Ανίχνευση της θερμικής ρύπανσης από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στην ανατολική ακτή της Κίνας με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 00:26, 18 Φεβρουαρίου 2018

Ανίχνευση της θερμικής ρύπανσης από σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής στην ανατολική ακτή της Κίνας με τη χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης

Συγγραφείς : Pin Ma • Xiaoyan Dai • Zhongyang Guo • Chao Wei • Weichun Ma

Τίτλος: Detection of thermal pollution from power plants on China’s eastern coast using remote sensing data

Πρωτότυπος τίτλος: Detection of thermal pollution from power plants on China’s eastern coast using remote sensing data

Πηγή

Εισαγωγή

Η επιτάχυνση της διαδικασίας εκβιομηχάνισης στην Κίνα αύξησε τη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια. Αποτέλεσμα αυτού ήταν η κατασκευή πολλών εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής, ειδικά κατά μήκος της Κίνας ανατολική ακτή. Τα συστήματα συνεχούς ρεύματος είναι από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα σε αυτές τις μονάδες παραγωγής ενέργειας. Σε αυτά το φυσικό νερό από τις λίμνες ή τους ωκεανούς λειτουργούν ως νερό ψύξης. Στη συνέχεια παράγεται θερμικό αέριο υψηλής θερμοκρασίας το οποίο εκκενώνεται απευθείας στα υδάτινα συστήματα αυξάνοντας την φυσική τους θερμοκρασίας. Θερμικοί θύσανοι, υπολείμματα χλωρίου, νουκλιδίων και άλλοι ρύποι εκβάλλονται στα υδάτινα οικοσυστήματα και έχουν επιπτώσεις στο παράκτιο περιβάλλον. Η αύξηση της θερμοκρασίας θα οδηγήσει στην μείωση του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό, σε πτώση της ικανότητας αυτο-καθαρισμού του νερού, στην επέκταση της ανάπτυξης των φυκιών και στην απελευθέρωση του αζώτου και του φωσφόρου στα ιζήματα. Αποτέλεσμα αυτών είναι ο εμπλουτισμός των υδάτων με φώσφορο και των νιτρικών προάγοντας την πρωτογενή παραγωγή και οδηγώντας το σύστημα σε ευτροφικές καταστάσεις καθώς και η αύξηση της θερμοκρασίας των υδάτων επηρεάζει την ανάπτυξη των υπόγειων οργανισμών, οι οποίοι θα αλλάξουν τις συνθήκες διαβίωσης των πλαγκτονικών ζώων και φυτών, των ψαριών και άλλων ειδών, κατά συνέπεια θα επηρεάσει την επιβίωσή τους, την ανάπτυξη, την αναπαραγωγή, αλλά και να αλλάξουν την ποιότητά τους ή να προκαλέσουν θάνατο.

Δεδομένα, προεπεξεργασία και μέθοδος

Σε αυτή την έρευνα πραγματοποιήθηκε η παρακολούθηση της θερμικής ρύπανσης από τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής στον κόλπο Yueqing στην ανατολική ακτή και μετρήθηκε η κατανομή της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας (SST) για τις περιβάλλουσες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι ανάκτησης SST για εικόνες Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM), HJ-1B infrared sensor (IRS) και Terra moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS).

Εικόνα 1: Η Θέση της περιοχής μελέτης. HYPP και ZYPP αντιπροσωπεύουν σταθμό ηλεκτροπαραγωγής Huaneng Yuhuan και σταθμό ηλεκτροπαραγωγής Zheneng Yueqing

Η χωροχρονική διακύμανση του SST γύρω από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής αναλύεται και συγκρίνεται. Όλες οι τηλεπισκοπικές εικόνες που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα πράχθηκαν σε σύντομες ημερομηνίες το Νοέμβριο και - ο χρόνος υπέρβασης των δορυφόρων ήταν παρόμοιος με διαφορά όχι μεγαλύτερη από 1 ώρα-, αρα τα αποτελέσματα ανάκτησης είναι συγκρίσιμα σε έναν υψηλό βαθμό. Οι λεπτομέρειες των δεδομένων παρουσιάζονται στον Πίνακα 1.

Οι εικόνες διορθώνονται γεωμετρικά με τοπογραφικό χάρτη κλίμακας 1:10.000 μέσω προβολής Gauss-Krueger, και με την μέθοδο του πλησιέστερου γείτονα όπου τα μεγέθη των εικονοστοιχείων είναι ίσα με τα αρχικά μεγέθη των εικονοστοιχείων κάθε band. Το προκύπτον μέσο τετραγωνικό σφάλμα ρίζας βρέθηκε να είναι λιγότερο από μισό εικονοστοιχείο. Επιπλέον, οι απομακρυσμένες έγχρωμες αεροφωτογραφίες κλίμακας 1: 50.000 και άλλοι θεματικοί χάρτες διανύσματος χρησιμοποιήθηκαν για βοηθητική ανάλυση, κι διορθώθηκαν στο τοπικό σύστημα συντεταγμένων της περιοχής Zhejiang.

Η θερμική ρύπανση από τις μονάδες ηλεκτροπαραγωγής στο Κόλπο Yueqing στην ανατολική ακτή της Κίνας ανιχνεύεται με την ανάλυση της μεταβολής της κλίσης του SST και κατανομή πριν και μετά από την κατασκευή των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Η παραγωγή SST από δορυφορικά δεδομένα TIR περιλαμβάνει τις ακόλουθες διαδικασίες: (α) εκτίμηση της φασματικής ακτινοβολίας από το DN της ζώνης TIR, το οποίο μπορεί να επιτευχθεί μέσω της ατμοσφαιρικής διόρθωσης. β) μετατροπή της φασματικής ακτινοβολίας σε θερμοκρασία δορυφορικής φωτεινότητας και (γ) υπολογισμός του SST από τη θερμοκρασία φωτεινότητας. Χρησιμοποιώντας το SST που ανακτάται από διαφορετικές δορυφορικές εικόνες που ελήφθησαν σε σύντομες ημερομηνίες πριν και μετά από την κατασκευή των μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, την ανίχνευση και την εκτίμηση κ της θερμικής ρύπανσης.

Πρώτον, στα δεδομένα τηλεπισκόπησης πραγματοποιήθηκε ραδιομετρική διόρθωσης. Η ραδιομετρική διόρθωση για τις εικόνες Landstat 7+ έγινε με τον τύπο :

Όπου Lλ είναι ηφασματική ακτινοβολία που λαμβάνει ο αισθητήρας (W m-2 sr-1 lm-1 ),

         Qcal είναι DNs της εικόνας , και τα Grescale και Brescale είναι οι αναπροσαρμοσμένες τιμές οι οποίες παρέχονται για το Level 1G Landsat 7 ETM.

Η ραδιομετρική διόρθωση για τις εικόνες HJ-1A/1B έγινε με τον τύπο :

όπου Lk είναι η φασματική ακτινοβολία που λαμβάνεται από τον αισθητήρα (W m-2 sr-1 lm-1), και τα g και b είναι τα κέρδη με αναπροσαρμογή και τιμή πόλωσης τόσο σε W m-2 sr-1 lm-1. Λόγω έλλειψης μετατόπισης για τα δεδομένα υπέρυθρης ακτινοβολίας των band 5 και 6 του HJ-1B IRS, ο απόλυτος τύπος βαθμονόμησης για αυτά εκφράζονται ως εξής:

Σύμφωνα με τον τύπο της αντανάκλασης επιφανείας Lambert, η ανακλαστικότητα της επιφάνειας της ατμόσφαιρας σε ιδανική κατάσταση μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση :

όπου ρλ είναι η ανακλαστικότητα επιφάνειας στην κορυφή της ατμόσφαιρας, Lλ είναι η φασματική ακτινοβολία, d είναι η απόσταση μεταξύ τη Γη και τον ήλιο στην αστρονομική μονάδα, το ESUNλ είναι η μέση ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατμόσφαιρας και θs είναι η ηλιακή ζενίθ γωνία.

Σφάλματα που προέκυψαν από τις επιδράσεις της ατμόσφαιρας που επηρεάζουν την ποιότητα των πληροφοριών που λαμβάνονται από τηλεπισκοπικές εικόνες. H ατμοσφαιρική διόρθωση, έχει στόχο την αφαίρεση των επιδράσεων της ατμόσφαιρας. Είναι αναμφισβήτητα ένα από τα πλέον σημαντικά τμήματα της προεπεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων από απόσταση και μια τέτοια διόρθωση είναι ιδιαίτερα σημαντική σε περιπτώσεις που πρέπει να συγκριθούν πολυ-χρονικές εικόνες. Για την ατμοσφαιρική διόρθωση χρησιμοποιήθηκαν τα μοντέλα MODTRAN και FLAASH.

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται σε κόλπο. Το νερό και η οριοθετημένη έκταση γης είναι λασπώδεις. Ως εκ τούτου, τα χερσαία και θαλάσσια σύνορα δεν είναι ίδια σε διαφορετικές περιόδους κι απαιτούν το την διευκρίνηση των χερσαίων και θαλάσσιων συνόρων. Η επιφανειακή θερμοκρασία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τύπους ανάκτησης με τη διαθεσιμότητα και την εκτίμηση μόνο ενός μικρού αριθμού παραμέτρων και η ακρίβεια ανάκτησης εξακολουθεί να είναι εγγυημένη. Σε αυτή τη μελέτη, ο αλγόριθμος split-window εφαρμόζεται για την εκτίμηση του SST με τα δεδομένα TIR με βάση το MODIS. Αυτή η μέθοδος παράγει τους τύπους για τον υπολογισμό των θερμοκρασιών δύο γειτονικών θερμικών καναλιών.