Χρήση εναέριου υπερφασματικού συστήματος απεικόνισης κυμάτων στο φάσμα του μέσου υπέρυθρου για τον εντοπισμό ωκεάνιων πλαστικών

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 14:01, 18 Ιανουαρίου 2019

Εικόνα 1: Κατηγορίες πλαστικών που ανιχνεύθηκαν στη θάλασσα.

Συγγραφείς:

Shungudzemwoyo P. Garaba, Jen Aitken, Boyan Slat, Heidi M. Dierssen, Laurent Lebreton, Oliver Zielinski, Julia Reisser

Καθώς η ποσότητα πλαστικών στο φυσικό περιβάλλον αυξάνεται, υπάρχει επείγουσα ανάγκη για ανάπτυξη τεχνολογικών, νομοθετικών και πολιτικών λύσεων βασιζόμενων σε ακριβή επιστημονικά τεκμηριωμένη έρευνα. Δυστυχώς, υπάρχει ένα χάσμα γνώσης όσον αφορά τη χρονική και χωρική κατανομή των ωκεάνιων πλαστικών. Επί του παρόντος, υπάρχουν μόνο περιφερειακές αξιολογήσεις πλαστικών σε παραλίες, στην υδάτινη στήλη και τον πυθμένα της θάλασσας, όπως για παράδειγμα των ιζημάτων βαθέων υδάτων στην Αρκτική. Όσον αφορά την κατανομή των ωκεάνιων πλαστικών σε πλανητικό επίπεδο, το μεγαλύτερο μέρος της υπάρχουσας γνώσης βασίζεται σε αξιόπιστη αριθμητική μοντελοποίηση σε συνδυασμό με περιορισμένα σύνολα δεδομένων που περιέχουν πληροφορίες για της παρατηρούμενες ποσότητες πλαστικών μεγέθους μερικών χιλιοστών. Η τιμή επιπλεόντων τεμαχίων (ή μαζών) ωκεάνιου πλαστικού ανά μονάδα θαλάσσιας επιφάνειας συνήθως υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον αριθμό (ή μάζα) σωματιδίων που συλλέγονται από μικρά επιφανειακά δίχτυα, με αναγωγή προς την επιφάνεια που καλύπτεται συνολικά. Παρότι αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως και αποτελεί βασική πηγή πληροφοριών, είναι πολύ περιορισμένη τόσο χωρικά, όσο και χρονικά. Τα μοντέλα που υπολογίζονται με αυτά τα περιορισμένα σύνολα δεδομένων παρέχουν εκτιμήσεις για την αφθονία των ωκεάνιων πλαστικών, με γεωγραφικές λεπτομέρειες για σημεία συσσωρευμένης ρύπανσης από πλαστικά, συμπεριλαμβανομένων των περιοχών όπου τα πλαστικά εισέρχονται στους ωκεανούς, όπως τα συστήματα εκβολών ποταμών και παράκτιων οικοσυστημάτων, καθώς και περιοχές όπου τα πλαστικά δημιουργούν μεγάλες συσσωρεύσεις. Ωστόσο, τα αριθμητικά αυτά μοντέλα ζωγραφίζουν μόνο μια γενική εικόνα της κατανομής των ωκεάνιων πλαστικών, κυρίως λόγω της έλλειψης δεδομένων από επιτόπιες παρατηρήσεις.

Τα επιπλέοντα ωκεάνια πλαστικά φαίνεται να συγκεντρώνονται στο πάνω στρώμα της υδάτινης στήλης των ωκεανών, ως επί το πλείστον εντός των πρώτων 0,5 m. Ως εκ τούτου, η τηλεπισκόπηση των ωκεάνιων πλαστικών από το διάστημα και τις αεροναυτικές πλατφόρμες αποτελεί αξιόπιστη πηγή ποσοτικών και ποιοτικών δεδομένων σε ευρεία γεωγραφική κλίμακα. Η ικανότητα απομακρυσμένου εντοπισμού των ωκεάνιων πλαστικών θα μας επέτρεπε να οικοδομήσουμε μία βάση γνώσεων για την κατανόηση της ποσότητας και της συμπεριφοράς των ωκεάνιων πλαστικών. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, μόνο λίγες έρευνες για τα πλαστικά των ωκεανών έχουν διερευνήσει τις δυνατότητες των δορυφορικών και εναέριων εργαλείων τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της ρύπανσης από πλαστικά στους ωκεανούς.

Οι οπτικοί αισθητήρες απεικόνισης μπορούν να επιτρέψουν την αυτοματοποιημένη, μη επεμβατική και μη επανδρωμένη ανίχνευση θαλάσσιων απορριμμάτων, δίνοντας μετρήσεις που μπορούν να βοηθήσουν στην καλύτερη εκτίμησή της συγκέντρωσης και σύνθεσής τους. Εναέρια υπερφασματικά συστήματα απεικόνισης μπορούν να δώσουν σημαντικά συμπληρωματικά δεδομένα αναφοράς σχετικά με τη ρύπανση των ωκεανών από πλαστικά λόγω υψηλής φασματικής και γεωχωρικής ανάλυσης. Επί του παρόντος, οι εναέριες βάσεις φαίνεται να αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη πηγή τεκμητιωμένων στοιχείων για το σχεδιασμό μελλοντικών δορυφορικών αποστολών με δυνατότητες ανίχνευσης, εντοπισμού, αναγνώρισης, και ή ποσοτικοποίησης των πλαστικών στους ωκεανούς. Σε χερσαία έρευνα που πραγματοποιήθηκε, η υπερφασματική απεικόνιση και ανάπτυξη αλγορίθμου ανίχνευσης πραγματοποιήθηκε πάνω σε γνωστούς στόχους συμπεριλαμβανομένων φυσικών και συνθετικών υδρογονανθράκων. Πιο πρόσφατα, οι οπτικές ιδιότητες των μικρο-(<5 mm) και μακρο- (> 5 mm) πλαστικών που έχουν συλλεχθεί στη θάλασσα διερευνήθηκαν παράλληλα με μια μελέτη που δείχνει τις δυνατότητες απομακρυσμένης ανίχνευσης και ταυτοποίησης πολυμερών υγρών και ξηρών πλαστικών στην ξηρά. Επίσης έχουν προταθεί τεχνικές για τη μέτρηση της φασματικής ανάκλασης των μικροπλαστικών που επιπλέουν στη θάλασσα. Τον Ιούνιο του 2018, επιπλέοντες τεχνητοί στόχοι κοινών ωκεάνιων πλαστικών ανιχνεύθηκαν με επιτυχία από drones και δορυφορικές αποστολές (π.χ. PlanetScope Dove, Sentinel, TanDEM-X, WorldView) στο πλαίσιο του προγράμματος "Πείραμα καταγραφής πλαστικών στο θαλάσσιο περιβάλλον του Αιγαίου από ΣμηΕΑ και προσπάθεια εντοπισμού από δορυφορικά συστήματα " με επικεφαλής, ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Αιγαίου.

Στην παρούσα μελέτη, παρουσιάζονται οι δυνατότητες ενός υπερφασματικού συστήματος απεικόνισης στο μέσο υπέρυθρο φάσμα (SWIR) για την από απόσταση ανίχνευση των ωκεάνιων πλαστικών. Αντικείμενο της έρευνας ήταν η εξερεύνηση της φασματικής υπογραφής των πλωτών μαζών από κομμάτια πλαστικού μέσω ενός εναέριου φασματογραφικού στο μέσο υπέρυθρο συστήματος απεικόνισης (SASI) από υψόμετρο 400 μ. πάνω από ένα σημείο συσσώρευσης ρύπανσης από πλαστικά απορρίμματα γνωστό ως Ζώνη Συσσώρευσης Βόρειου Ειρηνικού (GPGP). Πρώτα ταυτοποιήθηκαν τα ωκεάνια πλαστικά στο κόκκινο, πράσινο και μπλε (RGB) έγχρωμο σύνθετο και στη συνέχεια έγινε γεωαναφορά των ωκεάνιων πλαστικών στο SWIR ώστε να γίνει εξαγωγή του φάσματος στο SWIR. Αξιολογήσαμε επίσης τις εφαρμογές των συστημάτων απεικόνισης σε SWIR στον τομέα τηλεπισκόπησης ωκεάνιων πλαστικών. Στις εικόνες RGB πραγματοποιήθηκε ταυτοποίηση πλαστικών αντικειμένων από έμπειρους παρατηρητές, καθώς και με ειδικά διαμορφωμένο αυτοματοποιημένο αλγόριθμο εντοπισμού. Τα αντικείμενα κατατάχθηκαν σε πέντε ομάδες: δοχεία, επιπλέοντα αντικείμενα, δίχτυα, σχοινιά-κυλινδρικά αντικείμενα και άγνωστα αντικείμενα (Εικόνα 1). Χρησιμοποιώντας ως βάση 118 αντικείμενα που ανιχνεύθηκαν στην εικόνα RGB και κατατάχθηκαν σε μία από τις πέντε κατηγορίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, πραγματοποιήθηκε αντιπαραβολή των εικόνων RGB και SWIR σε περιβάλλον QGIS, ώστε να καταγραφεί η φασματική υπογραφή των αντικειμένων αυτών.

Το SWIR σήμα των ωκεάνιων πλαστικών που εξετάστηκαν σε αυτή τη μελέτη (N = 118) έδειξε κάποια μεταβλητότητα στο μέγεθος και το σχήμα. Αυτές οι διακυμάνσεις ήταν αρκετά συνεπείς μεταξύ των τύπων πλαστικού, με τα μέσα φάσματα ανάκλασης των διαφορετικού τύπου ωκεάνιων πλαστικών να συσχετίζονται έντονα ρ > 0,98 και τους δείκτες ομοιότητας φασματικού σχήματος θ < 11°. Αυτό υποδηλώνει ότι τα σχήματα των μέσων φασμάτων των διαφορετικών τύπων ωκεάνιων πλαστικών ήταν παρόμοια, με μέτριες ομοιότητες μεταξύ των άγνωστων αντικειμένων και των δοχείων (θ = 10,7°) και πολύ ισχυρές ομοιότητες μεταξύ των διχτυών και των πλωτών αντικειμένων (θ = 4. °). Το φασματικό σχήμα είναι μια σημαντική μέτρηση στην ταυτοποίηση των πολυμερών με τη βοήθεια βιβλιοθηκών φασματικών υπογραφών. Οι ομοιότητες ως προς το σχήμα του φάσματος που βρέθηκαν στην παρούσα μελέτη θα μπορούσαν να είναι συνέπεια της σχετικά ομοιόμορφης σύσταση των πολυμερών στα πλαστικά του GPGP, καθώς σε προηγούμενες μελέτες έχει βρεθεί ότι αποτελείται κυρίως από πολυαιθυλένιο (PE) και PP.

Συνολικά, τα πλωτά αντικείμενα είχαν την υψηλότερη ακτινοβολία, πιθανώς λόγω υψηλής ανακλαστικότητας και υψηλής πλευστότητας που θα μπορούσε να οδηγήσει σε λίγο ή καθόλου κάλυψη από το θαλασσινό νερό άρα και λιγότερη απορρόφηση φωτός από το νερό. Τα δοχεία είχαν τη χαμηλότερη ακτινοβολία, πιθανώς λόγω της σχετικά χαμηλής πλευστότητας τους που οδηγεί σε ελαφρώς μεγαλύτερη κάλυψη σε θαλασσινό νερό. Υψηλές διαφορές (> 62%) έντασης μεταξύ φασμάτων σημειώθηκαν μεταξύ των 970,1200, 1530, 1680 και 2100 nm. Αυτά τα στοιχεία απορρόφησης συμπίπτουν με φάσματα απορρόφησης μοναδικά για τα πλαστικά και είναι λιγότερο πιθανό να επηρεαστούν από τις φασματικές ιδιότητες των ατμοσφαιρικών αερίων.

[1]