Μέθοδος Παρακολούθησης Αερίων και Εφαρμογή της σε έργα Δέσμευσης και Αποθήκευσης CO2 (CCS): Έρευνα σε φυσικό ανάλογο στο Campo de Calatrava

[[category:Ατμοσφαιρική Ρύπανση]]

Τίτλος Άρθρου: Gas Monitoring Methodology and Application to CCS Projects as defined by atmospheric and Remote Sensing survey in the natural analogue of Campo de Calatrava

Συγγραφείς: ORTEGA M.F., RINCONES, M., ELÍO J., GUTIÉRREZ DEL OLMO J.,NISI B. et al.

<big>''' Εισαγωγή'''</big>

Τα έργα Δέσμευσης και αποθήκευσης CO2 (CCS) είναι μια τεχνολογία που αναπτύσσεται με σκοπό  τη μείωση των ανθρωπογενών εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα. Η παρακολούθηση της γεωφυσικής παραμόρφωσης του εδάφους και των γεωχημικών αλλαγών  που προκαλούνται βοηθούν στην ανίχνευση πιθανών διαρροών CO2. Η ανίχνευση και ο έλεγχος των πιθανών διαρροών από το σχηματισμό αποθήκευσης είναι υποχρεωτικά σε έργα CCS. H τεχνική της τηλεπισκόπησης, σε αυτά τα έργα, έχει το πλεονέκτημα ότι καλύπτει μεγάλες περιοχές εύκολα και με μικρό κόστος. Στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιήθηκε η περιοχή Campo de Calatrava. Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν αποτελούνται από πολυφασματικές ή / και υπερφασματικές εικόνες, όπου παρατηρήθηκαν τα φασματικά χαρακτηριστικά διαφορετικών χρήσεων γης. Η ανάλυση των φασματικών  χαρακτηριστικών μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας διάφορους δείκτες βλάστησης όπως PRI, NDVI, PWI, EVI κ.λπ.  Οι κύριοι στόχοι αυτής της μελέτης είναι να γίνουν μετρήσεις 222Rn και 220Rn (αέρια/δείκτες παρουσίας διαρροής CO2) και εικόνες τηλεπισκόπησης σε φυσικά ανάλογα διαρροής CO2 προκειμένου να αξιολογήσει τις σχέσεις μεταξύ των μετρήσεων ροής του CO2 και τα αποτελέσματα της τηλεπισκόπησης. Η ροή του CO2, η δραστηριότητα του ραδόνιου, και οι τηλεπισκοπικές μεθοδολογίες πραγματοποιήθηκαν ξεχωριστά και στη συνέχεια τα αποτελέσματά τους συγκρίθηκαν με σκοπό να δημιουργήσουν σχέσεις μεταξύ τους. 

<big>'''Μεθοδολογία'''</big>

'''Περιοχή Μελέτης:''' Το Campo de Calatrava βρίσκεται στην  Ciudad Real (Ισπανία) σε μια περιοχή με βάση Ερκυνιακών  πετρωμάτων που καλύπτονται από Καινοζωικά ιζήματα. Ένα πολύπλοκο σύστημα ρωγματώσεων καθορίζει την γεωμετρία της λεκάνης. Τουλάχιστον 3 διαφορετικές Νεογενή τεκτονικά επεισόδια αναγνωρίζονται στην ηφαιστεικό διαμέρισμα Καλατράβα (Calatrava Volcanic Province-CVP), το οποίο περιλαμβάνει μια σειρά από διάσπαρτες οπές αερισμού και εμφανίζει μαφικές ροές λάβας και πυροκλαστικών πετρωμάτων  αλκαλικής σύνθεσης. Η περιοχή χαρακτηρίζεται, επίσης,  από αρκετές απορρίψεις αερίων και νερού.

'''Εικόνες Τηλεπισκόπησης:''' η κύρια πηγή δεδομένων για τη μελέτη μέσω τηλεπισκόπησης ήταν  πολυφασματικές και υπερφασματικές παρατηρήσεις. Τα δεδομένα αποκτήθηκαν από δύο συμπληρωματικές πηγές. Οι πρώτες σειρές των δεδομένων που παρέχονται από εικόνες Quick Bird και WorldView-2, πάνω από μια διευρυμένη περιοχή ενδιαφέροντος στο Campo de Calatrava. Το άλλο σύνολο δεδομένων είναι από δύο υπερφασματικές εναέριες λήψεις εικόνων που αποκτήθηκαν με AHS και CASI αισθητήρες 1500i από το Εθνικό Ινστιτούτο Αεροδιαστημικών Τεχνολογιών(INTA). Όταν έγινε η λήψη των υπερφασματικών εικόνων, ταυτόχρονα έγιναν μετρήσεις ανακλαστικότητας και θερμικές μετρήσεις, με φασματοραδιόμετρο ASD Field Spec 3, σε πάνω από 20 διαφορετικά καλύψεις  γης, συμπεριλαμβανομένων γυμνό έδαφος, νερό, υγρότοποι, καλλιεργείες, βλάστηση και μη καλλιεργούμενες βλάστηση. Αποκτήθηκαν με αυτό τον τρόπο 27, κατά μέσο όρο, φασματικές υπογραφές ανακλαστικότητας. Η δειγματοληψία των φασματικών υπογραφών πραγματοποιήθηκε σε διαφορετικά σημεία εκπομπής CO2 με ποικίλες ταχύτητες ροής του για περαιτέρω αντίθεση με υπερφασματικά δεδομένα που λαμβάνονται κατά την ίδια ημερομηνία. Επίσης, συλλέχθηκαν και εισάχθηκαν επιπλέον τα παρακάτω δεδομένα  σε ένα γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών : α) γεωλογικοί χάρτες, β) χρήσεις κάλυψης γης και καλλιέργειες, (δεδομένα από χάρτες και επιτόπιες έρευνες), γ) ορατές και NIR εναέριες εικόνες στο ορατό φάσμα και στο εγγύς υπέρυθρο (PNOA) δ) Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους, ε) επιτόπιες μετρήσεις συγκεντρώσεων CO2 σε σημεία ενδιαφέροντος, στ) φωτογραφίες από τις επιτόπιες έρευνες.

'''Ανάλυση Εικόνας:''' πριν την ανάλυση των εικόνων έγινε προεπεξεργασία τους (γεωαναφορά, γεωμετρικές, ραδιομετρικές, τοπογραφικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις). Οι δορυφορικές εικόνες δόθηκαν από το ΕSI (European Space Imaging)  ως ψηφιακοί αριθμοί (DN). Είναι απαραίτητη η μετατροπή των DNs σε φασματική ακτινοβολία, πριν από την ραδιομετρική / φασματική ανάλυση ή την σύγκριση με άλλα στοιχεία είτε από την ίδια πλατφόρμα ή άλλες πλατφόρμες ή αισθητήρες.  Δύο διαφορετικές προσεγγίσεις για την ανάλυση της εικόνας διεξήχθησαν: (i) η παραγωγή,  συσχέτιση και  ανάλυση των δεικτών βλάστησης από δορυφορικές εικόνες, και (ii)η συσχέτιση των υπερφασματικών εικόνων και των φασματικών υπογραφών που λαμβάνονται επί τόπου.

'''Δείκτες βλάστησης:''' Οι δείκτες βλάστησης, συνήθως, αναφέρονται σε συγκεκριμένα κανάλια ή μήκη κύματος. Κατά συνέπεια, είναι πιθανό ότι ένας ορισμένος δείκτης βλάστησης δεν μπορεί να αποκτάται αρχής γενομένης από την εικόνα, εάν λείπουν τα απαιτούμενα κανάλια. Σε αυτή την περίπτωση, 10 και 6 δείκτες βλάστησης ελήφθησαν από τις εικόνες WorldView-2 και QuickBird, αντίστοιχα. 

'''Συσχέτιση υπερφασματικής απεικόνισης και φασματικών υπογραφών:''' Μια φασματική υπογραφή είναι ο συνδυασμός της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας που εκπέμπεται, απορροφάται και / ή ανακλάται σε διάφορα μήκη κύματος για ένα δεδομένο υλικό. Αυτό σημαίνει ότι ένα αντικείμενο (ορυκτά, βλάστηση κοκ.) μπορεί να αναγνωριστεί και να χαρτογραφηθεί εάν η φασματική υπογραφή του είναι γνωστή. Εδώ, η ακόλουθη τεχνική προτείνεται ώστε να προσδιοριστούν τα σημεία  πιθανής διαρροής CO2 (hot-spots). Το διασταυρώμενο διάγραμμα φασματικής συσχέτισης (cross correlogram spectral matching) είναι μια τεχνική, ειδικευμένη στην χαρτογράφηση ορυκτών μέσω δεδομένων φασματόμετρου. Το διασταυρώμενο διάγραμμα κατασκευάζεται με υπολογισμό της συσχέτισης σε διαφορετικές θέσεις αντιστοιχίας, μεταξύ ενός φάσματος δοκιμής (φάσμα pixel) και ενός φάσματος αναφοράς (ένα φάσμα ορυκτού του εργαστηρίου  ή φάσμα pixel που είναι γνωστό ότι αντιπροσωπεύει ένα ορυκτό ενδιαφέροντος) με τη μετατόπιση του φάσματος αναφοράς σε διαδοχικές θέσεις καναλιών. Η πληροφορία αυτή συγκρίνεται στη συνέχεια με άλλα δεδομένα, όπως ενδείξεις  εκπομπών CO2, αεροφωτογραφίες, και παρατηρήσεις πεδίου.

<big>'''Αποτελέσματα'''</big>

Διεξήχθησαν  μετρήσεις στο Campo de Calatrava, σε μια περιοχή κοντά στον ποταμό Jabalón σε δύο φάσεις στις 01-06-2011. Οι μετρήσεις της 1ης φάσης χρησιμοποιήθηκαν για τη σύγκριση των μετρήσεων της ροής του CO2 και της δραστηριότητας του ραδονίου, ενώ οι μετρήσεις της 2ης συγκρίθηκαν με τις εξ αποστάσεως εικόνες τηλεπισκόπησης. Κοντά στον ποταμό Jabalón, βρέθηκαν μερικά τεκμήρια  ύπαρξης hot-spots διαρροής CO2 από τις  εικόνες QuickBird και WorldView-2 (Εικόνα 3 και Εικόνα 4, αντιστοίχως). Υπάρχουν δύο βασικά αποτελέσματα που πρέπει να επισημανθούν:
'''1.'''Στα hot-spots όπου υπάρχει υγρασία, η ανάπτυξη της βλάστησης συνήθως είναι διαφορετική από τις γύρω περιοχές (Εικόνα 3)
'''2.'''Στη μόνη ξηρή περιοχή hot-spot η βλάστηση δεν αναπτύσσεται, και μερικοί δείκτες βλάστησης δείχνουν χαμηλότερες τιμές από ό, τι στον περιβάλλοντα χώρο (Εικόνα 5).
'''3.'''Μια οπτική ανάλυση των εικόνων που προκύπτουν θα μπορούσε να οδηγήσει την επιλογή δεικτών για την ανάπτυξη περαιτέρω ερευνών. Αυτή η οπτική ανάλυση θα μπορούσε να ταξινομήσει τους δείκτες βλάστησης, ανάλογα με τον τρόπο που συσχετίζονται με την ικανότητα ανίχνευσης σημείων διαρροής CO2, σε κάθε μία από τις τρεις περιοχές ενδιαφέροντος, όπως φαίνεται στο Εικόνα 1.
Τα κριτήρια για την ταξινόμηση αυτή θα ήταν, ως εξής:1) δεν υπάρχει ανίχνευση πιθανών hot-spot 2) ανίχνευση ορισμένων ανωμαλιών, 3) ανίχνευση διαρροής, 4) σαφή ανίχνευση διαρροής 5) ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία για την ανίχνευση διαρροών.  Επίσης, με τη χρήση του στατιστικού λογισμικού "R" και λογισμικού συστήματος γεωγραφικών πληροφοριών, εφαρμόστηκε η διαδικασία του διασταυρώμενου διαγράμματος φασματικής συσχέτισης (Van der Meer, 1997) για την απόκτηση μια σειράς από εικόνες που επισημαίνουν αυτά τα εικονοστοιχεία που είναι παρόμοια με την αντίστοιχη φασματική υπογραφή από τα δεδομένα πεδίου. 

<big>'''Συμπεράσματα'''</big>

Οι τεχνικές ανάλυσης εικόνας δείχνουν ότι ορισμένοι δείκτες βλάστησης , όπως ο NDVI, SR, MSR και ΕVI, μπορούν  να εφαρμοσθούν επιτυχώς για την ανίχνευση διάχυτων εκπομπών του CO2. Επίσης, πράγματι, αναγνωρίστηκαν οι συσχετίσεις μεταξύ ορισμένων δεικτών βλάστησης, της ροής του CO2 και της δραστηριότητας του ραδονίου. Ωστόσο, δεν φαίνεται δυνατό, σε περιοχές με βλάστηση,  να διακριθούν ροές CO2, επειδή τα αποτελέσματα που δίνουν οι δείκτες και η διαδικασία του διασταυρώμενου διαγράμματος φασματικής συσχέτισης, ενισχύουν τα χαρακτηριστικά της βλάστησης, αντί αυτά της άμεσης ανίχνευσης του CO2.