Εφαρμογή της RST(Robust Satellite Techniques) τεχνικής για τον έλεγχο και την ανίχνευση διαρροών πετρελαίου χρησιμοποιώντας AVHRR

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 09:06, 2 Μαρτίου 2012

Robust Satellite Techniques for oil spill detection and monitoring using AVHRR thermal infrared bands
Εφαρμογή της RST(Robust Satellite Techniques) τεχνικής για τον έλεγχο και την ανίχνευση διαρροών πετρελαίου χρησιμοποιώντας AVHRR (θερμικές υπέρυθρες ζώνες)
Συγγραφείς: D. Casciello, T. Lacava, N. Pergola,V. Tramutoli
ΠΗΓΗ: http://www.tandfonline.com (International Journal of Remote Sensing Volume 32, Issue 14, 2011)
Ιστορικό
Η διαρροή πετρελαίου είναι ένας από τους πιο καταστρεπτικούς (προκαλούμενους από τον άνθρωπο) θαλάσσιους κινδύνους. Οι έγκαιρες πληροφορίες έχουν θεμελιώδη σημασία στη μείωση του αντίκτυπου τέτοιων ατυχημάτων, καθώς επίσης και στην διαχείριση σε πραγματικό χρόνο της εξέλιξη ενός τέτοιου συμβάντος. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε αυτό το πλαίσιο. Οι μέθοδοι, που προτείνονται για την ανίχνευση διαρροών πετρελαίου από το διάστημα, είναι κυρίως βασισμένες στη χρήση της τεχνολογίας SAR, με σοβαρό μειονέκτημα την αδυναμία πληροφόρησης σε πραγματικό χρόνο. Από την άλλη πλευρά παθητικοί οπτικοί αισθητήρες σε μετεωρολογικούς δορυφόρους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση και τον έλεγχο διαρροών πετρελαίου, καθώς η ικανότητα τους για παροχή πληροφοριών ποικίλει από ώρες σε μερικά λεπτά και παρότι η ανάλυση τους είναι υποδεέστερη των δεκτών SAR( μέχρι 250 μ στην ορατή περιοχή και από 1000μ στο θερμικό υπέρυθρο) θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύσουν μια μοναδική δυνατότητα έγκαιρης ανίχνευση και συνεχούς έλεγχου εκεί που απαιτείται άμεση και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση του συμβάντος. Πρόσφατα, μια νέα τεχνική βασισμένη στο RST (Robust Satellite Techniques), έχει αναπτυχθεί για να ανιχνεύσει, αυτόματα και γρήγορα, την παρουσία μιας διαρροής πετρελαίου στη θάλασσα, ελαχιστοποιώντας τις εσφαλμένες απεικονίσεις χρησιμοποιώντας θερμικά υπέρυθρα (TIR) δεδομένα από τον NOAA-AVHRR( Advanced Very High Resolution Radiometer)
Σκοπός
Σε αυτό το έγγραφο, ο σκοπός της μελέτης είναι η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας και η ανάλυση των αποτελεσμάτων που επιτυγχάνονται κατά την μελέτη του συμβάντος στον περσικό Κόλπο τον Ιανουαρίου του 1991. Το συμβάν συνέβη κατά τη διάρκεια του πολέμου του Κόλπου από τις ακτές του Κουβέιτ και της Σαουδικής Αραβίας και προκάλεσε σοβαρή περιβαλλοντική ρύπανση σε σημαντικές περιοχές της Μέσης Ανατολής.

Εικόνα 1: γεωγραφικός χάρτης της ζώνης ατυχήματος του 1991 του Κουβέιτ. Tο κόκκινο βέλος παρουσιάζει τη θέση της διαρροής πετρελαίου ενώ τα μαύρα βέλη δείχνουν την εξέλιξη των κηλίδων

Πήγες Δεδομένων
Ο αισθητήρας AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)με 6 κανάλια επί του δορυφόρου NOAA. Στην περίπτωση μελέτης χρησιμοποιούνται 3 κανάλια (channel 3, around 3.5 mm, in channel 4, around 11 mm, and in channel 5, around 12 mm).

Μεθοδολογία
Η χρήση θερμικών υπέρυθρων (TIR) δεδομένων μπορεί να είναι αρκετά αποτελεσματική στην ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων στη θάλασσα (ανάλογα με τη στιγμή της ημέρας), εξαιτίας των ακόλουθων λόγων: (α) την ύπαρξη διαφορετικής τιμής θερμοχωρητικότητας μεταξύ πετρελαίου και ύδατος (β) τη μείωση της μεταφοράς θερμότητας μεταξύ νερού και ατμόσφαιρας ως αποτέλεσμα των αλλαγών στην επιφάνειας της θάλασσας. Αποτέλεσμα των ανωτέρω φαινομένων είναι ότι η θερμική αδράνεια του πετρελαίου είναι χαμηλότερη από αυτή του νερού, έτσι οι μολυσμένες περιοχές(oil polluted) έχουν υψηλότερη θερμοκρασία (φωτεινότητα) στις TIR εικόνες που συλλέγονται κατά την διάρκεια της ημέρας, με το αντίθετο να ισχύει τη νύχτα.
Τα ίδια ισχύουν στην εικόνα 2 (νύχτα) και εικόνα 3 (ημέρα), αντίστοιχα, 2 και 3 ημέρες μετά από την έναρξη του γεγονότος. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, οι μολυσμένες περιοχές παρουσιάζουν χαμηλότερη (θερμοκρασία)φωτεινότητα από την περιβάλλουσα θάλασσα με μια μείωση που κυμαίνεται από ένα ελάχιστο 2 Κ (AVHRR στο κανάλι 3) ως ένα μέγιστο 3 Κ (AVHRR στο κανάλι 5). Το αντίθετο συμβαίνει κατά τη διάρκεια της ημέρας, όπου οι μολυσμένες περιοχές παρουσιάζουν υψηλότερες (θερμοκρασίες) φωτεινότητες από το περιβάλλον νερό της θάλασσας, αυξημένη από το ελάχιστο 11 Κ (AVHRR στο κανάλι 5) σε ένα μέγιστο 17 Κ (AVHRR στο κανάλι 3).

Εικόνα2 :Από το Κουβέιτ και της Σαουδικής Αραβίας AVHRR (κανάλι 4) 23 Ιανουαρίου 1991 που αντιπροσωπεύονται στους γκρίζους τόνους (οι υψηλότερες θερμοκρασίες φωτεινότητας παρουσιάζονται στους φωτεινότερους γκρίζους τόνους)

Εικονα3: AVHRR κανάλι 4 εικόνα της 24ης Ιανουαρίου 1991 (χρόνος αποκτήσεων: 10.31GMT)

Η προτεινόμενη τεχνική είναι βασισμένη στην μέθοδο RST, η οποία είναι μια γενική στρατηγική ανάλυσης δεδομένων που χρησιμοποιεί μια μακροχρόνια σειρά συνδυασμένων δορυφορικών στοιχείων με σκοπό τον προσδιορισμό των εντοπισμένων ανωμαλιών στα σήματα λόγω της παρουσίας πετρελαίου στα νέα δεδομένα. Γι αυτό για την εφαρμογή της μεθόδου στην συγκεκριμένη περίπτωση συλλέχτηκαν το σύνολο των διαθέσιμων AVHRR εικόνων σε μια χρονική σειρά 10 ετών, από το 1989 ως το 1999, καλύπτοντας την περιοχή μελέτης. Επιπλέον οι εικόνες ομαδοποιήθηκαν σε δύο χωριστά σύνολα δεδομένων, με αντιστοιχία στα ημερήσια και νυχτερινά περάσματα του δορυφόρου. Αποτελέσματα έρευνας
Η παρουσία πετρελαιοκηλίδων ανιχνεύεται με αξιοπιστία 100% στο σύνολο του πεδίου εφαρμογής χωρίς την ύπαρξη εσφαλμένων ανιχνεύσεων από την μέθοδο RST ακόμη και σε ψηλά επίπεδα θορύβου. Επιπλέον καταγράφεται η καλύτερη απόδοση της μεθόδου(RST) σε σύγκριση με την μέθοδο Cross που επίσης αξιοποιεί δεδομένα (TIR) από το θερμικό υπέρυθρο με την σύγκριση των αποτελεσμάτων τους για την ίδια περίπτωση μελέτης να εμφανίζονται στις εικόνες 4 και 5 όπου η μέθοδο Cross παρουσιάζει πλέον της πετρελαιοκηλίδας και μια μεγάλη περιοχή εσφαλμένα μολυσμένη(μπλε χρώμα).

Εικόνα4(ΑΡ)&5(ΔΕ): ΑΡ εικόνα εμφανίζονται τα αποτελέσματα εφαρμόζοντας την μέθοδο RST. ΔΕ εικόνα εμφανίζονται τα αποτελέσματα εφαρμόζοντας την μέθοδο Cross όπου η μολυσμένη περιοχή απεικονίζεται με μπλε Συμπέρασμα
Η προτεινόμενη μέθοδος ήταν σε θέση να ανιχνεύσει, με υψηλή ακρίβεια και χαμηλό ποσοστό εσφαλμένων απεικονίσεων, τις μολυσμένες περιοχές που παρήχθησαν από το συμβάν που συνέβη από την ακτή του Κουβέιτ και της Σαουδική Αραβίας τον Ιανουαρίου του1991 κατά τη διάρκεια του πολέμου του Κόλπου. Η ανίχνευση εκτελέσθηκε αυτόματα και πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας μόνο δορυφορικά στοιχεία. Αυτό υπογραμμίζει τη σημασία των δορυφορικών στοιχείων, ειδικά εκείνων που λαμβάνονται από τους μετεωρολογικούς δορυφόρους που, παρά τις μέτριες διακριτικές ικανότητες τους, μπορούν να εξασφαλίσουν (απουσία σύννεφων) υψηλή παρατηρητική συχνότητα. Επιπλέον, στο μέλλον ένας συνδυασμός συστημάτων SAR και μετεωρολογικών δορυφόρων μπορεί να είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στη διαχείριση ανάλογων συμβάντων. Τέλος, η ανεξαρτησία της προτεινόμενης μεθόδου (RST) επιτρέπει να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικούς δορυφόρους και αισθητήρες αυτών.