Χρήση δορυφορικών εικόνων και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης για τη χαρτογράφηση της σκόνης από τη Σαχάρα στην ατμόσφαιρα

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 11:36, 12 Φεβρουαρίου 2012

Αντικείμενο εφαρμογής Χρήση δορυφορικών εικόνων και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης για τη χαρτογράφηση της σκόνης από τη Σαχάρα στην ατμόσφαιρα

Στόχος της εφαρμογής Στόχος της παρούσας μελέτης είναι η χρήση εικόνων του ραδιομέτρου (καταγραφικού συστήματος δορυφόρου) AVHRR της ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Administration) και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης για την ανίχνευση της σκόνης από τη Σαχάρα στην ατμόσφαιρα. Η ανάλυση των δεδομένων περιλαμβάνει διαδικασίες όπως μία απλή ενίσχυση της εικόνας και φτάνει μέχρι τη χρήση αριθμητικών μοντέλων μεταφοράς ακτινοβολίας μέσω της ατμόσφαιρας για την εκτίμηση της οπτικής πυκνότητας. Υπάρχουν σε εξέλιξη έρευνες που ασχολούνται με τη χαρτογράφηση των αεροζόλ στην ατμόσφαιρα και για το λόγο αυτό τα αποτελέσματα από τη χρήση δορυφορικών εικόνων συγκρίνονται με μετρήσεις οπτικής πυκνότητας των αεροζόλ από σταθμούς του συστήματος Aeronet.

Πως γινόταν παλαιότερα χωρίς τηλεπισκόπηση Υπάρχουν μετρήσεις των συγκεντρώσεων των σωματιδίων και αεροφωτογραφίες αερίων σωματιδίων (σκόνης).

Είδη δορυφορικών συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες του ραδιομέτρου AVHRR της ΝΟΑΑ και αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης.

Χρησιμότητα των δεκτών που χρησιμοποιήθηκαν Οι δορυφόροι ΝΟΑΑ αποτελούν τη δεύτερη σειρά μετεωρολογικών/ περιβαλλοντικών δορυφόρων πολικής τροχιάς της NASA και έχουν σκοπό τη μελέτη της ατμόσφαιρας και των ωκεανών. Το ραδιόμετρο AVHRR έχει πολύ υψηλή διακριτική ικανότητα και έχει τη δυνατότητα προσδιορισμού των μετεωρολογικών παραμέτρων, τη μελέτη του ενεργειακού ισοζυγίου, τον υπολογισμό της συγκέντρωσης του όζοντος και της ηλιακής ακτινοβολίας, αλλά και τη λήψη εικόνων επιφάνειας.

Προεπεξεργασίες, προχωρημένες, ειδικές και ψηφιακές επεξεργασίες και αποτελέσματά τους, χάρτες και αιτιολόγηση της χρησιμοποίησης κάθε στοιχείου Η μετακίνηση μέσω της ατμόσφαιρας ποσότητας σκόνης, που παράγεται από ορυκτά πετρώματα στην έρημο Σαχάρα της Αφρικής, επηρεάζει την Ευρώπη, αλλά και χώρες πέραν του Ατλαντικού ωκεανού. Τα σωματίδια της σκόνης περιορίζουν την ατμοσφαιρική ορατότητα, δημιουργούν προβλήματα στο αναπνευστικό σύστημα, επηρεάζουν τη δομή των εδαφών στον Ευρωπαϊκό χώρο και επιβαρύνουν την ατμόσφαιρα των χωρών της Νότιας Ευρώπης σε τέτοιο βαθμό ώστε να ξεπερνιούνται τα όρια που έχουν τεθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση για συγκεντρώσεις σωματιδίων. Το Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης και Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών του Πανεπιστημίου Αιγαίου σε συνεργασία με την Ομάδα Ατμοσφαιρικών μοντέλων και Πρόγνωσης Καιρού του Πανεπιστημίου Αθηνών εκπόνησαν μελέτη για την ανίχνευση της σκόνης από την Έρημο Σαχάρα χρησιμοποιώντας εικόνες του δορυφόρου AVHRR της ΝΟΑΑ και αναπτύσσοντας αριθμητικά μοντέλα πρόγνωσης. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν 4 εικόνες HRPT του αισθητήρα NOAA - 14 AVHRR, οι οποίες λήφθηκαν από το σταθμό SMARTechTM του Πανεπιστημίου Αιγαίου στις 19, 20, 21 και 22 Απριλίου το 1997. Η περιοχή μελέτης εκτείνεται από το Γιβραλτάρ έως την Κασπία θάλασσα και καλύπτει μέρος της βόρειας Αφρικής. Κάθε εικόνα έχει πλάτος περίπου 2253 km. Επίσης, επιλέχτηκαν 10 εικόνες των δεκτών ΝΟΑΑ-16 και ΝΟΑΑ-17 της περιόδου 15 έως 30 Ιουνίου του 2003 και έγινε επεξεργασία τους με τον κώδικα 6S, ο οποίος δίνει καλύτερα αποτελέσματα για τη μελέτη αεροζόλ με τον δέκτη AVHRR και είναι ιδιαίτερα ευέλικτος σε σχέση με προϋπάρχοντες κώδικες (π.χ. Dave). Τα βήματα που απαιτούνται ώστε να γίνει επεξεργασία των εικόνων NOAA - AVHRR και να χαρτογραφηθεί η σκόνη είναι τα εξής:

	Βαθμολόγηση καναλιών: Ο δέκτης NOAA - 14 AVHRR αποτελείται από 5 φασματικά κανάλια. Τα κανάλια 1 και 2 μετασχηματίζονται σε τιμές ακτινοβολίας με τη βοήθεια τύπων βαθμονόμησης μετά την πτήση που δίνουν το επί τοις εκατό ποσοστό λευκάγειας (albedo). Οι συντελεστές διόρθωσης λαμβάνονται από τον ιστόχωρο NOAASIS. Οι εξισώσεις που προτείνονται από τη NOAA για τον δέκτη NOAA - 14 AVHRR για τα 2 κανάλια είναι: L = (0.000118d + 0.557) * (C – 41) για το κανάλι 1 και L = (0.000122d + 0.423) * (C – 41) για το κανάλι 2, όπου L: η τιμή της ακτινοβολίας στο δορυφόρο, C: η ακατέργαστη ψηφιακή τιμή του εικονοστοιχείου, d: οι ημέρες μετά από την εκτόξευση (d = 0 για τις 30 Δεκεμβρίου 1994). Οι τιμές ακτινοβολίας στο δορυφόρο μετατρέπονται σε τιμές albedo (A) από την εξίσωση Α = L/F, όπου F: η εξωγήινη ηλιακή ακτινοβολία που ενσωματώνεται πάνω από την καμπύλη απόκρισης των καναλιών.
	Υπολογισμός των φαινόμενων θερμοκρασιών για τα κανάλια 3, 4 και 5: Τα κανάλια 3, 4 και 5 βαθμονομούνται χρησιμοποιώντας την εν πτήσει βαθμονόμηση. Αρχικά υπολογίζεται η φαινόμενη ακτινοβολία με τη χρήση των συντελεστών βαθμονόμησης που παίρνονται από κάθε 100η γραμμή από τα στοιχεία που στέλνει ο δορυφόρος και στη συνέχεια από το νόμο του Plank υπολογίζεται η λαμπρότητα της θερμοκρασίας. 
	Μοντέλο επεξεργασίας εικόνας για την παραγωγή ποιοτικών χαρτών σκόνης: Ανιχνεύονται τα νέφη και η ξηρά.
	Διόρθωση γεωμετρικών παραμορφώσεων της εικόνας: Η γήινη περιστροφή κατά τη διάρκεια λήψης της εικόνας, το ελλειψοειδές σχήμα της γης και η παραμόρφωση των εικονοστοιχείων που βρίσκονται σε απόσταση από το δορυφορικό ναδίρ είναι παράγοντες που επιβάλλουν τη διόρθωση της εικόνας. Εφαρμόζονται μαθηματικές σχέσεις που συνδέουν τις συντεταγμένες των εικονοστοιχείων της εικόνας και τις συντεταγμένες των αντίστοιχων σημείων του χάρτη. Τα σημεία ελέγχου στο έδαφος για την εικόνα υπολογίζονται από το λογισμικό SmartTrack, ενώ η προβολή του χάρτη είναι γεωγραφική (φ, λ) και χρησιμοποιεί το datum WGS 72. Στη συνέχεια η εικόνα χρωματίζεται από μια ποιοτική παλέτα.
	Παραγωγή χαρτών σκόνης

Τα αποτελέσματα της ανωτέρω διαδικασίας συγκρίνονται με τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου πρόγνωσης καιρού ΣΚΙΡΩΝ, που αναπτύχθηκε για να εφαρμοσθεί επιχειρησιακά στην Ελληνική Μετεωρολογική Υπηρεσία στα πλαίσια του έργου «Ανάπτυξη ενός συστήματος πρόγνωσης καιρού μεγάλης ακρίβειας σε υπολογιστές υψηλών επιδόσεων» και χρηματοδοτήθηκε από την Ελληνική Κυβέρνηση και την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω του προγράμματος ΕΠΕΤ ΙΙ της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας. Στο στάδιο της προεπεξεργασίας χρησιμοποιούνται μετεωρολογικές παράμετροι (γεωδυναμικό ύψος, συνιστώσες του ανέμου και υγρασία) που προκύπτουν από ένα μοντέλο μεγαλύτερης κλίμακας. Στη δομή του μοντέλου αναπτύχθηκε για να λειτουργήσει ένα ξεχωριστό τμήμα για την ατμοσφαιρική παραγωγή, τη μεταφορά και την εναπόθεση αδρανών ουσιών. Το τμήμα της μεταφοράς περιγράφεται με την εξίσωση της συνέχειας του Euler. Η απομάκρυνση της σκόνης από την ατμόσφαιρα πραγματοποιείται με δύο μηχανισμούς: την ξηρή και την υγρή εναπόθεση. Η ξηρή εναπόθεση στο μοντέλο παραμετροποιείται με βάση το σχήμα του Georgi (1986). Η υγρή απομάκρυνση σε κάθε επίπεδο του μοντέλου υπολογίζεται από τα κλάσματα της ευρείας κλίμακας κατακρήμνισης και της κατακρήμνισης λόγω σύγκλισης. Το κυρίως πρόγραμμα μετεπεξεργασίας είναι ένα και χρησιμοποιείται με σκοπό την ενοποίηση των πεδίων των διαφόρων ατμοσφαιρικών παραμέτρων τα οποία είναι χωρισμένα από τους διάφορους επεξεργαστές.

Σημαντικά αποτελέσματα και αξιολόγηση των μεθόδων Υπάρχει σημαντική συμφωνία μεταξύ των χαρτών της σκόνης που προκύπτουν από τις δορυφορικές εικόνες και των αποτελεσμάτων του μοντέλου ΣΚΙΡΩΝ. Ένα από τα σημαντικά προβλήματα για τις εικόνες NOAA, που έχει ιδιαίτερη ένταση κατά τη διάρκεια της ανοιξιάτικης και θερινής περιόδου και μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα συμπεράσματα, είναι η αντανάκλαση από το νερό του ήλιου. Ένα άλλο ιδιαίτερο πρόβλημα είναι η νεφοκάλυψη.

Η Εικόνα 1α παρουσιάζει τη χαρτογράφηση της σκόνης της Σαχάρας από δεδομένα δορυφορικών εικόνων NOAA στις 19 Απριλίου του 1997 και η Εικόνα 1β τα αντίστοιχα αποτελέσματα με χρήση του μοντέλου πρόγνωσης καιρού ΣΚΙΡΩΝ. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης των αποτελεσμάτων για την ατμοσφαιρική οπτική πυκνότητα από εικόνες AVHRR και AERONET ήταν πολύ ικανοποιητικά αφού έδειξαν μία συμφωνία τιμών μεταξύ AVHRR και AERONET με μέση απόκλιση 0.02 για το 1ο και 0.016 για το 2ο κανάλι

Πηγή 1. Χατζόπουλος Ιωάννης - Χωριατέλλη Χρυσομάλλη - Καντζάς Παντελής - Κάλλος Γεώργιος - Κατσαφάρδος Πέτρος - Χρήστος Σπύρου, «ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΤΗΣ ΣΚΟΝΗΣ ΑΠΟ ΤΗ ΣΑΧΑΡΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ» 2. Κωνσταντίνος Καρτάλης – Χαράλαμπος Φειδάς, Βιβλίο «Αρχές και εφαρμογές της δορυφορικής τηλεπισκόπησης», Β. Γκιούρδας Εκδοτική