Ο ρόλος κλειδί της τηλεπισκόπησης στην αξιολόγηση περιβαλλοντικών ζητημάτων που τίθενται από την εξόρυξη

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 18:04, 9 Φεβρουαρίου 2010

Αντικείμενο και στόχος της εφαρμογής

Η ταχεία οικονομική ανάπτυξη και η συνεχιζόμενη αύξηση του πληθυσμού τα τελευταία τριάντα χρόνια στην Κίνα έχουν κάνει επιτακτική την ανάγκη της αντιμετώπισης των περιβαλλοντικών προβλημάτων που έχουν προκύψει από την ανθρώπινη μεταλλευτική δραστηριότητα. Για την αντιμετώπισή τους και την επίτευξη της βιώσιμης ανάπτυξης, οι συγγραφείς του άρθρου προτείνουν μια στρατηγική τριών βημάτων. Πρώτον γίνεται προσπάθεια απόκτησης ακριβών πληροφοριών για τα περιβαλλοντικά προβλήματα με τη διεξαγωγή μιας γεω-περιβαλλοντικής έρευνας. Δεύτερον, δημιουργείται ένα λεπτομερές πλάνο επιδιόρθωσης και ένα αντίστοιχο σχέδιο – βάση επένδυσης στην παρούσα περιβαλλοντική κατάσταση, βασισμένο σε ποσοτικά δεδομένα. Τέλος, ξεκινάει η επιδιορθωτική δουλειά σε συνδυασμό με ένα μακροχρόνιο ελεγκτικό μηχανισμό για τη διατήρηση της καλής κατάστασης στις περιοχές των ορυχείων. Τα βασικά δεδομένα για τις περιβαλλοντικές πληροφορίες πρέπει να συλλεχθούν έγκαιρα για τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων για εύκολη αποθήκευση και χρήση. Η σύνθεση της τεχνικής της τηλεπισκόπησης και της συμβατικής δουλειάς στο πεδίο είναι μια αποτελεσματική προσέγγιση για την απόκτηση αυτών των δεδομένων. Στην έρευνα αυτή γίνεται μελέτη του ρόλου των υψηλής ανάλυσης δορυφορικών εικόνων και του αντίστοιχου λογισμικού επεξεργασίας των δεδομένων, καθώς και προτάσεις για τη βελτίωσή τους για μελλοντική χρήση.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στη βορειοανατολική Κίνα, κοντά στην πόλη Liaoyuan, σημαντική βιομηχανική περιοχή. Η μεταλλευτική δραστηριότητα χρονολογείται από το 1911 ενώ απαντώνται 33 τύποι ορυκτών, μεταξύ των οποίων άνθρακας, σίδηρος, μαγγάνιο, χρυσός, μάρμαρο, σιλικόνη, ασβεστόλιθος, κτλ.

Προεπεξεργασία δεδομένων

Τα ανεπεξέργαστα δεδομένα των εικόνων συμπεριλαμβάνουν μια spot5 2,5m PA εικόνα and τρεις spot5 10m XS εικόνες και μπορούν να μετατραπούν σε μια έγχρωμη γεωκωδική ορθο-εικόνα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή βασικών περιβαλλοντικών δεδομένων σε δύο κύρια βήματα: συγχώνευση εικόνων και γεωκωδικοποίηση. Όλη η πορεία επεξεργασίας των δεδομένων παρέχεται εύκολα από το σύστημα επεξεργασίας δεδομένων τηλεπισκόπισης ERDAS IMAGINE 8.5. Οι πρωτότυπες εικόνες αρχικά ενισχύονται ραδιομετρικά. Έπειτα, εφαρμόζοντας το πρωτόκολλο του συνθέτου RGB, οι τρεις 10m XS εικόνες, μετατρέπονται σε μια έγχρωμη εικόνα 10m. Σ’ αυτή τη φάση, μπορεί να ξεκινήσει το πρώτο βήμα της κυρίως επεξεργασίας, το οποίο περιλαμβάνει τη σύνδεση της 2,5m PA εικόνας και της 10m έγχρωμης XS εικόνας σε μια έγχρωμη 2,5m εικόνα. Μια από τις τεχνικές κλειδιά για τη συγχώνευση εικόνων, είναι η διόρθωση της XS εικόνας με βάση την PA εικόνα και τέλος, η εκτέλεση ενός αλγορίθμου συγχώνευσης, που ονομάζεται ανάλυση κυρίων συνιστωσών, για την ολοκλήρωση αυτού του βήματος. Τα GCPs (ground control points, σημεία ελέγχου εδάφους) και DEM (digital elevation model, ψηφιακό μοντέλο εδάφους) είναι δύο προαπαιτούμενα δεδομένα εισόδου για τη διαδικασία γεωκωδικωποίησης των εικόνων. Τα GCPs μπορούν να επιλέξουν απευθείας από ένα χάρτη αναγλύφου κλίμακας 1:50.000 και το DEM μπορεί να δημιουργηθεί με την ψηφιοποίηση του περιγράμματος στον ίδιο χάρτη αναγλύφου. Το DEM που φαίνεται στην εικόνα είναι, επίσης, σημαντική πληροφορία για την αξιολόγηση του γεω-περιβάλλοντος, καθώς δεν είναι απλά έλεγχος της κίνησης του νερού που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια, αλλά μπορεί να επηρεάσει το τοπικό κλίμα. Η γεωκωδικοποίηση είναι ένα ακόμα σημαντικό στοιχείο της επεξεργασίας. Στο βήμα αυτό η γεωμετρική αλλοίωση των δορυφορικών εικόνων μπορεί να διορθωθεί ώστε να λάβουμε την τελική ορθο-εικόνα, και κάθε εικονοστοιχείο της ορθο-εικόνας μπορεί να σχετιστεί με τις αντίστοιχες γεωγραφικές συνεταγμένες την ίδια στιγμή. Ένας διορθωμένος πολυωνυμικός αλγόριθμος, που λαμβάνει υπόψιν του τους πολύπλοκους παράγοντες του εδάφους, επιλέγεται για να εκτελέσει αυτό το βήμα.

Αναβάθμιση των διανυσματικών δεδομένων των παλιών χαρτών

Τα διανυσματικά δεδομένα παλιών χαρτών που έχουμε στη διάθεσή μας, τα οποία περιλαμβάνουν δρόμους, νερά, βλάστηση, χρήσεις γης, τοπογραφία, κτλ, είναι πολύ σημαντικά για την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών συνθηκών της περιοχής μελέτης. Παρ’ όλ’ αυτά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν απευθείας καθώς παύουν να είναι σύγχρονα λόγω της ταχείας οικονομικής ανάπτυξης. Έτσι, πρέπει να αναβαθμιστούν με βάση τη νέα ορθο-εικόνα. Από όλα τα δεδομένα, εξέχουσας σημασίας είναι αυτά που αφορούν στους υδάτινους αποδέκτες, καθώς η ρύπανση από τα ορυχεία στα παρακείμενα ύδατα είναι σημαντική και μεταφέρεται στις γύρω περιοχές μέσω της κίνησης του νερού.

Βασικά δεδομένα για την κατάσταση του περιβάλλοντος λόγω των δραστηριοτήτων εξόρυξης

Τα βασικά δεδομένα που απαιτούνται για την εκτίμηση του περιβάλλοντος σε περιοχές εξόρυξης συνήθως περιλαμβάνουν την τοποθεσία των εστιών μόλυνσης και τις περιοχές που επηρεάζονται από τις εστίες αυτές. Κάποια από αυτά τα δεδομένα μπορούν να ληφθούν από τις γεωκωδικοποιημένες δορυφορικές εικόνες, ενώ τα υπόλοιπα από συγχώνευση δορυφορικών εικόνων και εργασίας πεδίου. Το μαύρο χρώμα είναι ένα εμφανές χαρακτηριστικό του άνθρακα. Για το λόγο αυτό, μια μεγάλη ποσότητα ρύπανσης που οφείλεται στον άνθρακα που εξορύσσεται, μπορεί να ανιχνευτεί εύκολα από τις εικόνες. Σε κάποια ορυχεία, ο άνθρακας ή τα μέταλλα είναι υπαίθριας εκμετάλλευσης. Στις περιπτώσεις αυτές, μετά το τέλος της εξόρυξης, παραμένει ένας μεγάλος σωρός, καταστρέφοντας σημαντική ποσότητα εδάφους χρήσιμου στη γεωργία. Στα μεταλλεία, υπάρχει συνήθως μια δεξαμενή, η οποία χρησιμεύει στο διαχωρισμό των μεταλλευμάτων μεταξύ τους και αποτελεί ακόμα μία πηγή ρύπανσης, εύκολα ανιχνεύσιμη από το μαύρο της χρώμα. Λόγω περιορισμού των τεχνικών εργαλείων, υπάρχουν κάποια βασικά δεδομένα που αντανακλούν την κατάσταση του γεωλογικού περιβάλλοντος λόγω των ορυχείων, όπως η καθίζηση, η υποχώρηση και οι ρωγμές του εδάφους, τα οποία, αν και σημαντικά, δεν μπορούν να ανιχνευθούν στις δορυφορικές εικόνες. Στην περίπτωση αυτή, απαιτείται εργασία στο πεδίο για την απόκτησή τους, χρησιμοποιώντας τις δορυφορικές εικόνες ως πρόσθετη βοήθεια, που θα υποδεικνύει τις πιθανές πηγές ρύπανσης.

Κύριο πλαίσιο διαχείρισης των δεδομένων

Η συλλογή των βασικών δεδομένων είναι το πρώτο βήμα αξιολόγησης και ελέγχου της κατάστασης του γεωλογικού περιβάλλοντος που προκαλείται από τα ορυχεία. Έπειτα τα δεδομένα αυτά πρέπει να αναλυθούν ώστε να δημιουργηθούν μοντέλα της υπάρχουσας κατάστασης. Έτσι, δημιουργείται μια πορεία τριών σταδίων για περαιτέρω διαχείριση και ανάλυση των δεδομένων. Στο πρώτο στάδιο, επιλέγεται ένα λογισμικό, όπως τα ERDAS ή ENVI, για να ερμηνεύσει τη γεωκωδικοποιημένη εικόνα ή τα δεδομένα από την εργασία πεδίου. Τα ληφθέντα διανυσματικά δεδομένα ταξινομούνται με βάση διαφορετικούς κανόνες. Ένας κανόνας είναι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δεδομένων, όπως τα σημεία, οι γραμμές και τα πολύγωνα. Ένας άλλος κανόνας αφορά στα φυσικά χαρακτηριστικά των δεδομένων, όπως η τοπογραφία, η επιφάνεια του νερού, η υποχώρηση του εδάφους, κτλ. Σε όλα τα δεδομένα προσδιορίζονται οι πληροφορίες της τοποθεσίας τους και φορτώνονται σε ένα σύστημα γεωδιαστημικής βάσης δεδομένων. Στο δεύτερο βήμα, δημιουργείται η γεωδιαστημική βάση δεδομένων σε περιβάλλον ΓΣΠ. Τα ΓΣΠ, όπως το ArcGIS, αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο αποθήκευσης και διαχείρισης μεγάλης ποσότητας γεω-δεδομένων. Όλα τα διανυσματικά δεδομένα που προέρχονται από το πρώτο βήμα πρέπει να οργανωθούν ως διαφορετικά επίπεδα ΓΣΠ, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους και να φορτωθούν στη βάση. Το σύστημα της βάσης είναι επίσης εφοδιασμένο με εργαλεία ανάπτυξης που χρησιμοποιούνται στη δημιουργία ενοτήτων στο τρίτο βήμα. Στο βήμα αυτό διακρίνουμε δύο σημαντικές ενότητες: την ενότητα εκτίμησης και την ενότητα ελέγχου. Οι ενότητες αυτές αποτελούν ισχυρά εργαλεία για την οπτικοποίηση και τη χαρτογράφηση της κατάστασης του περιβάλλοντος. Η ενότητα εκτίμησης δίνει έμφαση στην ανάπτυξη ποσοτικών μοντέλων για την απόκτηση μιας ολοκληρωμένης οπτικής της κατάστασης του περιβάλλοντος ώστε να δημιουργηθεί ένα σχέδιο ανάκαμψης. Αντίθετα η ενότητα ελέγχου δίνει περισσότερη προσοχή στην προσφορά ποικίλων πληροφοριών συγκεκριμένων σημαντικών παραμέτρων που είναι ευαίσθητοι στις περιβαλλοντικές αλλαγές, έτσι ώστε η υποβάθμιση του περιβάλλοντος να ανιχνευτεί και να περιοριστεί έγκαιρα.

Συμπεράσματα

Για την αντιμετώπιση της ρύπανσης που προκαλείται από τα ορυχεία, απαιτείται η ανίχνευση και ο έλεγχος της υπάρχουσας περιβαλλοντικής κατάστασης. Στο σημείο αυτό, είδαμε ότι η τηλεπισκόπηση παίζει πολύ σημαντικό ρόλο, που χωρίζεται σε τρεις τομείς. Πρώτον, τα παλιά διανυσματικά δεδομένα μπορούν να αναβαθμιστούν και μερικά βασικά δεδομένα για το γεωλογικό περιβάλλον μπορούν να αποκτηθούν απευθείας από υψηλής ακρίβειας δορυφορικές εικόνες. Δεύτερον, οι δορυφορικές εικόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως βοηθητικό εργαλείο στην έρευνα πεδίου. Τέλος, όλα τα δεδομένα μπορούν να εφοδιαστούν με γεωγραφικές συντεταγμένες και να φορτωθούν εύκολα σε ένα γεω-διαστημικό σύστημα εφοδιασμένο με εργαλεία για την οπτικοποίηση, τον έλεγχο και την ανάλυση των δεδομένων. Οι εικόνες της τηλεπισκόπησης μπορούν αναμφίβολα να παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για το γεωλογικό περιβάλλον και ο τελικός στόχος της μελέτης αυτής είναι η αξιολόγηση και ο έλεγχος της κατάστασης του γεωλογικού περιβάλλοντος στα μεγάλα ορυχεία της Κίνας. Προς το παρόν, μόνο ένα αρχικό σχέδιο έχει δημιουργηθεί και μόνο μια μικρή περιοχή έχει ερευνηθεί σύμφωνα με αυτές τις τεχνικές. Περαιτέρω μελέτη χρειάζεται για την επίτευξη του στόχου. Το επόμενο βήμα της έρευνας απαιτεί τη χρήση τεχνικών εργαλείων που θα περιλαμβάνουν τηλεπισκοπικές εικόνες διαφορετικών πηγών ή διαχωριστικών ικανοτήτων, όπως αεροφωτογραφίες, δορυφορικές εικόνες ή εικόνες SAR, για την απόκτηση πληροφοριών αποτελεσματικά και με ακρίβεια. Εν τω μεταξύ, μια επιπλέον σημαντική εργασία που πρέπει να διενεργηθεί είναι η δημιουργία ποσοτικών μοντέλων που θα απεικονίζουν την κατάσταση του γεωλογικού περιβάλλοντος, έτσι ώστε να μπουν οι βάσεις για την εξαγωγή ενός σχεδίου για τη χρήση των πρώτων υλών στα ορυχεία της Κίνας.