Τηλεπισκοπικές μέθοδοι ανίχνευσης πετρελαιοκηλίδων

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 09:46, 8 Ιανουαρίου 2011

Τηλεπισκοπικές μέθοδοι ανίχνευσης πετρελαιοκηλίδων

Oil spill detection by satellite remote sensing

Συγγραφείς:Camilla Brekke, Anne H.S. Solberg

Πηγή: Remote Sensing of Environment 95, 1 – 13, 2005, Εικόνα: http://science.nasa.gov/

Στόχος Εφαρμογής

Σε αυτή την περίληψη συνοψίζονται οι πρόσφατες εξελίξεις στην ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων στους ωκεανούς. Εξετάζονται τα διάφορα είδη δορυφορικών ανιχνευτών και η ανιχνευσιμότητα των πετρελαιοκηλίδων υπό διάφορες συνθήκες. Ιδιαίτερη προσοχή δίδεται στην μελέτη αυτοματοποιημένων προσεγγίσεων για την διάκριση μεταξύ πραγματικών πετρελαιοκηλίδων και εσφαλμένων ενδείξεων με βάση το πρότυπο αναγνώρισης.

Είδη δορυφόρων, δεκτών και καναλιών

Τα μικροκύματα χρησιμοποιούνται ευρέως στην παρακολούθηση της ρύπανσης των ωκεανών μέσω τηλεπισκοπικών τεχνικών. Υπάρχουν διάφοροι τύποι δορυφόρων οι οποίοι είναι εξοπλισμένοι με ραντάρ SAR (Synthetic Aperture Radar) όπως για παράδειγμα οι SEASAΤ, ERS-1 και ENVISAT. Συναντώνται ως επί το πλείστον διαστημικά όργανα, υπάρχουν ωστόσο εξαιρέσεις όπως στην περίπτωση του SLAR (Side-Looking Airborne Radar), η χρήση του οποίου συνεπάγεται περιορισμούς ως προς το κόστος και την έκταση κάλυψης. Γενικά, ένας διαστημικός SAR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μια πρώτη ταυτοποίηση και εν συνεχεία τα εναέρια όργανα προτιμώνται για τον εντοπισμό του είδους του ρυπαντή, την έκταση της ρύπανσης και τον τύπο της διαρροής.

Πέραν του SAR υπάρχουν και άλλες διαστημικές τηλεπισκοπικές συσκευές οι οποίες παρουσιάζουν ενδιαφέρον για τη μελέτη των πετρελαιοκηλίδων όπως για παράδειγμα ο ανιχνευτής ορατού SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor). Αυτός ο ανιχνευτής καταγράφει υψηλά ποσοστά χλωροφύλλης σε περιοχές που ευνοούν την ανάπτυξη άλγεων και υπερτερούν των εικόνων SAR. Ένα μειονέκτημα των ανιχνευτών SeaWiFS είναι η χαμηλή ανάλυση στο χώρο (περίπου 1Km). Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται μια εφαρμογή των ανιχνευτών SeaWiFS για την παρατήρηση πετρελαιοκηλίδας στον κόλπο Shipwreck (San Cristobal, Galapagos). Το 2003 ο Hu και οι συνεργάτες του μελέτησαν τις δυνατότητες του οργάνου MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer) το οποίο χαρακτηρίζεται από μέτρια ανάλυση της τάξης των 250m και 500m και από ένα μεγάλο φασματικό εύρος. Τα χαρακτηριστικά αυτά επιτρέπουν την λήψη εικόνων ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας και θερμικών εκπομπών ημέρας/νύχτας.

Eικόνα 1:Παρατήρηση κηλίδας ντίζελ στον κόλπο Shipwreck (San Cristobal, Galapagos).

Οι υπερφασματικοί ανιχνευτές κατά τη χρήση τους στην ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων σε ωκεανούς παρουσιάζουν δυνατότητες λεπτομερούς ταυτοποίησης και καλύτερης εκτίμησης. Οι υπερφασματικοί ανιχνευτές παρέχουν περισσότερα από 200 μήκη κύματος και συνεπώς είναι δυνατή η διάκριση μεταξύ των διαφόρων τύπων κηλίδων (αργό πετρέλαιο ή ελαφρύτερα κλάσματα-προϊόντα διύλισης) μέσω του φασματικού δακτυλικού αποτυπώματος του κάθε ρυπαντή. Η δυνατότητα αυτή μπορεί επίσης να εξαλείψει τα φαινόμενα λανθασμένων εκτιμήσεων λόγω καταγραφής σημείων του ωκεανού τα οποία φέρουν παρόμοια χαρακτηριστικά με μια πετρελαιοκηλίδα.

Το πετρέλαιο απορροφά την ηλιακή ακτινοβολία και επανεκπέμπει μέρος αυτής της ενέργειας υπό την μορφή θερμότητας. Οι ανιχνευτές υπερύθρου καταγράφουν το παχύ στρώμα πετρελαίου ως θερμό, το μέτριου πάχους στρώμα ως ψυχρό ενώ αδυνατούν να ανιχνεύσουν λεπτά στρώματα. Η τεχνολογία υπεριώδους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων καθώς οι κηλίδες εμφανίζουν υψηλή ανακλαστικότητα υπεριώδους ακτινοβολίας ακόμα και στις περιπτώσεις πολύ λεπτών στρωμάτων. Ο ανιχνευτής υπεριώδους ακτινοβολίας δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί τη νύχτα και οι παρεμβολές του ανέμου, της λαμπρότητας του ήλιου και η ύπαρξη έμβιων οργανισμών μπορούν να οδηγήσουν στη εξαγωγή λανθασμένων συμπερασμάτων κατά την αποτίμηση του φάσματος υπερύθρου. Αυτές οι παρεμβολές συχνά δεν είναι κοινές με αυτές στο υπέρυθρο και συνεπώς ένας συνδυασμός υπεριώδους και υπερύθρου παρέχει μια περισσότερο αξιόπιστη ένδειξη για την ύπαρξη μιας διαρροής και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του πάχους της πετρελαιοκηλίδας. Το όργανο MWR είναι άλλος ένας παθητικός ανιχνευτής ο οποίος καταγράφει την εκ των ωκεανών εκπεμπόμενη ακτινοβολία μικροκυμάτων μήκους κύματος από cm έως mm και επομένως η καταγραφή είναι ανεξάρτητη των καιρικών συνθηκών.

Μεθοδολογία για την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων μέσω εικόνων SAR

Η μέθοδος ανίχνευσης των πετρελαιοκηλίδων διακρίνεται σε׃

• ανίχνευση των ύποπτων ως κηλίδων λείων επιφανειών,
• μη αυτοματοποιημένη εξακρίβωση των λείων επιφανειών και καθορισμός του επιπέδου βεβαιότητας.

Οι χειριστές έχουν εκπαιδευτεί καταλλήλως ούτως ώστε να αναλύουν εικόνες SAR για την ανίχνευση σημείων ρύπανσης από διαρροή πετρελαίου. Εξωτερικά δεδομένα σχετικά με την ταχύτητα και την κατεύθυνση του ανέμου, την θέση των δακτυλίων πετρελαίου και των σωληνώσεων, εθνικά σύνορα και η ακτογραμμή χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων της ανάλυσης. Ο μελετητής εφαρμόζει ένα σύστημα παρατήρησης της εικόνας το οποίο μπορεί να εκτελέσει κάποιους υπολογισμούς και να τους αποδώσει σε σημεία, όμως ο ίδιος ο μελετητής θα πρέπει να εξετάσει τη συνολική εικόνα ‘δια χειρός’, γεγονός ιδιαίτερα χρονοβόρο.

Αυτοματοποιημένες τεχνικές για την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων μέσω εικόνων SAR

• Τεχνικές κατάτμησης

Εξαιτίας του γεγονότος ότι οι πετρελαιοκηλίδες χαρακτηρίζονται από χαμηλά επίπεδα οπισθοσκέδασης, προτείνεται η χρήση ενός ορίου για την αποκοπή των σκοτεινών σημείων. Παρατηρήθηκε η ανάπτυξη διαφόρων αλγορίθμων και μεθόδων που εφαρμόστηκαν με κοινό σκοπό την ανίχνευση όλων των λείων επιφανειών που παραπέμπουν στην ύπαρξη πετρελαιοκηλίδας και στη διατήρηση του σχήματος των επιφανειών αυτών. Το τελευταίο χαρακτηριστικό είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς η διατήρηση του σχήματος διαδραματίζει κωδικό ρόλο για την επιτυχή διάκριση των πραγματικών πετρελαιοκηλίδων από τα παρόμοιας εμφάνισης φυσικά στοιχεία του ωκεανού.

• Απομόνωση των χαρακτηριστικών των λείων επιφανειών

Η απομόνωση των χαρακτηριστικών των λείων επιφανειών εφαρμόζεται για την επεξεργασία των επιμέρους χαρακτηριστικών.

• Μέθοδοι κατηγοριοποίησης

Σε μια εικόνα SAR η ύπαρξη σκοτεινών σημείων ενδέχεται να οφείλεται σε διάφορα φαινόμενα. Για τον λόγο αυτό, η μέθοδος κατηγοριοποίησης καλείται να διακρίνει τις περιπτώσεις ύπαρξης πετρελαιοκηλίδων από τις υπόλοιπες περιπτώσεις. Οι ανωτέρω αυτοματοποιημένες τεχνικές για την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων αναφέρουν ακρίβεια που κυμαίνεται μεταξύ 82% και 94% ως προς την ορθή κατηγοριοποίηση των πετρελαιοκηλίδων. Εάν μια λεία επιφάνεια δεν ανιχνευθεί κατά τη φάση της αποκοπής, δε μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ορθά. Αν τα χαρακτηριστικά έχουν υψηλή δυνατότητα διάκρισης, το πρόβλημα κατηγοριοποίησης θα είναι ευκολότερο.

Αξιολόγηση των μεθόδων

Ο ανιχνευτής SAR κρίνεται ως πιο αποδοτικός και ανώτερης ποιότητας σε σύγκριση με τους υπόλοιπους δορυφορικούς ανιχνευτές για την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων παρά το γεγονός ότι δεν διαθέτει ικανότητες για την εκτίμηση του πάχους της κηλίδας ή για αναγνώριση του τύπου του ρυπαντή. Ο ανιχνευτής SAR είναι χρήσιμος κυρίως για την μελέτη μεγάλων περιοχών και την μελέτη ωκεανών κατά τη διάρκεια της νύχτας ή υπό συνθήκες έντονης νεφοκάλυψης. Κατά κανόνα, λόγω της έντονης τάσης εφάπλωσης των ελαιωδών καυσίμων στην ελεύθερη επιφάνεια του θαλασσινού νερού των ωκεανών, μικροί όγκοι ρυπαντών καλύπτουν μεγάλες επιφάνειες και επομένως δεν είναι επιτακτική η ανάγκη λήψης εικόνων υψηλής ανάλυση.