Δορυφορική τηλεπισκόπηση καταστροφών, που προκαλούνται από σεισμούς, ηφαίστεια, πλημμύρες, κατολισθήσεις και πλημμύρες ακτογραμμών.

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 18:42, 14 Ιανουαρίου 2011

Δορυφορική τηλεπισκόπηση καταστροφών, που προκαλούνται από σεισμούς, ηφαίστεια, πλημμύρες, κατολισθήσεις και πλημμύρες ακτογραμμών.

Satellite remote sensing of earthquake, volcano, flood, landslide and coastal inundation hazards

David M. TralliT, Ronald G. Blom, Victor Zlotnicki, Andrea Donnellan, Diane L. Evans

Earth Science and Technology Directorate, Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 4800 Oak Grove Drive,Pasadena, CA 91109, USA

Πηγή: Science Direct

1. Εισαγωγή.

Τις δύο τελευταίες δεκαετίες υπάρχει αυξανόμενη χρήσης της τηλεπισκόπησης για την κατανόηση των γεωφυσικών φαινομένων που υποκινούν φυσικές καταστροφές. Στη σεισμολογία, την ηφαιστειολογία, την γεωμορφολογία και την υδρολογία οι παρατηρήσεις από δορυφόρους της γη είναι συμπληρωματικές στις τοπικές και περιφερειακές εναέριες παρατηρήσεις, στις παραδοσιακές επί τόπου μετρήσεις και στα δίκτυα αισθητήρων εδάφους. Η συνεισφορά της τηλεπισκόπησης στις επιστήμες που μελετούν τη γη κυμαίνεται από την υψηλής ευκρίνειας τοπογραφία (με χρήσης πχ. δορυφορικών συστημάτων Interferometric SAR, Lidar και ψηφιακής φωτογραμμετρίας) και τη γεωδαισία στην παθητική υπερφασματική απεικόνιση (όπως με χρήση συστημάτων ASTER, MODIS and Hyperion) και την ενεργή μικρομακυματική απεικόνιση. Όλα αυτά έχουν μετασχηματίσει αυτή την επιστήμη. Συγκεκριμένα η τηλεπισκόπηση παρέχει ένα συστηματικό πλαίσιο για την επιστημονική γνώση της γης, το οποίο είναι η βάση για την καλύτερη πληροφόρηση και την λήψη αποφάσεων. Το κλειδί στην κατανόηση της δυναμικής και της πολυπλοκότητας της γης, είναι η ολοκλήρωση των τοπικών, περιφερειακών και διεθνών παρατηρήσεων σε ένα ευρύ κομμάτι του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος με βελτιωμένη φασματική και χωρική ανάλυση και χρονικές κλίμακες που να καλύπτουν τους φαινομενολογικούς κύκλους ζωής με την απαραίτητη συχνότητα δειγματοληψίας.

2. Σεισμικές καταστροφές

Η παραμόρφωση της γήινης επιφάνειας, κυρίως κοντά στα όρια των τεκτονικών πλακών, οφείλεται στις δυνάμεις που δρουν βαθιά στο εσωτερικό της γης και είναι υπεύθυνες για τη σεισμική δραστηριότητα. Οι ερευνητικές απαιτήσεις, στη σεισμολογία, οι οποίες θα συνεισφέρουν στην καλύτερη διαχείριση των κινδύνων και στην πρόβλεψη σε παγκόσμιο επίπεδο, περιλαμβάνουν καταγραφή των τοποθεσιών, των επιπέδων ολίσθησης, και της σεισμικής ιστορίας των επικίνδυνων εδαφικών ασυνεχειών, κατανόηση της κινηματικής και της δυναμικής των ενεργών συστημάτων εδαφικών ασυνεχειών και εφαρμογή αυτής της γνώσης στην δημιουργία πιθανοτήτων σεισμικών περιστατικών, χαρακτηρισμός των ιδιοτήτων των τρισδιάστατων υλικών των συστημάτων εδαφικών ασυνεχειών, της αντίδρασης τους σε παραμορφώσεις και της φυσικής της δημιουργίας και μετάδοσης των σεισμών και τέλος πρόβλεψη των δυνατών εδαφικών κινήσεων και της αντίδρασης των στρωμάτων της επιφάνειας, όπως η ρήξη των εδαφικών ασυνεχειών, η κατολίσθηση και η ρευστοποίηση. Οι ολοκληρωμένες εδαφικές μετρήσεις και η τηλεπισκόπηση μπορούν να βοηθήσουν στην κατεύθυνση αυτών των απαιτήσεων για βασικά και χρονικά δεδομένα. Τα Παγκόσμια Συστήματα Θεσιθεσίας (Global Positioning System - GPS), για παράδειγμα, που χρησιμοποιούνται σε πολιτικές αλλά και στρατιωτικές εφαρμογές, παρέχουν την διαφορική ακρίβεια χιλιοστού, που χρησιμοποιείται από τα εδαφικά συστήματα παραμορφώσεων για να απεικονίσουν την σεισμική παραμόρφωση και μετατόπιση του εδάφους.

Eικόνα 1: (Αριστερά) InSAR χάρτης χρονοσειρών αντιστροφής της μέσης ταχύτητας παραμόρφωσης, που επικαλύπτει το εύρος πολλαπλών εμφανίσεων των εικόνων SAR (γκρι). Μικρά μαύρα τετράγωνα σηματοδοτούν το «Southern California Integrated GPS Network (SCIGN) GPS». (Δεξιά) InSAR χρονοσειρές (μαύρα τρίγωνα) σε επιλεγμένα σημεία.

Επιπρόσθετα τα GPS και τα ψηφιακά σεισμικά δεδομένα μπορούν να συνδυαστούν με τα τηλεπισκοπικά δορυφορικά, όπως το «interferometric synthetic aperture radar (InSAR)», στην παροχή συνεχών χωρικών παραμορφώσεων με ακρίβεια μικρότερη από εκατοστό. Η εικόνα 1 περιέχει τη σύγκριση μιας χρονικής σειράς παραμόρφωσης προερχόμενης από InSAR, με τα χρονικά δεδομένα από ένα σύστημα GPS, αποσαφηνίζοντας την χρονική και χωρική σχέση που επικρατεί μεταξύ των δεδομένων των GPS και του InSAR. Η ύπαρξη τόσος χρονικών όσος και χωρικών στοιχείων για την παραμόρφωση, επιτρέπει την κατανόηση της δυναμικής μιας περιοχής. Οι τεχνικές InSAR είναι ένα βασικό κομμάτι της δυνατότητας παρατήρησης της γης, για τη μετρίαση των σεισμικών κινδύνων και την σωστή αντιμετώπιση τους. Η σκιαγράφηση των σεισμικών πηγών απαιτεί κατανόηση της γεωλογίας, της τεκτονικής και των παλαιοσεισμικών και νεοτεκτονικών χαρακτηριστικών μιας περιοχής. Έρευνες για την επιφανειακή παραμόρφωση, την αλληλεπίδραση των τεκτονικών πλακών, τις ιδιότητες τριβής των εδαφικών ασυνεχειών και των μηχανικών ιδιοτήτων της επιφάνειας αλλά και της λιθόσφαιρας βοηθούν στην κατανόηση των χωρικών και χρονικών χαρακτηριστικών των σεισμών. Για παράδειγμα, οι επιφανειακές μετατοπίσεις, λόγω του σεισμού στην πόλη Bam του Iran, αποτυπώθηκαν με τη χρήση δεδομένων του ραντάρ ENVISAT, από τα οποία αποκαλύφθηκε ότι δημιουργήθηκε εσωτερική ολίσθηση περισσότερη από 2 μέτρα, σε κάποια τυφλή εδαφική ασυνέχεια, χωρίς την παρουσία μορφολογικών χαρακτηριστικών. Η δορυφορική τηλεπισκοπικές παρατηρήσεις παρέχουν δεδομένα για το πώς η πίεση μεταφέρεται μεταξύ των εδαφικών ασυνεχειών, σε βάθος και στην επιφάνεια, πως η ενέργεια απελευθερώνεται από σεισμούς και άλλες μορφές παραμορφώσεων και τέλος πως οι ασυνέχειες του εδάφους αποτυγχάνουν μηχανικά. Σε συγκεκριμένες περιπτώσεις σεισμοί μπορούν να προκαλέσουν διαταραχές στην βαρύτητα, οι οποίες είναι ανιχνεύσιμες από δορυφορικές αποστολές με σκοπό την διερεύνηση του πεδίου βαρύτητας [πχ. Challenging Mini-satellite Payload (CHAMP), Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE)]. Τέλος, για την διαχείριση των σεισμικών κινδύνων και την δημιουργία μεθοδολογιών διαχείρισης απωλειών απαραίτητη είναι η παρατήρηση των χρήσεων γης, της γαιοκάλυψης και του δομημένου περιβάλλοντος. Ο συνδυασμός τηλεσκοπικών δορυφορικών συστημάτων υψηλής ευκρίνειας (InSAR και Light Detection and Ranging - LiDAR) παρέχει ένα τρόπο για την απεικόνιση, την ταξινόμηση και την απογραφή του δομημένου περιβάλλοντος, μέσω της δημιουργίας μοντέλων χρήσης γης και ψηφιακού εδάφους. Αυτά τα στοιχεία συνδυαζόμενα με δημογραφικά και με βάσεις δεδομένων που διαθέτουν τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (geographic information system - GIS), συνεισφέρουν σε αξιολογήσεις για την ευπάθεια των περιοχών και των πιθανών μετασεισμικών καταστροφών. Δορυφορικά συστήματα τηλεπισκόπησης όπως το IKONOS, OrbView και QuickBird, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για διαχείριση σεισμικών κινδύνων.

3. Ηφαιστειακές καταστροφές

Ηφαιστειακές εκρήξεις συχνά συμβαίνουν μετά από μεγάλα διαστήματα αδράνειας και για το λόγο αυτό οι απευθείας μετρήσεις είναι διακοπτόμενες και σποραδικές. Παρόλο που υπάρχουν αρκετοί δείκτες ηφαιστειακής δραστηριότητας, που συνδυάζονται με την επιφανειακή παραμόρφωση και τη σεισμικότητα μιας περιοχής, λίγα είναι γνωστά για τα παγκόσμια επίπεδα των ηφαιστειακών φαινομένων και πως αυτά συνδέονται μεταξύ τους. Μία στρατηγική που συνδυάζει τη σεισμική δραστηριότητα, επί τόπου απεικονίσεις, γεωδαιτικές μετρήσεις, υψηλής ευκρίνειας τοπογραφία (Digital Terrain Elevation Data –DTED- Level 1) και υπερφασματικές απεικονίσεις, μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στον υπολογισμό των ηφαιστειακών κινδύνων, τον περιορισμό τους και την αντιμετώπισή τους.

Eικόνα 2: Το όρος Αίτνα είναι ένα από τα ενεργά ηφαίστεια στον κόσμο και έχει μελετηθεί για αιώνες από το έδαφος. Στις 3 Νοέμβρη, 2002 το λοφίο τέφρας της Αίτνα απαθανατίστηκε από το ASTER WS. Το λοφίο κατευθύνεται προς τα νότια-νοτιοανατολικά, πάνω από την πόλη και το αεροδρόμιο της Κατάνια της Σικελίας. Την προηγούμενη ημέρα, το λοφίο κατευθυνόταν προς τα βορειοδυτικά, και δεν υπήρχε κανένας κίνδυνος για την Κατάνια. Η έκρηξη του όρους Αίτνα, του πιο ενεργού ηφαίστειου της Ευρώπης, ξεκίνησε στις 27 Οκτωβρίου. Η εικόνα έχει έκταση 50,8*76,5 χιλιομέτρων.

Βασικό για την κατανόηση των ηφαιστειακών συστημάτων είναι η αναγνώριση και η καταγραφή των ενεργών ηφαιστείων. Κάτι τέτοιο απαιτεί εκτός από γεωδαιτικά δεδομένα (πχ.InSAR), φασματοσκοπικές απεικονίσεις της ροής της λάβας και της επιφάνειας της γης (Hyperion) και απεικονίσεις της στάχτης και των εκπομπών (GOES- Geostationary Operational Environmental Satellite, ASTER- Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) όπως φαίνεται και στην εικόνα 2. Οι γεωδαιτικές παρατηρήσεις των ηφαιστείων με συστήματα GPS και InSAR, παράγουν υψηλής ανάλυσης πρότυπα ανύψωσης (DEMs) και πλήρεις διανυσματικούς χάρτες του ποσοστού παραμόρφωσης και συμπληρώνουν τις παραδοσιακές εδαφικές γεωδαιτικές μεθόδους. Η ακρίβεια αυτών των μοντέλων, βασίζεται στην ακρίβεια των υπαρχόντων τοπογραφικών δεδομένων. Μετρήσεις από το δορυφορικό σύστημα SRTM, παρέχουν ανεκτίμητα δεδομένα, κυρίως για απομονωμένες περιοχές όπου τοπογραφικά δεδομένα υψηλής ευκρίνειας δεν υπάρχουν. Η τηλεπισκόπηση δημιουργεί έναν νέο τρόπο ηφαιστειακών παρατηρήσεων. Η υπεφασματική απεικόνιση, τόσο στο ανακλώμενο ηλιακό φάσμα (0.4–2.5 Am), όσο και στο θερμικό φάσμα (3–5 Am and 8–12 Am), επιτρέπει την ταυτοποίηση, τον διαχωρισμό και την μέτρηση μικρών αλλαγών που χαρακτηρίζουν τα διάφορα υλικά της επιφάνειας της γης. Μετρήσεις από το σύστημα AVIRIS και το Hyperion έχουν χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό ανεπαίσθητων αλλαγών στη χημική σύσταση πετρωμάτων και έτσι έχουν εντοπισθεί ζώνες ευαίσθητες στην ηφαιστειακή λάβα λόγω των χαρακτηριστικών αυτών των πετρωμάτων τους. Η παγκόσμια παρατήρηση, με εναέρια συστήματα απεικόνισης, ακόμα και απομονωμένων περιοχών, σε εβδομαδιαία βάση, επιτρέπει τη δημιουργία αξιόπιστων συστημάτων αξιολόγησης των ηφαιστειακών κινδύνων. Στην περίπτωση ηφαιστειακής έκρηξης, μικρότερες χρονικές περίοδοι καταγραφής απαιτούνται, ίσως και περισσότερες από μία την ημέρα, ώστε να μπορεί να καταγραφούν μεταβαλλόμενα στοιχεία, όπως η ροή της λάβας. Για παράδειγμα το δορυφορικό σύστημα MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) παρέχει εικόνες ηφαιστείων ανά δύο ημέρες. Υπάρχει μάλιστα αρχείο απεικονίσεων ηφαιστειακών εκρήξεων, για τα περίπου τελευταία πέντε χρόνια, από υλικό που παρέχει το MODIS. Στην εικόνα 2 βλέπουμε το ηφαίστειο της Αίτνας, στις 3 Νοεμβρίου 2002, απαθανατισμένο από το δορυφόρο ASTER, σε μία ευρύτερη απεικόνιση των 50.876 χιλιομέτρων.

4 Καταστροφές λόγω πλημμυρών και κατολισθήσεων

Οι πλημμύρες συγκαταλέγονται στους πιο καταστροφικούς φυσικούς κινδύνους και ευθύνονται για μεγάλες καταστροφές σε σχέση με τις ανθρώπινες ζωές. Τα τηλεπισκοπικά δεδομένα παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανοικοδόμηση της ιστορίας του γήινου εδάφους και στην πρόβλεψη καταστροφικών γεγονότων, μεταξύ άλλων και των πλημμυρών. Τα συστήματα ραντάρ SAR (Synthetic aperture radar) και TM (Landsat Thematic Mapper) παρέχουν πληροφορίες για την κάλυψη της Γης και την γεωμορφολογία των κλίσεων του εδάφους, ώστε να καταγράφεται η πιθανότητα καθίζησης επικίνδυνων για πλημμύρες περιοχών και να διευκρινίζεται ο όγκος και η διανομή των υλικών που δημιουργούνται από μία πλημμύρα.

Eικόνα 3: Συνθήκες υγρασίας του εδάφους, της Λεκάνης Απορροής του Ποταμού Tisza στην Ανατολική Ευρώπη από ανάλυση των δεδομένων εικόνας MODIS QuickScat.

Η τηλεπισκόπιση συμβάλλει ουσιαστικά στην προειδοποίηση σχετικά με πιθανές πλημμύρες, στην αξιολόγηση των καταστροφών και στη μείωση του κινδύνου, ενώ βασίζεται σε εκτενή συστήματα εξ αποστάσεως αλλά και επί τόπου μετρήσεων της βροχόπτωσης, των κυτών των ποταμών, της υγρασίας του εδάφους και της μεταβολής στις καλλιέργειες, τα οποία αποτελούν κρίσιμους πλημμυρικούς δείκτες. Γίνεται έτσι κατανοητό ότι η πλαισίωση των τηλεσκοπικών δεδομένων από δεδομένα επί τόπου μετρήσεων αλλά και δεδομένα υδρολογικών μοντέλων είναι πολύ σημαντική. Ως παράδειγμα αναφέρεται το ραντάρ SeaWinds ( MODIS, QuickSCAT ), του οποίου τα οπτικά δεδομένα συνδυάζονται με συστήματα GIS, ώστε να απεικονιστεί η τάση της πλημμύρας και να δημιουργηθούν εβδομαδιαίοι χάρτες αναταραχής της επιφάνειας του νερού (εικόνα 3), στους οποίους εντοπίζεται η πιθανότητα πλημμύρας ποταμών. Οι τύποι των μετρήσεων που απαιτούνται για την ποσοτικοποίηση, την μοντελοποίηση και την πρόβλεψη καταστροφικών πλημμυρών, περιλαμβάνουν 1-m DEMs με 5 cm ακρίβεια για τη γεωμετρία των λεκανών συλλογής υδάτων και των κλίσεων των λόφων, ωριαίες μετρήσεις της διάρκειας και της έντασης της βροχόπτωσης, με ακρίβεια 1-2 mm και δωδεκάωρες μετρήσεις της υγρασίας του εδάφους για την αξιολόγηση της δυνατότητας απορροής. Ακόμα εποχικές μετρήσεις της βλάστησης παρέχουν δεδομένα για την ικανότητα διείσδυσης των υδάτων και τη σκληρότητα του εδάφους, ενώ γεωλογική απεικόνιση με ακρίβεια 5 m, παρέχει στοιχεία για την σκληρότητα, την διαπερατότητα και το επίπεδο διάβρωσης των βράχων. Οι τηλεσκοπικοί δέκτες που κατά κόρον χρησιμοποιούνται για την απεικόνιση των κινδύνων πλημμύρας περιλαμβάνουν τον InSAR, GPS, δέκτες ορατού και εγγύς υπέρυθρου/θερμικού υπέρυθρου (VNIR/TIR ), πολυπαραμετρικός SAR και δέκτης μικροκυματικών απεικονίσεων. Τα δεδομένα του SAR παρέχουν μία παντός καιρού δυνατότητα πλημμυρικής απεικόνισης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσέγγιση υδρολογικών παραμέτρων, όπως η υγρασία του εδάφους. Ο InSAR παρέχει δυνατότητα για μέτρηση εδαφικών μετατοπίσεων και παρέχει υψηλής ακρίβειας τοπογραφικές απεικονίσεις.

5 Πλημμύρες ακτογραμμών

Eικόνα 4: Τάσεις της στάθμης της θάλασσας που προέρχονται από τα στοιχεία TOPEX / POSEIDON για την περίοδο 1993-2003.

Οι ατμοσφαιρικές και ωκεάνιες διεργασίες έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη γεωμορφολογία των παράκτιων περιοχών. Η στάθμη της θάλασσας ανεβαίνει ως επίπτωση αλλαγών στο κλίμα και αποτελεί μεγάλη απειλή για τον παράκτιο πληθυσμό. Η άνοδος αυτή δεν είναι παγκοσμίως η ίδια, όπως φαίνεται και στην εικόνα 4. Το γεγονός αυτό καταγράφηκε από το δορυφορικό σύστημα TOPEX/POSEIDON, το οποίο αριθμεί δώδεκα χρόνια λειτουργίας και διαθέτει το πιο ακριβές σύστημα της θαλάσσιας επιφάνειας. Σε αυτή την μέτρηση έχουν συμβάλλει και άλλα δορυφορικά συστήματα, όπως το Jason–1, το ERS-1 και 2 και το ENVISAT.

Eικόνα 5: Η πιθανή αύξηση της στάθμης της θάλασσας που προκαλείται από την τήξη των επιφανειακών πάγων της Γροιλανδίας, θέτει σε σοβαρό κίνδυνο πεδινές περιοχές όπως η ακτή της Φλόριντα. Το κόκκινο χρώμα δείχνει πού θα βυθίζεται η γη για περίπου 5-m άνοδο της στάθμης της θάλασσας.

Ένα παράδειγμα ολοκληρωμένης στρατηγικής παρατήρησης της πλημμύρας παράκτιων περιοχών, αποτελείται από τηλεσκοπικές διανυσματικές απεικονίσεις των ωκεάνιων ανέμων ( QuickSCAT, ADEOS-2, ERS-1 και 2, Meteosat ), ώστε να αξιολογείται η δύναμη των θαλάσσιων καταιγίδων, σε συνδυασμό με μετρήσεις του TRMM για την βροχόπτωση που συνδέεται με τις καταιγίδες και μετρήσεις των συστημάτων AIRS και MODIS, καθώς και άλλων οργάνων που καταγράφουν τη μορφολογία των σύννεφων κατά τις καταιγίδες και τέλος μετρήσεων παθητικών ραδιοκυμάτων που αποτυπώνουν την εξάτμιση του νερού γύρω από τις καταιγίδες. Ολοκληρωμένα συστήματα SAR και TM έχουν χρησιμοποιηθεί για να καταγραφούν μεταβολές στην παράκτια γεωμορφολογία και την κάλυψη του εδάφους, καταστροφές από πλημμύρες και διάβρωση του εδάφους και τέλος για την διαχείριση των αρνητικών επιπτώσεων από αυτές.

6 Συμπεράσματα

Τα τηλεσκοπικά συστήματα δεδομένων με συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό συμπληρώνουν και ολοκληρώνουν τα εδαφικά συστήματα μετρήσεων και επί τόπου παρατηρήσεων, όσον αφορά την αξιολόγηση καταστροφικών γεγονότων και την αντιμετώπιση των συνεπειών τους. Πολλές είναι τέλος και οι εξελίξεις στα τηλεσκοπικά αυτά συστήματα. Παραδείγματα όπως το ραντάρ ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) για την απεικόνιση σεισμικών και ηφαιστειακών κινδύνων και ο δορυφόρος ALOS (Advanced Land Observing Satellite), για την παροχή συνεχών εικόνων εδαφικής παραμόρφωσης, φανερώνουν τις δυνατότητες που τα δορυφορικά τηλεπισκοπικά συστήματα παρέχουν στην επιστήμη της Γης.