ΙΡΙΣ εύρεση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών γλυκού νερού

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 13:37, 11 Ιανουαρίου 2011

ΙΡΙΣ. Ανάπτυξη αερομεταφερόμενου συστήματος τηλεπισκοπικών υπερφασματικών δεκτών για την εύρεση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών γλυκού νερού

Συγγραφείς: Κολοκούσης Π. , Καραθανάση Β. , Αργιαλάς Δ. , Ρόκος Δ. Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης Ε.Μ.Π.

Ελληνικό Εναέριο Σύστημα Λήψης Υπερφασματικών Απεικονίσεων

ΣΚΟΠΟΣ

Σκοπός της εργαασίας είναι η ανάπτυξη ενός επιχειρησιακού αερομεταφερόμενου υπερφασματικού συστήματος που λειτουργεί στο ορατό, εγγύς υπέρυθρο (VIS/NIR) και θερμικό (TIR) υπέρυθρο τμήμα του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η πρώτη ερευνητική εφαρμογή πραγματοποιήθηκε για την ανίχνευση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών γλυκού νερού με ανάλυση και επεξεργασία υπερφασματικών δεδομένων σε περιοχές ενδεικνυόμενες από σχετικές υδρογεωλογικές μελέτες.

ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ

Το πλήθος των σχετικών εφαρμογών οδήγησε στο σχεδιασμό και ανάπτυξη διαφορετικών Αερομεταφερόμενων υπερφασματικών συστημάτων (0.43-0.86μm, 0.86-2.5μm, 8-12μm κλπ). Οι αερομεταφερόμενοι υπερφασματικοί δέκτες έχουν έντονη ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία μιας και υπερβαίνουν περιορισμούς παλαιότερων τεχνολογιών.

Πεδίο Εφαρμογής: Γεωργία, Δασολογία, Γεωλογία/Υδατικοί πόροι (Ποτάμια, λίμνες, υπόγεια και παράκτια νερά, χιονοκάλυψη), Εδαφολογία, Περιβάλλον, Χωροταξικός σχεδιασμός, Ανίχνευση παράνομων δράσεων, Ανίχνευση πηγών πετρελαίου.

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Ένα αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σύστημα περιλαμβάνει υπερφασματικούς δέκτες, αδρανειακό σύστημα και σύστημα πλοήγησης (GPS/INS), υπολογιστές και λογισμικό ελέγχου πτήσεων. Το σύνολο των παραπάνω μονάδων τοποθετούνται σε μικρό αεροσκάφος για την λήψη / παραγωγή αερομεταφερόμενων υπερφασματικών δεδομένων.

ΕΙΚΟΝΑ 1: Αερομεταφερόμενο υπερφασικό σύστημα

Υπερφασματικοί τηλεπισκοπικοί δέκτες

Περιλαμβάνει τον υπερφασματικό ηλεκτροοπτικό δέκτη CASI-550 ο οποίος λειτουργεί στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα της ΗΜΑ (VIS/NIR: 0.40-0.97μm, 244 κανάλια), και το θερμικό δέκτη ΤΑΒΙ-320 (TIR: 8-12μm, 3 κανάλια). Οι δύο δέκτες (SHUs) εγκαθίστανται εναλλακτικά αλλά και ταυτόχρονα στο αεροπλάνο και συνδέονται με τις υπόλοιπες συσκευές αυτής της διάταξης οι οποίες είναι:

• 1. μονάδες ελέγχου (ICU)
• 2. μονάδες απεικόνισης (VDU)
• 3. μονάδα GPS/INS (IMU)

Χρησιμοποιήθηκαν δέκτες της εταιρίας ITRES η οποία ειδικεύεται στον τομέα της ηλεκτροοπτικής και ειδικότερα στην κατασκευή αερομεταφερόμενων τηλεπισκοπικών δεκτών για υπερφασματική ανάλυση και χαρτογράφηση. Έχει αναπτύξει και κατασκευάσει τους δέκτες:

• CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager)
• ΤΑΒΙ (Thermal Airborne Broadband Imager) και
• SASI (Short-Wave-Infrared Airborne Spectrographic Imager)

CASI-550 (Compact Airborne Spectrographic Imager)

To CASI ενσωματώνει τα χαρακτηριστικά ενός φασματοραδιόμετρου και ενός pushbroom αερομεταφερόμενου τηλεπισκοπικού δέκτη. Τα δεδομένα καταγράφονται αδιάκοπα από ένα διδιάστατο CCD (charge couple device).

ΕΙΚΟΝΑ 2: CASI-550 (Compact Airborne Spectrographic Imager)

Χαρακτηριστικά του CASI-550

• Δυνατότητα φασματικού προγραμματισμού
• Υψηλή χωρική και φασματική ανάλυση

 * Χωρική διακριτική ικανότητα μεταξύ 0.5m και 10m  * Φασματικό εύρος 545nm το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί στο διάστημα 400 έως 1000nm

• Συνεργασία με GPS και αδρανειακά συστήματα (INS/GPS) για γεωμετρική διόρθωση υψηλής ακριβείας.
• Είναι δυνατή η άμεση γεωμετρική διόρθωση των απεικονίσεων και η ημιαυτόματη παραγωγή φωτομωσαϊκών
• Μεγάλη διάρκεια λήψης. Υψηλός λόγος σήματος προς θόρυβο.
• Είναι πλήρως βαθμονομημένο σύστημα το οποίο καταγράφει δεδομένα σε τιμές ανακλαστικότητας (uW cm-2 sr-1 nm-1).
• Καταγράφει ταυτόχρονα την προσπίπτουσα ακτινοβολία για ατμοσφαιρικές διορθώσεις.
• Δουλεύει σε δύο καταστάσεις λειτουργίας: Spatial Mode και Hyperspectral Mode

Χαρακτηριστικά του TABI - Thermal Airborne Broadband Imager

• 48° πεδίο λήψης
• Φασματικό εύρος 8000 ως 12000 nm
• 320 εικονοστοιχεία
• Χρόνος σάρωσης 10 msec / γραμμή
• Ευαισθησία: NET 0.1°C (noise equivalent, change in temperature)
• Διαθλαστικά οπτικά
• Μη ψυχόμενος, θερμικά σταθεροποιημένος, μικροβολόμετρο (μικροθερμόμετρο)
• Συμβατός με τον δέκτη CASI

Σύστημα GPS/INS CMIGITS III

Η σύγχρονη λήψη φασματικών δεδομένων και δεδομένων GPS (Global Positioning System) / INS (Inertial Navigation System) επιτρέπει τη διόρθωση των παραγομένων υπερφασματικών απεικονίσεων από στροφές και κραδασμούς του αεροπλάνου, και τη γεωδαιτική αναφορά ή γεωαναφορά των απεικονίσεων. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε το C-MIGITS III το οποίο αποτελείται από ένα αδρανειακό αισθητήρα (solid-state Digital Quartz Inertial Measurement Unit, DQI) της BEI Systron Donner Inertial Division και τον GPS δέκτη Jupiter LP με 12 κανάλια και δυνατότητα μετρήσεων κώδικα C/A (Coarse/Acquisition).

ΕΙΚΟΝΑ 3: Σύστημα GPS/INS C-MIGITS III

ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΟΙ ΔΕΚΤΕΣ ΚΑΙ ΝΕΡΟ

Η ταξινόμηση των θεμάτων έρευνας της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας, σχετικής με τη χρήση των υπερφασματικών δεδομένων, ορίζει τρεις βασικές ενότητες έρευνας:

• ανάλυση της ποιότητας και της σύστασης του νερού,
• μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού, και
• καταγραφή των εσωτερικών κυματισμών.

Μεταξύ αυτών οι δύο πρώτες αφορούν άμεσα στην προτεινόμενη έρευνα.

Εφαρμογή σε υποθαλάσσιες ή παράκτιες πηγές νερού

Βασική υπόθεση χρήσης των υπερφασματικών δεδομένων για την ανίχνευση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών είναι ότι τα δεδομένα αυτά ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία μπορούν να συμβάλλουν στην ανίχνευση μεταβολών των παραμέτρων της:

• θερμοκρασίας του νερού (TIR απεικονίσεις),
• σύστασης του νερού π.χ. σε αλατότητα, συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων, χλωριόντων κλπ. (VIS/NIR απεικονίσεις, Μικροκυματικές απεικονίσεις),
• κάλυψης του βυθού και ιδιαίτερα της υδροφόρας βλάστησης (VIS/NIR απεικονίσεις).

Εφαρμογή σε γνωστές υποθαλάσσιες ή παράκτιες πηγές νερού – ανάπτυξη μεθοδολογίας

Πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονες επιθαλάσσιες μετρήσεις και εναέριες λήψεις με τους υπερφασματικούς δέκτες πάνω από περιοχές γνωστών υποθαλάσσιων αλλά και παράκτιων πηγών νερού στην ευρύτερη περιοχή της Χαλκίδας. Οι επιθαλάσσιες μετρήσεις και οι εναέριες λήψεις πραγματοποιήθηκαν: Μάρτιο 2005 (μόνο επιθαλάσσιες μετρήσεις), Ιούνιο 2005, Φεβρουάριο 2006, Ιούλιο 2006, Ιανουάριο 2007, (μόνο εναέριες λήψεις). Οι επιθαλλάσσιες μετρήσεις περιελάμβαναν α) μετρήσεις με το φασματοραδιόμετρο GER1500 του Εργαστηρίου Τηλεπισκόπησης με σκοπό τη δημιουργία φασματικών υπογραφών και β) μετρήσεις από το ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. για πλήρη χημική ανάλυση των στοιχείων του νερού. Ο εξοπλισμός του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. περιελάμβανε: φορητή συσκευή συνεχούς μέτρησης θερμοκρασίας, αλατότητας και θολερότητας (CTD-SeaBird 11, με αισθητήρα μέτρησης απορρόφησης του φωτός-Wetlabs C-Star-25 cm transmissometer με εκπομπή στα 660 nm και αισθητήρα μέτρησης σκέδασης του φωτός με υπέρυθρη ακτινοβολία, D&A Instruments Company OBS-3), φορητό GPS για τον προσδιορισμό της θέσης του σκάφους, και φιάλες δειγματοληψίας νερού τύπου Niskin. Τα δείγματα νερού που συλλέχθηκαν διηθήθηκαν την ίδια μέρα για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης αιωρουμένων σωματιδίων (φίλτρα Millipore, isopore-polycarbonate, diameter 47 mm, pore size 0.45 μm) και για τον προσδιορισμό συγκέντρωσης χλωροφύλλης (φίλτρα Whattman, glass fiber, diameter 47 mm, pore size 0.7 μm). Η γεωγραφική ανάλυση και κατανομή των μετρήσεων του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. βοήθησε πολύ στην εξαγωγή σημαντικών συμπερασμάτων για το υπό διερεύνηση φαινόμενο.

ΕΙΚΟΝΑ 4: Κατανομή θολερότητας

ΕΙΚΟΝΑ 5: Κατανομή αλατότητας

ΕΙΚΟΝΑ 6: Κατανομή θερμοκρασιών

Οι μετρήσεις με το φασματοραδιόμετρο GER1500 βοήθησαν στην επιλογή των καταλληλότερων περιοχών της ΗΜΑ (καναλιών) για τη ρύθμιση του υπερφασματικού δέκτη CASI-550.

ΕΙΚΟΝΑ 7: Ισαριθμικές καμπύλες μετρήσεων Reflectance της 4ης Ιουλίου 2006 στα 769,70nm