Ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων με τον RADARSAT SAR στα ύδατα της Κίτρινης θάλασσας, ανατολικής Κίνας: Μια μελέτη περίπτωσης

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 12:34, 21 Απριλίου 2010

Oil spill detection with the RADARSAT SAR in the waters of the Yellow and East China Sea: A case study

Andrei IVANOV, Ming-Xia HE, Ming-Qiang FANG

1. Εισαγωγή

1.1 Δυνατότητες και περιορισμοί του SAR για την ανίχνευση και τον έλεγχο διαρροών πετρελαίου

Το πρόβλημα της μόλυνσης των ωκεάνειων υδάτων από το ακατέργαστο πετρέλαιο και τα υλικά πετρελαίου θεωρείται προς το παρόν ως ένας από τον αιχμηρότερο. Δεδομένου ότι στο πρώτο βήμα για τη λύση αυτού του προβλήματος προσφέρεται μια ανάπτυξη και χρησιμοποίηση των αερομεταφερόμενων και διαστημικών συστημάτων τηλεπισκόπησης για την επιτήρηση της επιφάνειας της θάλασσας, την ανίχνευση της ρύπανσης. Οι απαιτήσεις σε τέτοιο σύστημα διατυπώθηκαν από τον Witte (1986). Τέτοιο σύστημα πρέπει να παρέχει την παντός καιρού παρατήρηση, να είναι ανεξάρτητο από τους όρους φωτισμού και την κάλυψη σύννεφων, να καθορίσει τη θέση, τον τύπο και τον όγκο της διαρροής πετρελαίου και της εργασίας σε πραγματική κλίμακα του χρόνου.

Το Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (SAR) είναι ένα ενεργό εργαλείο τηλεπισκόπησης στο οποίο μια κεραία σε έναν δορυφόρο διαβιβάζει τα σήματα μικροκυμάτων προς στην ωκεάνια επιφάνεια. Το σήμα SAR μετά από την αλληλεπίδραση με την επιφάνεια θάλασσας επιστρέφει στην κεραία (Sabins, 1997). Η αλληλεπίδραση μεταξύ της επιφάνειας θάλασσας και των μικροκυμάτων είναι πολύ ευαίσθητη στις παραλλαγές στην τραχύτητα της επιφάνειας της θάλασσας. Δεδομένου ότι τα σύντομα κύματα επιφάνειας (κυματισμοί και τριχοειδή κύματα) είναι συνήθως παρόντα στην επιφάνεια ύδατος, διασκορπίζει αποτελεσματικά τα μικροκύματα μέσω του μηχανισμού διάδοσης του Bragg (Valenzuela, 1978) και δίνει τις υπογραφές ραντάρ.

Το SAR είναι ανεξάρτητο από τις συνθήκες καιρού και φωτισμού και επιτρέπει να αποκτήσει τις εικόνες SAR μέρα και νύχτα κάτω από την κάλυψη σύννεφων που είναι ένα πλεονέκτημα πέρα από άλλους αισθητήρες τηλεπισκόπησης. Από την έναρξη του πρώτου SAR πολλές περιπτώσεις ανίχνευσης πετρελαιοκηλίδων έχουν τεκμηριωθεί χρησιμοποιώντας τα SAR στο Αlmaz-1, δορυφόρους ERS 1/ERS-2, διαστημικό ραντάρ απεικόνισης (SIR-A,B,C/X) στα διαστημικά λεωφορεία (Bern et al, 1992; Okamoto et al., 1993; Masuko et al., 1995; Gade et al., 1998; Ivanov et al., 1998; Ivanov, 2000). Αποδείχθηκε ότι το SAR λόγω της υψηλής ανάλυσης επέτρεψε την ανίχνευση, το λεπτομερή εντοπισμό και τον εφοδιασμό με τις πληροφορίες για τις διαστάσεις, τη δομή και την κλίση των πετρελαιοκηλίδων.

2.Η χρησιμοποίηση ευρέων SAR για τον εντοπισμό και τον έλεγχο των πετρελαιοκηλίδων

2.1 Η έννοια του πειράματος και το σύνολο στοιχείων

Η έννοια του πειράματος ήταν η απεικόνιση των κινέζικων θαλασσών με Radarsat SAR στη λειτουργία ScanSAR κατά τη διάρκεια ενός μικρού χρονικού διαστήματος, μέσα σε μια εβδομάδα. Ο κύριος στόχος ήταν επίσης να γίνει κατανοητή η δυνατότητα του Radarsat για τον εντοπισμό, την ανίχνευση και τον έλεγχο διαρροών πετρελαίου πέρα από τις απέραντες θαλάσσιες ζώνες. Πιο συγκεκριμένα,

Στις 15, 19 και 22 Νοεμβρίου 2000 τρεις εικόνες Radarsat ScanSAR αποκτήθηκαν πέρα από τη θάλασσα της Bohai, της Κίτρινης θάλασσας και ανατολικής Κίνας. Όλες οι εικόνες συλλέχθηκαν στη λειτουργία ScanSAR Narrow A (προϊόν SNA), με το εύρος περισσότερο από 300km, γωνίες από-ναδίρ 20-40o και χωρική ανάλυση 50m. Αυτές οι εικόνες Radarsat έχουν παρασχεθεί από την Καναδική Διαστημική Αντιπροσωπεία (CSA) στα πλαίσια του Αdro-2 προγράμματος 236: Ανίχνευση και έλεγχος της ρύπανσης πετρελαίου στις θάλασσες κατά μήκος της ασιατικής ακτής του Ειρηνικού.

Σχ1:off shore γραμμικές πετρελαιοκηλίδες στη θάλασσα της ανατολικής Κίνας

Σχ2:off shore πετρελαιοκηλίδες στην ανατολική Κίνα

Σχ3:κοντά στην ακτή πετρελαιοκηλίδες που προέρχονται από τον ποταμό Yangtze

3. Αποτελέσματα

Ένα από τα πιό ενδιαφέροντα ευρήματα αυτής της μελέτης ανακαλύπτει ότι η ρύπανση πετρελαίου μπορεί να συσσωρευθεί στην περιοχή μεταξύ των εκβολών του ποταμού Yangtze και του παράκτιου μετώπου (σαφώς ορατών στο σχήμα 3). Αυτό το μέτωπο υπάρχει ουσιαστικά σε όλες τις δορυφορικές εικόνες και έχει αρκετή σταθερή θέση στο χώρο. Η συσσωρευμένη ρύπανση μπορεί να διαδοθεί νότια κατά μήκος της ακτής λόγω των συγκεκριμένων ωκεανογραφικών συνθηκών σε αυτήν την περιοχή. Μπορεί να έχει επικίνδυνες συνέπειες για τον πληθυσμό και το παράκτιο περιβάλλον σε μια περίπτωση εξαιρετικά μεγάλου ποσού πετρελαίου. Η ανάλυση της χωρικής διανομής των διαρροών πετρελαίου δείχνει ότι περιοχές έντονης ρύπανσης πετρελαίου βρίσκονται κοντά στις σημαντικότερες διεθνείς/εσωτερικές διαδρομές σκαφών.

Τυπικά παραδείγματα του τύπου διαρροών πετρελαίου που ανιχνεύεται στις εικόνες Radarsat SAR παρουσιάζονται στα σχήματα. 1,2,3. Περιλαμβάνουν γραμμικός και ετερόκλητος πετρελαιοκηλίδες που πραγματοποιούνται από τα σκάφη στο κεντρικό μέρος της θάλασσας της ανατολικής Κίνας, και μεγάλη πετρελαιοκηλίδα παράγεται από την απορροή από τον ποταμό Yangtze.

4. Συμπεράσματα

Η ρύπανση πετρελαίου των κινεζικών υδάτων έχει μελετηθεί στα πλαίσια του προγράμματος ADRO - 2 της CSA και της συμφωνίας συνεργασίας μεταξύ του ωκεάνιου ιδρύματος τηλεπισκόπησης (ORSI) και του ινστιτούτου Ωκεανολογίας, την ρωσική ακαδημία των επιστημών (IO RAS) που στοχεύουν στην εφαρμογή των στοιχείων του SAR - εξοπλισμένοι δορυφόροι για τον έλεγχο διαρροών πετρελαίου κατά μήκος της ασιατικής ακτής της Κίνας. Μέσα σε αυτό το πρόγραμμα η ρύπανση πετρελαίου εμφανίστηκε στις θαλάσσιες περιοχές του Bohai, η Κίτρινη και η ανατολική θάλασσα της Κίνας έχει ανιχνευθεί. Αυτή η περιοχή θάλασσας χαρακτηρίζεται παρουσία σημαντικών διεθνών/εσωτερικών διαδρομών σκαφών, των εκβολών σημαντικών κινεζικών ποταμών, των παράκτιων πλατφορμών (στη θάλασσα Bohai) και της αναπτυγμένης βιομηχανικής onshore υποδομής. Οι συλλεχθείσες εικόνες έχουν αναλυθεί με σεβασμό της παρουσίας διαρροών πετρελαίου και η ανάλυσή τους έχει καταδείξει σαφώς μια δυνατότητα της δορυφορικής ευρύτητας του SAR για τη στερεότυπη ανίχνευση διαρροών πετρελαίου. Τα κύρια συμπεράσματα της μελέτης παρατίθενται κατωτέρω.

1. Για πρώτη φορά η χωρική διανομή της ρύπανσης πετρελαίου απεικονίζεται με το Radarsat SAR πέρα από μια πολύ ευρεία μεγάλη θαλάσσια περιοχή των θαλασσών της Κίνας. Τρία περάσματα του Radarsat στις 15, 19 και 22 Νοεμβρίου 2000, που κάλυψαν το μεγαλύτερο μέρος του Bohai, την Κίτρινη και την ανατολικής θάλασσα της Κίνας μέσα σε μια εβδομάδα, έχουν συλλεχθεί. Στο σύνολο 113 πετρελαιοκηλίδες ανιχνεύθηκαν στην εικόνα Radarsat της 22ης Νοεμβρίου, μια στην εικόνα Radarsat της 15ης Νοεμβρίου και καμία στην εικόνα Radarsat της 19ης Νοεμβρίου. Όλες οι υποψήφιες πετρελαιοκηλίδες έχουν ανιχνευθεί σε ένα συγκριτικά στενό εύρος της ταχύτητας αέρα, δηλ. μεταξύ 3 και 7 m/s, και μεταξύ των άλλων εκδηλώσεων της επιφάνειας που συνδέονται με τις διαδικασίες των ωκεανών και της ατμόσφαιρας. Οι μορφές της πλειοψηφίας των ανιχνευμένων διαρροών πετρελαίου ήταν κυρίως ετερόκλητες και γραμμικές.

2. Η ανάλυση των συλλεχθεισών εικόνων Radarsat έχει παρουσιάσει σαφώς ότι η πλειοψηφία των υποψηφίων διαρροών πετρελαίου ανιχνεύθηκε στην Κίτρινη θάλασσα και στην ανατολική Κίνα: κοντά στις εκβολές του ποταμού Yangtze και παράκτια κατά μήκος των κύριων εσωτερικών/διεθνών διαδρομών σκαφών και των περιοχών αλιείας. Η κύρια πηγή μόλυνσης της θάλασσας είναι διασκορπισμένες πηγές ρύπανσης πετρελαίου από τις μικρές βάρκες και τα σκάφη. Τα αποτελέσματα των παρατηρήσεών μας είναι ανάλογα με τα συμπεράσματα από Gade and Ufermann (1998) and Lu et al. (2000). Ο προσδιορισμός τέτοιων περιοχών είναι ένα σημαντικό προκαταρκτικό βήμα για την ανάπτυξη του σεναρίου ελέγχου βασισμένου στις εικόνες SAR.

3. Οι συλλεχθείσες εικόνες Radarsat και SAR έχουν επιβεβαιώσει επίσης τα αποτελέσματα των προηγούμενων συμπερασμάτων (Pavlakis et al., 1996 Gade and Ufermann, 1998 Ivanov et al., 1998) ότι η ταχύτητα αέρα επιβάλλει τον καθορισμένο περιορισμό στην ανίχνευση ρύπανσης πετρελαίου με το ραντάρ απεικόνισης.

4. Το Radarsat SAR, στη λειτουργία του ScanSAR Narrow με το πλάτος λωρίδας υπερβαίνον τα 300km, είναι υπερβολικά ελκυστικό εργαλείο για τους ερευνητές της θαλάσσιας ρύπανσης πετρελαίου. Είναι τεκμηριωμένο ότι ολόκληρο το μέρος της εικόνας ScanSAR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση του πετρελαίου σε κατάλληλες συνθήκες αέρα.