Τηλεπισκοπικός δείκτης για την ανίχνευση πολλαπλών τύπων ανωμαλιών στην ποιότητα των υδάτων σε σύνθετα γεωγραφικά περιβάλλοντα

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 13:10, 13 Ιανουαρίου 2026

Πρωτότυπος τίτλος: A remote sensing index for the detection of multi-type water quality anomalies in complex geographical environments.

Συγγραφείς: Haishuo Wei, Kun Jia, Qiao Wang, Biao Cao, Jianbo Qi, Wenzhi Zhao, Kai Yan

Δημοσίευση: 5 Φεβρουαρίου 2024

Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]

Πλήρης βιβλιογραφική αναφορά: Wei, H., Jia, K., Wang, Q., Cao, B., Qi, J., Zhao, W., & Yan, K. (2024). A remote sensing index for the detection of multi-type water quality anomalies in complex geographical environments. International Journal of Digital Earth, 17(1). doi: 10.1080/17538947.2024.2313695

Λέξεις/φράσεις–κλειδιά: ανωμαλίες ποιότητας νερού, τηλεπισκοπική ανίχνευση, σύνθετα γεωγραφικά περιβάλλοντα, φασματικά χαρακτηριστικά, SDG 15.1

Εισαγωγή

Η Ατζέντα 2030 για την Βιώσιμη Ανάπτυξη (ΟΗΕ, 2015) περιλαμβάνει τον Στόχο Βιώσιμης Ανάπτυξης (SDG) 15.1 για τη διασφάλιση της διατήρησης, αποκατάστασης και αειφόρου χρήσης των χερσαίων και υδάτινων οικοσυστημάτων γλυκού νερού και των υπηρεσιών τους. Ωστόσο, οι συχνές, πλέον, ανωμαλίες στην ποιότητα του νερού απειλούν τη σταθερότητα αυτών των οικοσυστημάτων κι έτσι κρίνεται αναγκαία η παρακολούθησή τους σε πραγματικό χρόνο.

«Ανωμαλία» στην ποιότητα του νερού αποτελεί κάθε φαινόμενο που απειλεί το φυσικό ή κοινωνικό περιβάλλον, καταστρέφοντας την σταθερή ισορροπία των υδάτινων περιοχών ή μετατρέποντας ξαφνικά χερσαίες εκτάσεις σε υδάτινες, λόγω φυσικών ή/και ανθρωπογενών παραγόντων.

Οι υπάρχουσες μέθοδοι ανίχνευσης αυτών των ανωμαλιών αξιοποιούν δορυφόρους τηλεπισκόπησης πολλαπλών πηγών προς σχηματισμό ενός εικονικού αστερισμού (virtual constellation) για τη βελτίωση της χρονικής ανάλυσης. Όμως, παρουσιάζουν καθυστερήσεις 1 – 4 ημερών, με αποτέλεσμα να μην ανταποκρίνονται επαρκώς στις πραγματικές ανάγκες των υπηρεσιών έκτακτης ανάγκης για ανωμαλίες στην ποιότητα του νερού, οι οποίες απαιτούν απόκριση επιπέδου μερικών λεπτών. Η ανίχνευση απευθείας σε τροχιά (on – orbit) είναι η πλέον ενδεδειγμένη λύση, απλοποιώντας τις διαδικασίες και επιταχύνοντας την απόκριση.

Επιπλέον, παρά την εξέλιξη των τεχνολογιών προεπεξεργασίας δεδομένων εντός του δορυφόρου, οι υπάρχοντες φασματικοί δείκτες μειονεκτούν διότι:

• Συγχέουν τις ανωμαλίες νερού με τη στεριά
• Απαιτούν τη χρήση χαρτών κάλυψης γης
• Εξειδικεύονται σε ένα μόνο είδος υδατικής ανωμαλίας

Η παρούσα μελέτη προτείνει έναν ενιαίο τηλεπισκοπικό δείκτη για τον εντοπισμό πολλαπλών τύπων ανωμαλιών νερού σε σύνθετα περιβάλλοντα. Μέσα από την ανάλυση των φασματικών χαρακτηριστικών νερού, ανωμαλιών και ξηράς, ο προτεινόμενος δείκτης μειώνει τον όγκο και την πολυπλοκότητα των δεδομένων που απαιτούνται και ενισχύει τη δυνατότητα άμεσης ανίχνευσης σε πραγματικό χρόνο. Η αποτελεσματικότητά του επιβεβαιώνεται μέσω της σύγκρισης με κλασικούς δείκτες σε διάφορα σενάρια.

Μεθοδολογία

Εικόνα 1: Φασματικές καμπύλες ανακλαστικότητας των διαφορετικών επιφανειών της γης.

Ανάλυση των φασματικών χαρακτηριστικών των διαφορετικών επιφανειών της γης: Για την ανάλυση των φασματικών χαρακτηριστικών των διαφορετικών επιφανειών της γης χρησιμοποιήθηκαν πολυφασματικά δεδομένα του Sentinel – 2 για 2.600 δείγματα που περιλάμβαναν κανονικό νερό, όλες τις υδάτινες ανωμαλίες και κάποιους κοινούς τύπους κάλυψης γης κι εξήχθησαν οι καμπύλες φασματικής ανακλαστικότητας για τις επιφάνειες αυτές, βάσει των δειγμάτων. Κατόπιν χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της τεταρτημοριακής απόστασης για τον προσδιορισμό των λογικών μέγιστων και ελάχιστων τιμών ανάκλασης των διαφορετικών επιφανειών (σχέσεις 1, 2) και εξαλείφθηκαν οι μη λογικές. Έπειτα, η μέση ανακλαστικότητά τους σε κάθε ζώνη υπολογίστηκε προς την τελική κατασκευή των φασματικών καμπυλών ανακλαστικότητας (σχέση 3).

όπου:

• max(bi,rk)/min(bi,rk), η μέγιστη/ελάχιστη τιμή ανάκλασης της rk-οστής γήινης επιφάνειας στη bi-οστή φασματική ζώνη,
• Q1/Q3 η πρώτη/τρίτη τεταρτημοριακή απόσταση,
• fmean(bi,rk) η μέση ανάκλαση της rk-οστής γήινης επιφάνειας στη bi-οστή φασματική ζώνη,
• (bi,rk,n) η ανάκλαση της rk-οστής γήινης επιφάνειας στη bi-οστή φασματική ζώνη και στο n-οστό τυχαίο σημείο,
• n o αριθμός των τυχαίων σημείων πάνω στην rk-οστή γήινη επιφάνεια.

Κατασκευή του δείκτη τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση ανωμαλιών στην ποιότητα του νερού: Η ανάλυση των φασματικών χαρακτηριστικών των διαφορετικών γήινων επιφανειών οδήγησε στη δημιουργία του Δείκτη Ανωμαλίας Νερού (Water Anomaly Index – WAI). Αρχικά, δημιουργήθηκε ο δείκτης WAI_0 (σχέση 4) που απεικόνιζε τις κανονικές πληροφορίες για το νερό βάσει των ζωνών υψηλής ανάκλασης και απορρόφησής του. Έπειτα, αφαιρέθηκαν οι φασματικές ζώνες όπου οι ανωμαλίες παρουσιάζουν μέγιστη ανάκλαση και προέκυψε ο δείκτης WAI_1 (σχέση 5), που διαχωρίζει τις ανωμαλίες από το καθαρό νερό αξιοποιώντας τη μετατόπιση των κορυφών ανάκλασης προς το πράσινο, κόκκινο και εγγύς υπέρυθρο τμήμα του ΗΜ φάσματος. Για την αποφυγή της σύγχυσης υδάτινων επιφανειών και χερσαίων εκτάσεων, δημιουργήθηκε ο WAI_2 (σχέση 6) με κανονικοποίηση μεταξύ μπλε ζώνης και SWIR2. Τελικά, για να αποκλειστούν δυσδιάκριτες επιφάνειες προστέθηκε ένα στατιστικό κατώφλι (threshold) στο μπλε κανάλι (>0.13). Ο τελικός δείκτης WAI (σχέση 7) προέκυψε με συνδυασμό των ανωτέρω κριτηρίων, αποτελώντας ικανό εργαλείο εντοπισμού πολλαπλών ανώμαλων υδάτινων επιφανειών σε σύνθετα περιβάλλοντα με μεγάλη ακρίβεια και πλήρη συμβατότητα με τους διάφορους δορυφορικούς αισθητήρες.

Σχέσεις: WAI_0, WAI_1, WAI_2, WAI

Έλεγχος του προτεινόμενου δείκτη (WAI)

Πίνακας 1: Πληροφορίες σχετικά με τον χρόνο και τον τόπο λήψης των επιλεγμένων δεδομένων Sentinel-2.

Πίνακας 2: Η ακρίβεια, η ανάκληση και οι βαθμολογίες F1 των διαφορετικών αποτελεσμάτων ανίχνευσης ανωμαλιών στην ποιότητα του νερού.

Ειδικά πειράματα ανίχνευσης ανωμαλιών στην ποιότητα του νερού: Για τον έλεγχο του προτεινόμενου δείκτη (WAI) επιλέχθηκαν ως πειραματικές περιοχές τυχαία οκτώ διαφορετικά συμβάντα υδάτινων ανωμαλιών, έξι χερσαίες περιοχές και μία με κανονικό νερό από δεδομένα χωρικής ανάλυσης 10m του Sentinel – 2.

Για τις ανάγκες των πειραμάτων υπολογίστηκαν αρχικά εικόνες της κλίμακας του γκρι για τον δείκτη WAI και έπειτα αντίστοιχες εικόνες από εξειδικευμένους δείκτες (FAI, EVI, RI, BOI, MNDWI, NDWI, FI, WRDI) για συγκεκριμένα φαινόμενα προς σύγκριση των αποδόσεων. Για τον βέλτιστο διαχωρισμό μεταξύ νερού, ανωμαλιών και χέρσου δημιουργήθηκαν χάρτες κατανομής συχνοτήτων για κάθε δείκτη και στη συνέχεια ορίστηκαν κατάλληλα κατώφλια (thresholds) για το διαχωρισμό βάσει του εύρους τιμών της κάθε επιφάνειας. Έτσι ολοκληρώθηκε η διαδικασία ταυτοποίησης και διαμορφώθηκε ένα προτεινόμενο εύρος τιμών του δείκτη WAI.

Αξιολόγηση ακρίβειας: Για την αξιολόγηση της ακρίβειας εντοπισμού των υδάτινων ανωμαλιών, επιλέχθηκε ένα τυχαίο και ομοιόμορφο σύνολο σημείων επαλήθευσης για κάθε κατηγορία. Πραγματοποιήθηκε οπτικός έλεγχος, συγκρίνοντας εικόνες – στόχους με δορυφορικά δεδομένα του Sentinel – 2 για την ίδια περιοχή και εικόνες υψηλότερης ανάλυσης. Ύστερα, κατασκευάστηκε πίνακας σύγχυσης (confusion matrix) για τον υπολογισμό της ακρίβειας (precision), την ανάκλησης (recall), και της βαθμολόγησης F1. (F1 - score) (σχέσεις 8, 9, 10, για αποτελέσματα βλ. Πίνακα 2)).

Αποτελέσματα

Εικόνα 2: Φυσικές έγχρωμες εικόνες, εικόνες σε κλίμακα του γκρι με δείκτες τηλεπισκόπησης και αποτελέσματα ανίχνευσης ανωμαλιών στην ποιότητα του νερού. Το λευκό χρώμα αντιπροσωπεύει τις ανωμαλίες στην ποιότητα του νερού και το μαύρο τις ανωμαλίες που δεν σχετίζονται με την ποιότητα του νερού στα αποτελέσματα ανίχνευσης.

Εικόνα 3: Οι φυσικές έγχρωμες εικόνες, οι εικόνες σε κλίμακα του γκρι του WAI και τα αποτελέσματα ανίχνευσης ανωμαλιών στην ποιότητα του νερού. Το λευκό χρώμα αντιπροσωπεύει τις ανωμαλίες στην ποιότητα του νερού και το μαύρο τις ανωμαλίες που δεν σχετίζονται με την ποιότητα του νερού στα αποτελέσματα ανίχνευσης.

Ο δείκτης WAI υπερέχει έναντι των κλασικών δεικτών προσφέροντας σαφή διαχωρισμό μεταξύ καθαρού νερού, υδάτινων ανωμαλιών και ξηράς. Όπως φαίνεται στις εικόνες 2 και 3 , η διαφορά στη φωτεινότητα επιτρέπει τον εύκολο διαχωρισμό του κανονικού νερού, των υδάτινων ανωμαλιών και της ξηράς, με τις καμπύλες συχνότητάς του να επιβεβαιώνουν την μηδενική επικάλυψη των τιμών μεταξύ των κλάσεων. Στατιστικά, ο WAI επιτυγχάνει εξαιρετική ακρίβεια, χωρίς να εμφανίζει τα σφάλματα των παλαιότερων δεικτών.

Σχήμα 1: Kατανομή συχνότητας των μη υδάτινων περιοχών, των κανονικών υδάτινων περιοχών και των ανωμαλιών στην ποιότητα του νερού για διαφορετικούς δείκτες τηλεπισκόπησης.

Συζήτηση και συμπεράσματα

Στην παρούσα μελέτη παρουσιάστηκε ένας νέος Δείκτης Ανωμαλιών Νερού (WAI) με στόχο την ακριβή και απευθείας σε τροχιά ανίχνευση πολλαπλών τύπων υδάτινων ανωμαλιών σε σύνθετα γεωγραφικά περιβάλλοντα. Ο δείκτης αυτός εισάγει τρεις βασικές καινοτομίες:

• Εφαρμογή σε σύνθετα περιβάλλοντα
• Καταλληλότητα για επεξεργασία σε τροχιά (on – orbit)
• Δυνατότητα χρήσης από διάφορους δορυφόρους προς σχηματισμό εικονικού αστερισμού(virtual constellation)

Οι περιορισμοί του αφορούν τις στατιστικές παραμέτρους (σταθερό κατώφλι), την ανάγκη προηγούμενης γνώσης και την εξάρτηση από την ανακλαστικότητα της επιφάνειας.

Ο WAI αποδείχτηκε αποτελεσματικότερος από τους έως σήμερα γνωστούς δείκτες, εφαρμόζεται καθολικά σε ποικίλα περιβάλλοντα και συμβάλλει άμεσα στην επίτευξη του SDG 15.1.

Σημείωση Πνευματικών Δικαιωμάτων: Το παρόν άρθρο αποτελεί αποδελτίωση του πρωτότυπου κειμένου και αναρτάται για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Το περιεχόμενο, καθώς και το συνοδευτικό υλικό που περιλαμβάνει αποτελούν πνευματική ιδιοκτησία των αρχικών συγγραφέων.