ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΡΑΝΤΑΡ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΗΛΙΔΩΝ ΣΤΙΣ ΕΛΛΗΝΙΚΕΣ ΘΑΛΑΣΣΕΣ

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 17:04, 16 Φεβρουαρίου 2010

Τοπουζέλης Κ., Καραθανάση Β., Παυλάκης Π., Ρόκος Δ.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η υποβάθμιση της θάλασσας λόγω της ρύπανσης της από τις δραστηριότητες των πλοίων έχει αναγνωριστεί ως ένα βασικό πρόβλημα από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα. Για πρώτη φορά στη δεκαετία του τριάντα η διεθνής κοινότητα εντόπισε το πρόβλημα και χρειάστηκε να περάσουν τέσσερις δεκαετίες, από το αρχικό αυτό βήμα, μέχρι η διεθνής κοινότητα να πετύχει μια κοινά αποδεκτή συμφωνία, η οποία ονομάζεται σύμβαση MARPOL 73/78.

Η σύμβαση αυτή έθεσε επιτυχώς το νομικό πλαίσιο που αφορούσε το μεγαλύτερο μέρος του παγκόσμιου εμπορικού στόλου καθορίζοντας τα όρια θαλάσσιας ρύπανσης από απόρριψη πλοίων, σε πολύ μικρές ποσότητες και αυστηρά πέρα από προκαθορισμένη απόσταση από την κοντινότερη ακτή.

Βασικός παράγοντας για την επιτυχή παρακολούθηση είναι η μεθοδική εξ αποστάσεως εποπτεία. Σε μεγάλο βαθμό αυτή μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση αεροπορικών περιπολιών, είτε με οπτική αναγνώριση ή με χρήση τηλεπισκοπικών δεκτών στις περιοχές του μήκους κύματος των μικροκυμάτων και του υπερύθρου. Τέτοιες εφαρμογές όμως είναι επιτυχείς μόνο σε θαλάσσιες περιοχές με περιορισμένη έκταση, στο βαθμό που δεν είναι εφικτή, τεχνικά, και/ή οικονομικά η αεροπορική εποπτεία πάνω από το σύνολο των Ευρωπαϊκών Θαλασσών.

Έτσι, οι δορυφόροι που είναι εξοπλισμένοι με Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (ΡΣΑ) [Synthetic Aperture Radar – SAR], λόγω της ικανότητας τους να ανιχνεύουν πετρελαιοκηλίδες στην επιφάνεια της θάλασσας, αλλά και λόγω της ικανότητάς τους να επιθεωρούν μεγάλες θαλάσσιες περιοχές ανεξάρτητα από το φως του ήλιου και τη νεφοκάλυψη, παρουσιάζονται ως ιδανικά εργαλεία για τη συμπλήρωση των συμβατικών αεροπορικών μέσων.Η εργασία αυτή σχετίζεται αποκλειστικά με το πρόβλημα της παρατήρησης παράνομης εκφόρτωσης πετρελαιοειδών από τα πλοία με την χρήση δορυφορικών απεικονίσεων ΡΣΑ.

Γενικά μπορεί να ειπωθεί ότι οι δέκτες ραντάρ συνθετικού ανοίγματος εντοπίζουν πετρελαιοκηλίδες στην επιφάνεια της θάλασσας έμμεσα, διαμέσου των αλλαγών οι οποίες πραγματοποιούνται στα τριχοειδή κύματα επιφανείας (short gravity – capillary waves) που δημιουργούνται από τον άνεμο. Οι κηλίδες εξασθενούν τα κύματα αυτά, τα οποία σε πλάγιες λήψεις αποτελούν τον κύριο μηχανισμό οπισθοσκέδασης των ΡΣΑ συστημάτων. Έτσι λόγω μείωσης της οπισθοσκέδασης, οι περιοχές που περιέχουν πετρελαιοκηλίδες παρουσιάζονται με σκούρο χρώμα στις απεικονίσεις ραντάρ συνθετικού ανοίγματος έχοντας έντονη αντίθεση από τις γειτονικές περιοχές καθαρής θάλασσας. Εκτός των πετρελαιοκηλίδων και άλλα φυσικά φαινόμενα μπορούν να συντελέσουν στην απουσία των κυμάτων αυτών. Μερικά από αυτά είναι: τα θαλάσσιο ρεύματα, περιοχές στις οποίες εξελίσσεται βροχόπτωση και απάνεμες περιοχές.

Απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη της αντίθεσης είναι η ύπαρξη ανέμου (με ταχύτητα μεγαλύτερη 2-3 m/sec) ο οποίος με τη σειρά του θα προκαλέσει την δημιουργία των μικρών τριχοειδών κυμάτων επιφανείας με αποτέλεσμα να γίνεται δυνατός ο εντοπισμός. Σε διαφορετική περίπτωση η επιφάνεια της θάλασσας θα λειτουργεί ως μια λεία επιφάνεια στην οποία όλη η εκπεμπόμενη ακτινοβολία θα σκεδάζεται και δεν θα φτάνει στο δέκτη ραντάρ. Το αποτέλεσμα θα είναι μια απεικόνιση ΡΣΑ η οποία στις απάνεμες περιοχές θα έχει σκούρο χρώμα αντίστοιχο με αυτό των κηλίδων κάνοντας έτσι αδύνατο τον εντοπισμό.

Στην εργασία αυτή αναπτύσσεται ένα πρωτότυπο αυτοματοποιημένο σύστημα εντοπισμού πετρελαιοκηλίδων στο θαλάσσιο περιβάλλον με χρήση δορυφορικών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων ΡΣΑ και αξιοποίηση κανόνων ταξινόμησης ασαφούς λογικής.

2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

2.1 Γενικά

Σημαντικό στοιχείο της μεθοδολογίας είναι ότι οι κανόνες ασαφούς λογικής δεν εφαρμόζονται πάνω στην τιμή της οπισθοσκεδαζόμενης ακτινοβολίας των στοιχειωδών επιφανειών (εικονοστοιχείων) της εικόνας αλλά σε ομογενοποιημένα κομμάτια εικόνας τα οποία έχουν προκύψει από μια προγενέστερη κατάτμηση της. Η κατάτμηση μπορεί να γίνει σε διάφορα επίπεδα κλίμακας με κατώτατο όριο αυτό του εικονοστοιχείου και μεγαλύτερο αυτό της εικόνας. Αρχική προσπάθεια εύρεσης κατάλληλης κλίμακας κατάτμησης απορρίφθηκε διότι οι πετρελαιοκηλίδες στο θαλάσσιο περιβάλλον δεν έχουν ένα σταθερό μέγεθος και σχήμα με αποτέλεσμα να μην υπάρχει κάποια κλίμακα κατάλληλη να διαχωρίζει τις κηλίδες από τη θαλάσσια επιφάνεια σαν ένα ομοιογενοποιημένο τεμάχιο. Για να αντιμετωπισθεί το πρόβλημα αυτό επιλέχθηκε να γίνει κατάτμηση σε αρκετά μικρή κλίμακα έτσι ώστε η εικόνα να κατατμηθεί σε πολλά μικρά τεμάχια (άρα και οι κηλίδες), τα οποία θα μπορούν να ομαδοποιηθούν σε επόμενο στάδιο. Η κλίμακα αυτή επιτρέπει να διαχωρίζονται τα μικρά υπό-τμήματα μιας μεγάλης κηλίδας τα οποία συνήθως συναντούνται στα όρια της, έτσι ώστε μετά τη συνένωση των τμημάτων αυτών να δημιουργείται το πραγματικό σχήμα της κηλίδας. Για να επιτευχθεί αυτό γίνεται ένας γενικός διαχωρισμός των τμημάτων αυτών σε δύο κατηγορίες, σε αυτά που έχουν σκούρο χρώμα και σε αυτά που έχουν ανοιχτό χρώμα. Τα τμήματα τα οποία στις ραντάρ απεικονίσεις παρουσιάζονται με σκούρο χρώμα είναι αυτά στα οποία η οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία είναι πολύ μικρή και άρα στην επιφάνεια της θάλασσας υπάρχουν λείες επιφάνειες (απάνεμη περιοχή, ρεύματα, πετρελαιοκηλίδες κλπ). Αντίθετα, αυτά που παρουσιάζουν ανοιχτή απόχρωση του γκρίζου είναι τμήματα της απεικόνισης που στην πραγματικότητα περιέχουν πολλαπλούς σκεδαστές, δηλαδή είναι τραχείες επιφάνειες, και άρα δεν είναι πετρελαιοκηλίδες. Τα τμήματα τα οποία παρουσιάζονται με σκούρο χρώμα θεωρούνται πιθανές πετρελαιοκηλίδες και χρήζουν περαιτέρω έρευνα. Στη συνέχεια οι σκούροι σχηματισμοί ταξινομούνται με χρήση κανόνων ασαφούς λογικής σε πετρελαιοκηλίδες ή άλλα φυσικά φαινόμενα που μοιάζουν με πετρελαιοκηλίδες.

2.2 Μετασχηματισμός εικόνων

Αρχικά οι ΡΣΑ απεικονίσεις μετατρέπονται σε απεικονίσεις με 256 διαβαθμίσεις του τόνου του γκρίζου. Η μετατροπή αποσκοπεί στην ελάττωση του χώρου που καταλαμβάνουν στην περίπτωση περισσοτέρων διαβαθμίσεων αλλά και στην απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ η οποία μειώνεται σημαντικά με τη μετατροπή.

2.3 Φιλτράρισμα εικόνων – παραγωγή νέων απεικονίσεων

Στο στάδιο αυτό η αρχική εικόνα φιλτράρεται με φίλτρα αφαίρεσης της κηλίδωσης και παράγονται δύο νέες απεικονίσεις. Η παραγωγή των νέων εικόνων κρίνεται σκόπιμη για τη συνέχεια τις διαδικασίας γιατί η κατάτμηση της εικόνας γίνεται πολύ καλύτερα με περισσότερα του ενός επίπεδα. Η ορθή κατάτμηση της εικόνας είναι πολύ σημαντική για την τελική ταξινόμηση της εικόνας και τον εντοπισμό των κηλίδων, αφού το μέγεθος και το σχήμα των κατατμημένων κομματιών αποτελούν στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται στους κανόνες ταξινόμησης της ασαφούς λογικής. Περαιτέρω εικόνες δεν βοηθούν στον ολικό σχεδιασμό, αφού η διαφορά της κατάτμησης θα είναι εξαιρετικά μικρή αλλά θα έχει μεγαλώσει ο όγκος της πληροφορίας που πρέπει να επεξεργαστεί, με αποτέλεσμα το σύστημα να είναι ιδιαίτερα απαιτητικό σε υπολογιστικό χρόνο. Η αρχική εικόνα θα χρησιμοποιηθεί ως μονάδα εισαγωγής στο σύστημα μαζί με τις υπόλοιπες δύο, μιας και περιέχει την αρχική ανεπεξέργαστη πληροφορία. Η πρώτη απεικόνιση παράγεται με τη χρήση του φίλτρου μέσης τιμής διαστάσεων 3x3. Το φίλτρο αυτό ομαλοποιεί την εικόνα και αποβάλλει τις αρκετές τυχαίες τιμές που βρίσκονται διάσπαρτες μέσα στην εικόνα. Η δεύτερη απεικόνιση προέρχεται από συνδυασμό φίλτρων local region και lee[6].

2.4 Κατάτμηση εικόνας

Μετά την παραγωγή των δύο νέων απεικονίσεων ακολουθεί η κατάτμηση της εικόνας. Στην κατάτμηση συμμετέχουν με ίσα βάρη η αρχική εικόνα και δύο παραγόμενες από την διαδικασία του φιλτραρίσματος. Η κατάτμηση της εικόνας γίνεται σε δύο επίπεδα. Ένα με πολύ μικρή κλίμακα και ένα με πολύ μεγάλη κλίμακα.

2.4.1. Κατάτμηση των εικόνων σε πολύ μικρή κλίμακα

Η κατάτμηση των εικόνων σε πολύ μικρή κλίμακα (10-12) βοηθάει στη δημιουργία πολύ μικρών ομοιογενών περιοχών οι οποίες σε επόμενο στάδιο μπορούν να ομαδοποιηθούν και να αποτελέσουν ως σύνολο μια κηλίδα. Η διαδικασία αυτή ακολουθείται διότι οι κηλίδες στο θαλάσσιο περιβάλλον δεν έχουν ένα σταθερό μέγεθος και σχήμα με αποτέλεσμα να μην υπάρχει κατάλληλη κλίμακα που να χαρακτηρίζει όλων των ειδών της κηλίδες.

2.4.2. Κατάτμηση των εικόνων σε πολύ μεγάλη κλίμακα

Η κατάτμηση των εικόνων σε πολύ μεγάλη κλίμακα (1000-1300) χρησιμεύει στο διαχωρισμό της εικόνας σε διάφορα επίπεδα φωτεινότητας που τυχόν περιέχει. Με αυτόν τον τρόπο συσχετίζονται οι δύο κατατμήσεις και το κάθε κομμάτι της μικρής κλίμακας γνωρίζει σε ποιο κομμάτι της μεγαλύτερης κλίμακας ανήκει.

2.5 Εντοπισμός σκούρων σχηματισμών

Μετά την κατάτμηση της εικόνας στις δύο κλίμακες εντοπίζονται οι μαύροι σχηματισμοί που περιέχονται στην εικόνα. Επειδή η εικόνα ενδέχεται να παρουσιάζει διαφορετικές φωτεινότητες τοπικά, η χρήση κατωφλίου δράσης και ανάδρασης δεν βοηθάει στην αποτελεσματική απομόνωση των σκούρων σχηματισμών. Για το λόγο αυτό δημιουργήθηκε ένας αλγόριθμος διαχωρισμού ο οποίος συσχετίζει τη φωτεινότητα του κάθε κομματιού της μικρής κλίμακας κατάτμησης με τη φωτεινότητα του κομματιού της μεγαλύτερης κλίμακας κατάτμησης. Κάθε κομμάτι της κατάτμησης της μικρής κλίμακας μπορεί να χρησιμοποιήσει τα στατιστικά στοιχεία του κομματιού της κατάτμησης της μεγαλύτερης κλίμακας για να ταξινομηθεί σε λεία ή τραχεία επιφάνεια. Η διαδικασία διαχωρισμού γίνεται αυτόματα χωρίς να χρειάζεται ο χρήστης να απομονώσει την περιοχή που τον ενδιαφέρει με την χρήση του ακολούθου αλγορίθμου.

2.6 Συνένωση μικρών τμημάτων

Στη συνέχεια τα τμήματα της εικόνας τα οποία έχουν ταξινομηθεί στην ίδια κατηγορία (λεία ή τραχεία επιφάνεια) ομαδοποιούνται σχηματίζοντας την τελική μορφή των υπό εξέταση τμημάτων. Με τον τρόπο αυτό ομαδοποιούνται τα επιμέρους μέρη των μαύρων σχηματισμών δηλαδή των «υποψηφίων» κηλίδων αλλά και η θαλάσσια επιφάνεια η οποία σίγουρα δεν περιέχει πετρέλαιο.

2.7 Ταξινόμηση σχηματισμών

Μετά τη διαμόρφωση των τμημάτων που παρουσιάζουν σχετική ομοιομορφία ακολουθεί η διαδικασία της ταξινόμησης με την χρήση κανόνων ασαφούς λογικής. Οι κανόνες με τους οποίους γίνεται η ταξινόμηση παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Οι κανόνες μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τρεις βασικές ενότητες ανάλογα με την φυσική τους υπόσταση:

i) Κανόνες που σχετίζονται με τη φυσική συμπεριφορά των μαύρων σχηματισμών (οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, σχέση με τη θέση τους ως προς τα γειτονικά αντικείμενα).

ii) Κανόνες που σχετίζονται με τη γεωμετρική συμπεριφορά των μαύρων σχηματισμών (γεωμετρικά χαρακτηριστικά όπως έκταση και ασυμμετρία).

iii) Κανόνες που σχετίζονται με τη συμπεριφορά της υφής των μαύρων σχηματισμών. Στους κανόνες αυτούς εφαρμόζονται διαφορετικά όρια και ο μεταξύ τους συνδυασμός διαχωρίζει ένα μαύρο σχηματισμό σε πετρελαιοκηλίδα ή σε κάτι άλλο που μοιάζει με πετρελαιοκηλίδα.

Πίνακας1:Κανόνες Ταξινόμησης

3. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ

Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόστηκε σε μία απεικόνιση ραντάρ συνθετικού ανοίγματος, απεικόνιση δορυφόρου ERS-2 που αποκτήθηκε την 2/8/1999 (τροχιά 22392, πλαίσιο 2882) περιέχει ιδιαίτερα πολύπλοκους σχηματισμούς. Η αντίθεση της εικόνας είναι πολύ χαμηλή και ο εντοπισμός πετρελαιοκηλίδων καθίσταται ιδιαίτερα δύσκολος ακόμα και από ειδικευμένο παρατηρητή. Στην απεικόνιση διακρίνεται μια «φρέσκια» πετρελαιοκηλίδα από απόρριψη πλοίου και διάφορα άλλοι μαύροι σχηματισμοί που προέρχονται από φυσικά φαινόμενα. Τα αποτελέσματα εφαρμογής της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε φαίνονται στο σχήμα 1.

Σχήμα 1: Τμήμα αρχικής και ταξινομημένης απεικόνισης του ERS-2 με παρουσία πετρελαιοκηλίδων και άλλων μαύρων σχηματισμών

4. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ

Κάθε σκούρο ομογενοποιημένο κομμάτι της εικόνας ταξινομήθηκε με αναλογική φωτοερμηνεία ως πετρελαιοκηλίδα ή άλλο φυσικό σχηματισμό και το αποτέλεσμα συγκρίθηκε με αυτό που προέκυψε από την εφαρμογή της μεθόδου που αναπτύχθηκε. Τα αποτελέσματα ακρίβειας για όλες τις απεικονίσεις ξεπερνάνε το 95%. Στο σχήμα 1 διακρίνονται δύο κηλίδες στο κάτω μέρος της απεικόνισης και ένας έντονος μαύρος σχηματισμός στο απάνω δεξιό μέρος της. Η επιμήκης κηλίδα του σχήματος λόγω φυσικών φαινομένων έχει κατατμηθεί σε πολλα τμήματα με αποτέλεσμα το κάθε κομμάτι που την αποτελεί να εξετάζεται χωριστά. Ο μεγάλος μαύρος σχηματισμός προέρχεται από την αλλαγή της κατεύθυνσης και της έντασης του ανέμου λόγω της παρουσίας στεριάς. Η μέθοδος επιτρέπει τον εντοπισμό μέρους της επιμήκους κηλίδας, τον εντοπισμό της δεύτερης κηλίδας και τη σωστή ταξινόμηση του μεγάλου μαύρου σχηματισμού.

5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η προτεινόμενη μέθοδος φαίνεται να αποτελεί μια καλή προσέγγιση για τον εντοπισμό πετρελαιοκηλίδων στην θαλάσσια επιφάνεια αφού για τις περιοχές που εξετάστηκαν έδωσε ακρίβεια εντοπισμού πάνω από 95%. Περαιτέρω έρευνα απαιτείται για περισσότερες καταστάσεις θάλασσας και ειδών πετρελαιοκηλίδων. Οι εντοπιζόμενες κηλίδες, τις περισσότερες φορές χαρακτηρίζονται από υψηλή αντίθεση σε σύγκριση με την γειτονική τους επιφάνεια. Αρκετές φορές όμως παρουσιάζονται κηλίδες που δεν έχουν αυτήν την έντονη αντίθεση, όπως όταν έχει περάσει μικρό χρονικό διάστημα από τη στιγμή που έγινε η απόρριψη του πετρελαίου. Η παρατήρηση αυτή οδηγεί στο συμπέρασμα ότι μπορεί να αναζητηθεί μια νέα εξίσωση ταξινόμησης η οποία να λαμβάνει υπόψη την ως τώρα διεργασία και να προσδίδει στις κηλίδες που παρουσιάζουν μικρή αντίθεση στην εικόνα μία σχετική βαρύτητα. Επιπλέον θα μπορούσε να δημιουργηθεί ξεχωριστή βάση κανόνων ασαφούς λογικής για μαύρους σχηματισμούς που βρίσκονται σε περιοχή με μεγάλη αντίθεση και για σχηματισμούς σε περιοχή με μικρότερη αντίθεση.