ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΧΗΜΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΤΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΤΟΥ ΟΖΟΝΤΟΣ ΣΤΟ ΛΕΚΑΝΟΠΕΔΙΟ ΑΘΗΝΩΝ.

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 19:33, 11 Φεβρουαρίου 2010

• Αξιολόγηση φωτοχημικών μοντέλων των Αιωρούμενων Σωματιδίων και του Όζοντος στο Λεκανοπέδιο Αθηνών

Στόχος

Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση της φάσης Ι της παραπάνω μελέτης που είναι η υλοποίηση κεντρικής βάσης δεδομένων αέριων ρύπων (αιωρούμενα σωματίδια, όζον) από επίγειες και δορυφορικές μετρήσεις πεδίου στο πλαίσιο ειδικών campaigns (case studies).

Είδη δορυφορικών συστημάτων, δεκτών , καναλιών και χρησιμότητα τους.

Η ανάκτηση και η χαρτογράφηση της οριζόντιας κατανομής του οπτικού βάθους των αερολυμάτων (ΑΟD) μπορούν να πραγματοποιηθούν με δέκτες χαμηλής διακριτικής ικανότητας (δηλ. με απόσταση επίγειας δειγματοληψίας της τάξης των δεκάδων χιλιομέτρων), όπως ο TOMS και ο SCIAMACHY οι οποίοι χρησιμοποιούνται κυρίως σε μελέτες παγκόσμιας κλίμακας. Οι δέκτες με μέτρια διακριτική ικανότητα (δηλ. με απόσταση επίγειας δειγματοληψίας της τάξης των μερικών χιλιομέτρων), όπως οι AVHRR, SEVIRI και GOME μπορούν να εξετάσουν προβλήματα ρύπανσης μεγάλης κλίμακας. Η χρήση δορυφόρων με απόσταση επίγειας δειγματοληψίας της τάξης των δεκάδων μέτρων αρχίζει σταδιακά να τραβά την προσοχή των ερευνητών που έχουν αναπτύξει μια σειρά από αντίστοιχες τεχνικές. Τέτοιοι δορυφορικοί δέκτες υψηλής διακριτικής ικανότητας είναι ο Landsat TM/ETM+, ο SPOT HRV/HRVIR και ο IRS-LISS-ΙΙΙ, και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον σε μελέτες αστικής κλίμακας. Η συχνότητα λήψης εικόνας όμως από αυτούς τους δορυφόρους παραμένει χαμηλή.

Με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα lidar κατά τη διάρκεια της περιόδου εντατικών μετρήσεις το 2007, επιλέχθηκαν δορυφορικά δεδομένα ΑΟD με ποικίλες χωρικές διακριτικές ικανότητες ως ακολούθως:

• δορυφορικά δεδομένα υψηλής διακριτικής ικανότητας: επιλέχθηκαν και αγοράστηκαν εικόνες IRS P6 LISS-III. Λόγω του υψηλού κόστους (~1500€ ανά τέταρτο εικόνας) αποκτήθηκαν μόνο δύο τέταρτα-εικόνων. Σύμφωνα με τις μετρήσεις συγκέντρωσης ρύπων του δικτύου ελέγχου του ΕΑΡΘ, επιλέχθηκαν ως "εικόνες αναφοράς" (χωρίς αέρια ρύπανση) η 16η Ιουνίου 2005 και η 19η Απριλίου 2007, ενώ η 24η Ιουλίου 2007 θεωρήθηκε ως "εικόνα ρύπανσης". Οι συντεταγμένες τροχιάς των επιλεγμένων.

εικόνων επάνω από την Αθήνα ήταν 043/043, όπως απεικονίζεται και στην Εικόνα 2.

ΕΙΚΟΝΑ 1: Χρονικός κατάλογος των δυνατών δορυφορικών λήψεων υψηλής διακριτικής ικανότητας στην Αθήνα για το έτος 2007. ΕΙΚΟΝΑ 2: Δορυφορική εικόνα υψηλής διακριτικής ικανότητας (IRS P6 LISS-III).

• δορυφορικά δεδομένα μέτριας προς υψηλή διακριτικής ικανότητας: επιλέχτηκαν και συγκεντρώθηκαν μέσω του κεντρικού υπολογιστή της NASA εικόνες MODIS και το αντίστοιχο προϊόν AOD (MOD04_L2) για τις ακόλουθες ημερομηνίες το 2007: 27 Ιουνίου, 28 Ιουνίου, 29 Ιουνίου, 2 Ιουλίου, 24 Ιουλίου, 25 Ιουλίου, 1 Οκτωβρίου.Σύμφωνα με βασισμένα τα στο έδαφος στοιχεία ρύπανσης, η εικόνα που αποκτήθηκε στις 16 Αυγούστου 2005 επιλέχθηκε ως "εικόνα αναφοράς".

• δορυφορικά δεδομένα μέτριας προς υψηλή διακριτικής ικανότητας: επιλέχτηκαν εικόνες AVHRR από τα αρχεία του ΙΔΕΤ-ΕΑΑ για τις ακόλουθες ημερομηνίες του 2007: 22 Αυγούστου, 27 Αυγούστου, 29 Αυγούστου. Εξάλλου η εικόνα που αποκτήθηκε την 1η Οκτωβρίου 2007 επιλέχθηκε ως "εικόνα αναφοράς" σύμφωνα με τις μετρήσεις ρύπανσης. Πρέπει να σημειωθεί ότι τα δεδομένα AVHRR καταγράφονται απευθείας μέσω σταθμού λήψης στο ΙΔΕΤ-ΕΑΑ.

Προεπεξεργασίες

Τα στάδια προεπεξεργασίας των εικόνων από τη στιγμή λήψης της εικόνας μέχρι τη δημιουργία του τελικού δυαδικού αρχείου μετρήσεων για την περιοχή ενδιαφέροντος περιελάμβαναν τα εξής:

• Ανάγνωση αρχείων μορφής hdf.

• Προβολή σε οριζοντιογραφικό σύστημα συντεταγμένων (UTM).

• Μετατροπή σε αρχεία geotif προκειμένου να μελετηθεί η χωρική αποτύπωση του οπτικού πάχους των αερολυμάτων.

• Δημιουργία αρχείων με τις διαχρονικές τιμές του οπτικού πάχους και του δείκτη Angstrom για τις περιοχές μελέτης.

Ψηφιακές, προχωρημένες, ειδικές επεξεργασίες των δορυφορικών εικόνων και αποτελέσματα.

1. Ανακτηση αερολυμάτων

Υπολογίστηκε το δορυφορικά παραγόμενο AOD μέσω αυτοματοποιημένης επεξεργασίας εικόνας και συγκεκριμένα εφαρμογή του κώδικα DTA (διαφορική ανάλυση της υφής) που αναπτύχθηκε από τους Sifakis et al. (1992 και 1998). Ο κώδικας εφαρμόστηκε στις επιλεγμένες εικόνες IRS, MODIS και AVHRR. Ειδικά η τελευταία κατηγορία εικόνων ακολούθησαν την επεξεργασία των Retalis et το al. (2003). Επιπλέον, εξετάστηκε για πρώτη φορά στα στοιχεία IRS, ο πρόσφατα αναπτυγμένος κώδικας CHRISTINE, ο οποίος χρησιμοποιεί ένα πολυφασματικό κριτήριο παραλλαγής για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων ταξινόμησης AOD λόγω μεταβολών στην κάλυψη του εδάφους μεταξύ εικόνας αναφοράς και εικόνας ρύπανσης.

ΕΙΚΟΝΑ 3: Χάρτης AOD υψηλής χωρικής ευκρίνειας από δεδομένα IRS-LISSIII στις 24/7/2007.

Επίσης, επιχειρήθηκε και μια σύγκριση των τιμών του ΑΟD, μεταξύ δύο χαρακτηριστικών περιοχών: του Λεκανοπεδίου Αθηνών και της πόλης της Μεγαλόπολης στην Πελοπόννησο. Τούτο συμβαίνει γιατί και οι δυό αυτές περιοχές παρουσιάζουν υψηλές συγκεντρώσεις αερολυμάτων.

2. Βαθμονόμηση αποτελεσμάτων.

Αρχικά τα δορυφορικά δεδομένα αναφοράς διορθώθηκαν ως προς τα προϊόντα MODIS AOD. Το προϊόν MODIS έδωσε τις μέσες τιμές AOD 0,06 και 0,17 για τις εικόνες αναφοράς 16/06/2005 και 19/04/2007 IRS αντίστοιχα, τιμές αρκούντως χαμηλές και στις δύο περιπτώσεις. Για την εικόνα αναφοράς MODIS (16/08/2005) το προϊόν MODIS έδωσε 0,09, επίσης μια χαμηλή τιμή AOD. Αυτή η σύγκριση επιβεβαίωσε ότι οι επιλεγμένες "εικόνες αναφοράς" αντιστοιχούν σε ημερομηνίες με αποδεκτά χαμηλές τιμές AOD. Η πρόσθεση των προηγούμενων τιμές AOD, που αντιστοιχούν στις "εικόνες αναφοράς", στις αρχικά ανακτημένς τιμές AOD θα μπορούσαν, θεωρητικά τουλάχιστον, να παρέχουν απόλυτο AOD. Στη συνέχεια οι δορυφορικές τιμές AOD από τους διαφορετικούς δορυφορικούς αισθητήρες συγκρίθηκαν για την ημερομηνία της 24ης Ιουλίου 2007 όταν συνέπεσαν όλες οι μετρήσεις.

3. Στατιστική ανάλυση

Πραγματοποιήθηκε στατιστική επεξεργασία των τιμών του δείκτη Angstrom καθώς και των τιμών του οπτικού πάχους των αερολυμάτων. Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι οι τιμές του οπτικού πάχους των αερολυμάτων στην περιοχή του Λεκανοπεδίου της Αττικής είναι υψηλότερες από τις αντίστοιχες στην περιοχή της Μεγαλόπολης, ενώ σε γενικές γραμμές υπάρχει μία συμμετρία ως προς τη καμπύλη των αντίστοιχων τιμών τους.

Χρήση επιπρόσθετων βάσεων δεδομένων.

Πραγματοποιήθηκαν επίγειες μετρήσεις αερολυμάτων και όζοντος:

Οι επίγειες μετρήσεις των αερολυμάτων πραγματοποιήθηκαν με χρήση συστήματος lidar (Ε.Μ.Πολυτεχνείο) και διαφόρων μετρητικών διατάξεων αερολύματος (π.χ φασματόμετρο, αιθαλόμετρο, SMPS, κλπ.) από το ΕΚΕΦΕ-Δημόκριτος.

Τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προκύπτουν από τις επίγειες μεθόδους είναι:

• Η κατανομή μεγέθους των αιωρούμενων σωματιδίων στην αστική ατμόσφαιρα παρουσιάζει σημαντική διακύμανση η οποία είναι καθοριστική για την εκτίμηση της δοσιμετρίας των κατοίκων της πόλης.

• Η κατανομή μεγέθους εμφαμνίζει τοπικά μέγιστα στα μεγέθη 20 και 100 nm.

Συμπεράσματα και αξιολόγηση των μεθόδων.

Όσον αφορά στη δορυφορική ανάκτηση του AOD από τον IRS, είναι αξιοσημείωτο ότι οι αρχικά προσδιορισμένες σχετικές τιμές διέφεραν αρκετά (μέχρι 60%) ανάλογα με τα χρήση διαφορετικών "εικόνων αναφοράς". Εντούτοις αυτές οι διαφορές μειώθηκαν αρκετά (5-30%) όταν οι σχετικές τιμές διορθώνονται ως προς τις κατά προσέγγιση απόλυτες τιμές AOD βάσει των προϊόντων MODIS για τις αντίστοιχες εικόνες αναφοράς. Αυτό επιβεβαιώνει την αξιοπιστία της μεθοδολογίας DTA/CHRISTINE για ανάκτηση σχετικών τιμών AOD και τη χαρτογράφηση τους.

Όσον αφορά στις διορθωμένες τιμές του ΑOD γενικά (είτε από τον IRS, είτε από τον MODIS) παρατηρήσαμε μια μέση διαφορά της τάξης του 25% με τα προϊόντα του MODIS. Παρατηρήσαμε επίσης ότι η διαφορά στην ανάκτηση AOD από τον IRS έναντι στο AOD ανακτημένο από τον MODIS ήταν της τάξης του ±20%. Τελικά σημειώσαμε ότι οι τιμές AOD ανακτημένες απο τον IRS ή τον MODIS διέφεραν από τις μετρήσειςτου AOD κατά 50%. Αυτό μειώνεται σε 20% και 40% για τον IRS και τον MODIS, αντίστοιχα, όταν το σχετικό AOD διορθώνεται ώστε να προσεγγίσει απόλυτες τιμές βάσει προϊόντων MODIS AOD για τις αντίστοιχες εικόνες αναφοράς. Συμπερασματικά, η Φάση 1, ολοκληρώθηκε επιτυχώς με την ανάπτυξη της βάσης δεδομένων που περιλαμβάνει τις μετρήσεις των ατμοσφαιρικών ρύπων που ελήφθησαν από επίγειες και δορυφορικές μετρήσεις πεδίου στο πλαίσιο ειδικών campaigns (case studies).