Παρακολούθηση της Φωτορύπανσης με Υπερφασματική Τηλεπισκόπηση

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 15:22, 9 Φεβρουαρίου 2017

Εικόνα 1: Εικόνα VIRS 200 της πόλης Viareggio σε κλίμακα του γκρι, όπως φαίνεται στο ένατο (9ο) κανάλι (546.25 nm). Τα βέλη δείχνουν τις θέσεις με τα αχνά φώτα της πόλης

Εικόνα 2: Σύνθετη εικόνα MIVIS που λήφθηκε πάνω από την πόλη Viareggio και περιλαμβάνει την χαρτογράφηση του εκατοστού (100ου) καναλιού ως κόκκινο, του ενενηκοστού πέμπτου (95ου) καναλιού ως πράσινο και του ενενηκοστού (93ου) τρίτου καναλιού ως μπλε

Alessandro Barducci, Marco Benvenuti, Laura Bonora, Francesco Castagnoli, Donatella Guzzi, Paolo Marcoionni and Ivan Pippi 2006. Hyperspectral remote sensing for light pollution monitoring. ANNALS OF GEOPHYSICS, VOL. 49, N. 1, February 2006. Πηγή: http://www.earth-prints.org/bitstream/2122/1964/1/34%20Barducci.pdf (8/11/2016)

Μία πιθανή εφαρμογή της υπερφασματικής τηλεπισκόπησης αφορά την εκτίμηση της φωτορύπανσης στις αστικές και τις βιομηχανικές περιοχές. Η φωτορύπανση, ένα πρόβλημα που επηρεάζει τις περισσότερες αστικές περιοχές, παράγεται από ένα μεγάλο αριθμό πηγών φωτισμού, το φως των οποίων διασκορπίζεται στον ουρανό λόγω της παρουσίας σκόνης και αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα (Catanzaro and Catalano, 2000; Cinzano et al. 2001). Αποτέλεσμα αυτού είναι ο ουρανός να είναι πιο φωτεινός από τα κανονικά επίπεδα, ενώ μία από τις συνέπειες που επιφέρει είναι ότι τα άστρα και άλλα αστρονομικά αντικείμενα, που είναι γενικά αχνά, να χάνονται λόγω της λάμψης του φόντου.

Μετά από την χρήση αισθητήρων OLS (Operational Line Scan) στην Εθνική Ωκεανογραφική και Ατμοσφαιρική Υπηρεσία στο Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα (DMSP), η απομακρυσμένη αξιολόγηση της φωτορύπανσης απέκτησε νέες δυνατότητες, συμπληρώνοντας πληροφορίες που βασίζονται σε μετρήσεις εδάφους (Isobe, 1008; Isobe and Kosai, 1998; Isobe and Hamamura, 1998; Walker, 1973).

Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από μία καμπάνια τηλεπισκόπησης που έλαβε χώρα τον Σεπτέμβριο του 2001. Για πρώτη φορά μετρήθηκε η νυχτερινή φωτορύπανση σε υψηλή χωρική και φασματική ανάλυση με τη χρήση δύο αερομεταφερόμενων υπερφασματικών αισθητήρων, το φασματόμετρο πολυφασματικής απεικόνισης στο ορατό-υπέρυθρο (MIVIS) και το ορατό-υπέρυθρο ραδιόμετρο (VIRS-200). Αυτά τα συστήματα απεικόνισης που γενικά χρησιμοποιήθηκαν για την τηλεπισκόπηση κατά τη διάρκεια της ημέρας, πέταξαν πάνω από την ακτή της Τοσκάνης (Ιταλία) επί του σκάφους Casa 212/200 σε υψόμετρο 1,5-2,0 km.

Προκειμένου να χαρτογραφηθούν οι κύριες γραμμές εκπομπής από τα κοινά φώτα των πόλεων που χρησιμοποιούνται για το δημόσιο φωτισμό επιλέχθηκε η βέλτιστη φασματική ρύθμιση. Συγκεκριμένα, τέσσερα φασματικά κανάλια επιλέχθηκαν για την παρατήρηση των ευρέων φασματικών εκπομπών από τις πηγές με υψηλή πίεση νατρίου (Na) (ευρεία χαρακτηριστικά εντοπίζονται κοντά στα 570 nm και στα 600nm περίπου). Έξι κανάλια χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση τριών γραμμών εκπομπής υδραργύρου (Hg) στα 435.85 nm, 546.07 nm, και στο δισεπίλυτο ζευγάρι 576.96 nm-579.07 nm. Άλλα έξι φασματικά κανάλια επιλέχθηκαν για τη μέτρηση τριών γραμμών εκπομπής από πηγές μικτών ατμών που είχαν μήκη κύματος περίπου 450 nm, 533 nm και 586 nm. Τα εναπομείναντα τέσσερα κανάλια χρησιμοποιήθηκαν ως αναφορά και συντονίσθηκαν στις ακόλουθες θέσεις μηκών κύματος: 506.25 nm, 701.25 nm, 801.25 nm και 936,25 nm. Το κανάλι στα 936.25 nm εμπίπτει σε μία ζώνη ισχυρής ατμοσφαιρικής απορρόφησης υδρατμών νερού (H2O).

Για να ανακτηθούν τα φάσματα από τις εικόνες του αισθητήρα VIRS 200 έχει γίνει προ-επεξεργασία με την αφαίρεση του σκούρου τμήματος, επίπεδη διόρθωση γης και μετατροπή σε μονάδες ακτινοβολίας (nW cm-2 sr-1 nm-1) (Barducci and Pippi, 2001). Στις εικόνες ακτινοβολίας εφαρμόστηκαν φίλτρα ώστε να απομακρυνθεί ο θόρυβος σε λιγότερο από 3σ, όπου «σ» η τυπική απόκλιση του θορύβου. Μία εικόνα VIRS 200 λήφθηκε στο ένατο (9ο) κανάλι (546.25 nm) πάνω από το Viareggio, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.

Η θέση του μήκους κύματος του καναλιού που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή αυτής της εικόνας επιλέχθηκε για τη χαρτογράφηση μίας από τις πιο έντονες γραμμές εκπομπής που καταγράφηκαν κατά την μελέτη πεδίου. Η απεικόνιση VIRS 200 είναι ικανή να επιλύσει φασματικά και χωρικά ακόμη και τα αχνά φώτα της πόλης. Από την ανάλυση των ληφθέντων φασμάτων, παρατηρήθηκε μία εικόνα με μέγιστη φωτεινότητα της τάξης των 2000-2500 nW cm-2 sr-1 nm-1. Το ποσό αυτό είναι κοντά στις μέγιστες τιμές της ακτινοβολίας στον αισθητήρα που παρατηρήθηκαν στις μετρήσεις κατά τη διάρκεια της ημέρας πάνω από επιφάνεια χαμηλής ανακλαστικότητας, όπως επιφάνειες μέσα σε νερό, άσφαλτος, καμένες εκτάσεις. Αυτά τα επίπεδα ακτινοβολίας μπορούν εύκολα να υπολογισθούν με την εφαρμογή, για παράδειγμα, του κώδικα MODTRAN.

Μία σύνθετη εικόνα MIVIS πάνω από την πόλη Viareggio φαίνεται στην Eικόνα 2, χαρτογραφώντας το εκατοστό (100ο) κανάλι ως κόκκινο, το ενενηκοστό πέμπτο (95ο) ως πράσινο και το ενενηκοστό τρίτο (93ο) ως μπλε. Όπως ήταν αναμενόμενο, η εικόνα δείχνει χαμηλή αντίθεση λόγω του υψηλού βαθμού συσχέτισης της έντασης μεταξύ θερμικών υπέρυθρων μηκών κύματος.

Επαληθεύτηκε ότι τα δεδομένα MIVIS στο ορατό και το εγγύς υπέρυθρο δεν είναι κατάλληλα για το σκοπό που επιδιώκεται στην έρευνα, καθώς αυτά τα φασματικά κανάλια δεν είναι σε θέση να ανιχνεύσουν τα αχνά φώτα της πόλης που εντοπίσθηκαν από το VIRS-200 (Οι εικόνες MIVIS σε αυτά τα μήκη κύματος αποτελούνται σχεδόν αποκλειστικά από θόρυβο). Λόγω της υψηλής ευαισθησίας η απεικόνιση VIRS-200 εντοπίζει ακόμα και τα αχνά φώτα της πόλης, σε αντίθεση με τον αισθητήρα MIVIS. Στην πραγματικότητα, ένα στενό φασματικό κανάλι συντονισμένο σε ένα μήκος κύματος με γραμμική εκπομπή της πηγής λαμβάνει υψηλότερο σήμα από αυτό που λαμβάνει ένα ευρυζωνικό κανάλι.

Συμπερασματικά, με την αξιοποίηση της τηλεπισκόπησης στη μελέτη της φωτορύπανσης είναι δυνατή η χαρτογράφηση των κύριων γραμμών εκπομπής του φωτός, καθώς ακόμη και ο εντοπισμός των πηγών αχνού φωτισμού. Επιπλέον, με την τηλεπισκόπηση μπορεί να υπολογισθεί η φωτορύπανση σε μεγάλες περιοχές, ενώ οι μετρήσεις πεδίου δεν προσφέρουν αυτή τη δυνατότητα παρά τη μεγάλη ακρίβεια των δεδομένων.

Πρόσθετες Πηγές

• darksky.gr, το ελληνικό παράρτημα της International Darksky Association http://www.darksky.gr/lightpollution.html (πρόσβαση στις 16/11/2016)
• Team Energy http://www.teamenergy.gr/ΦΩΤΟΡΥΠΑΝΣΗ.html (πρόσβαση στις 16/11/2016)