύπανσης: εκπομπή, μεταφορά, συγκέντρωση και εναπόθεση. • Οι εκπομπές αξιολογούνται με τη βάση το χάρτη CORINE Land Cover που έχει συνταχθεί χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα ΥΔΙ. • Η μεταφορά βασίζεται στην ανάλυση των αντίστοιχων μοντέλων που θα διακριβωθούν χωρικά από δορυφορικά δεδομένα ΥΔΙ. Επίσης, θα χρησιμοποιηθούν δοκιμαστικά δεδομένα δορυφόρων μέσης διακριτικότητας με 2-4 ημερήσιες λήψεις. • Η χωρική κατανομή της ρύπανσης βασίζεται στη στιγμιαία χαρτογράφηση της ατμοσφαιρικής θολότητας και της συσχέτισής της με σωματιδιακούς και άλλους ρύπους. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται οι κώδικες επεξεργασίας DTA® και SMA® με διακριτικότητα 0.5χλμ. Οι κώδικες αυτοί εφαρμόζονται σε δορυφορικά δεδομένα ραδιομετρικά και γεωμετρικά διορθωμένα και βασίζονται στις αρχές της “μείωσης της αντίθεσης” και της “αδιαφάνειας στο υπέρυθρο”. • Η εναπόθεση θα εκτιμηθεί με την εφαρμογή δεικτών βλάστησης και της υποβάθμισής της στις δορυφορικές εικόνες.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η αστική περιοχή που επιλέχθηκε για την ανάπτυξη του ΙCAROS ήταν η ευρύτερη περιοχή της Brescia στη βόρειο Ιταλία, 80χλμ. ανατολικά του Μιλάνου. Όμως, προηγήθηκε έλεγχος και δοκιμαστική εφαρμογή των κωδίκων επεξεργασίας δορυφορικών εικόνων στην περιοχή της Αττικής, για την οποία προϋπήρχε σχετική εμπειρία μελέτης της διασποράς των ρύπων από προηγούμενο πρόγραμμα (Asimakopoulos et al. 1997). Ο κώδικας SMA εφαρμόστηκε στην Αττική και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δεδομένα μετρήσεων εδάφους δείχνοντας συσχέτιση με τις συγκεντρώσεις των μετρούμενων ρύπων και κυρίως διοξειδίου του θείου. Όμως, στην Αθήνα δεν πραγματοποιούνται αναλυτικές σωματιδιακές μετρήσεις και έτσι δεν έγινε ακόμη δυνατή η αντίστοιχη σύγκριση με τα αποτελέσματα των δορυφορικών δεδομένων. Για την περιοχή της Brescia επιλέχθηκαν αρχειοθετημένες δορυφορικές εικόνες Landsat και SPOT με βασικό κριτήριο την αντιπροσωπευτικότητα των επιπέδων ρύπανσης και των μετεωρολογικών συνθηκών σύμφωνα με στοιχεία των τοπικών δικτύων μέτρησης. Επίσης, προγραμματίστηκαν λήψεις SPOT ταυτόχρονες με επίγειες μετρήσεις. Μετά τις διαδικασίες προεπεξεργασίας, που αφορούν στην γεωμετρική συνόρθωση και ραδιομετρική διακρίβωση των δορυφορικών δεδομένων οι κώδικες επεξεργασίας DTA και SMA εφαρμόστηκαν στις εικόνες. Τα πρώτα αποτελέσματα είχαν τη μορφή χαρτών ρύπανσης με οριζόντια γεωμετρική ακρίβεια 600μ.Χ600μ. στο έδαφος.