Ανάλυση και επεξεργασία εικόνων NOAA/AVHRR για την θερμική ανίχνευση και απεικόνιση πλουμιών που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς: Χρυσουλάκης Ν. (Πανεπιστήμιο Αθηνών, Φυσικό Τμήμα, Τομέας Φυσικής Εφαρμογών, Εργαστήριο Μετεωρολογίας), Καρτάλης Κ. (Πανεπιστήμιο Αθηνών, Φυσικό Τμήμα, Τομέας Φυσικής Εφαρμογών, Εργαστήριο Μετεωρολογίας)
Πηγή: Ινστιτούτο Υπολογιστικών Μαθηματικών (ΙΥΜ), http://www.iacm.forth.gr/index_main.php?l=gr&group=0&page=publications
1. Εισαγωγή
Τα αιωρούμενα σωματίδια που συνθέτουν ένα πλούμιο προκαλούν σκέδαση στη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία και κατά συνέπεια μπορούν να ανιχνευτούν από δορυφορικό δέκτη ο οποίος έχει την κατάλληλη διακριτική ικανότητα. Η δορυφορική απεικόνιση ενός πλουμίου στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος είναι εφικτή μέσω της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα αερολύματα που το αποτελούν. Τα σωματίδια αυτά, λειτουργώντας σαν πυρήνες συμπύκνωσης για τους ατμοσφαιρικούς υδρατμούς, συγκεντρώνουν γύρω τους υδροσταγονίδια, με αποτέλεσμα τη χωρική επέκταση του πλουμίου. Έτσι, για να είναι διακριτό ένα πλούμιο θα πρέπει να έχει θερμοκρασιακή διαφορά από το περιβάλλον του η οποία να υπερβαίνει ένα κατώτατο όριο, το οποίο εξαρτάται από την ευαισθησία του δορυφορικού ανιχνευτή. Για παράδειγμα, ένα πλούμιο για να είναι διακριτό στις εικόνες του AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) των δορυφόρων NOAA, θα πρέπει να καταλαμβάνει τουλάχιστον δύο εικονοστοιχεία. Σε μερικές περιπτώσεις όταν ένα από τα συστατικά του πλουμίου είναι το SO3, το οποίο είναι ιδιαίτερα υγροσκοπικό, το πλούμιο μπορεί να καταλαμβάνει μεγάλη χωρική έκταση. Σε αρκετές εργασίες έχει φανεί το δυναμικό του AVHRR για τον εντοπισμό μετώπων της φωτιάς. Είναι επίσης γνωστή η δυνατότητα εξαγωγής του Κανονικοποιημένου Δείκτη Βλάστησης (Normalized Difference Vegetation Index: NDVI), με κατάλληλο συνδυασμό καναλιών του AVHRR. Με τη βοήθεια του NDVI είναι δυνατός ο διαχωρισμός χερσαίων από θαλάσσιες επιφάνειες, καθώς επίσης και ο διαχωρισμός των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν σε νέφη από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν σε περιοχές της επιφάνειας και παρουσιάζουν πολύ κοντινές ψηφιακές τιμές.
Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η απεικόνιση πλουμίων που έχουν προκληθεί από βιομηχανικά ατυχήματα τα οποία έχουν ανιχνευτεί δορυφορικά. Η απεικόνιση αυτή βασίζεται στο διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στα πλούμια, αφ’ ενός από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη και αφ’ ετέρου από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στην υποκείμενη επιφάνεια. Ο διαχωρισμός γίνεται βάσει αλγορίθμου που εισάγει ειδικό φίλτρο για τα νέφη καθώς και για περιοχές της υποκείμενης επιφάνειας. Το τελικό προϊόν είναι μια ψευδόχρωμη εικόνα στην οποία παρουσιάζεται η θερμική δομή του πλουμίου με βάση τη θερμοκρασία ακτινοβολίας του στο κανάλι 5 του AVHRR.
2. Δεδομένα και Μεθοδολογία
Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες NOAA/AVHRR υψηλής ευκρίνειας (Local Area Caverage). Ο ανιχνευτής AVHRR έχει χωρική διακριτική ικανότητα 1,1 Km στο ναδίρ και μπορεί να σαρώσει ταυτόχρονα περιοχή 2400 km, η χρονική διακριτική του ικανότητα είναι 6 ώρες. Ο συγκεκριμένος δέκτης καταγράφει την ακτινοβολία που φτάνει σ' αυτόν σε πέντε φασματικές περιοχές (κανάλια): α) κανάλι 1 (0,58 - 0,68 μm, ορατό), β) κανάλι 2 (0,72 - 1,10 μm, πολύ κοντινό υπέρυθρο), γ) κανάλι 3 (3,55 - 3,93 μm, μέσο υπέρυθρο), δ) κανάλι 4 (10,5 - 11,3 μm, θερμικό υπέρυθρο), ε) κανάλι 5 (11,5 - 12,5 μm, θερμικό υπέρυθρο). Για τη συγκεκριμένη εφαρμογή χρησιμοποιείται εικόνα που έχουν ληφθεί από τον δορυφόρο ΝΟΑΑ 11 στις 13 Απριλίου 1991 (12:55 UTC), ημερομηνία στην οποία εκδηλώθηκε πυρκαγιά στο δεξαμενόπλοιο Heaven στο λιμάνι της Γένοβας.
Αρχικά οι εικόνες υφίστανται τις κατάλληλες γεωμετρικές διορθώσεις με βάση την πληροφορία που εμπεριέχεται στην αρχική διαμόρφωση (format Level 1-b) και κατόπιν την κατάλληλη βαθμονόμηση (calibration) ώστε οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων της εικόνας να μετατραπούν σε τιμές θερμοκρασίας ακτινοβολίας για τα κανάλια του υπέρυθρου και σε τιμές λευκαύγειας για τα κανάλια του ορατού.
Η θερμική ανίχνευση των πλουμίων πραγματοποιείται με βάση τη διαφορά θερμοκρασίας στα κανάλια 4 και 5. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται στον εντοπισμό πλουμίων που προκαλούνται από ηφαιστειακές εκρήξεις και στηρίζεται στο γεγονός ότι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο καναλιών μεγιστοποιείται στα πλούμια, λόγω της εξάρτησης του δείκτη διάθλασης από το μήκος κύματος για τα σωματίδια του πλουμίου .
Αφού πραγματοποιηθεί η ανίχνευση των πλουμίων, γίνεται η θερμική τους απεικόνιση με βάση τη θερμοκρασία ακτινοβολίας του καναλιού 5. Όμως αρχικά είναι απαραίτητος ο διαχωρισμός του πλουμίου από τα νέφη καθώς και από την υποκείμενη επιφάνεια. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται ένας απλός αλγόριθμος που βασίζεται στο συνδυασμό των κανονικοποιημένων λόγων (5-1)/(5+1) και (2-1)/(2+1) των καναλιών 1 και 2 και 5 του AVHRR με στόχο το διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο πλούμιο από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη και στην επιφάνεια της γης.
Ο πρώτος κανονικοποιημένος λόγος χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του πλουμίου από τα νέφη και για το φιλτράρισμα των νεφών χρησιμοποιεί το λόγο γραμμικού συνδυασμού των καναλιών 1 και 5: CLD = (Channel 5 – Channel 1) / (Channel 5 + Channel 1) Λόγω της κανονικοποίησης οι ψηφιακές τιμές στην εικόνα που προκύπτει από το λόγο αυτόν κυμαίνονται από 0 έως 1. Ανάλυση του ιστογράμματος της εικόνας αυτής οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν σε περιοχές με πυκνή νέφωση του 0,85. Η χρήση της τιμής αυτής ως κατώφλι αποτελεί φίλτρο για τα νέφη έχοντας διπλό στόχο: α) τη δημιουργία μάσκας στην εικόνα για την πυκνή νέφωση και β) το διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο πλούμιο από εκείνα που αντιστοιχούν στα νέφη τα οποία δεν μπορούν να επηρεαστούν από τη μάσκα.
Ο δεύτερος λόγος είναι ο γνωστός Κανονικοποιημένος Δείκτης Βλάστησης NDVI. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο NDVI χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό του πλουμίου από την επιφάνεια της γης και για το φιλτράρισμα των υδάτινων επιφανειών.
Λόγω της κανονικοποίησης οι ψηφιακές τιμές του δείκτη βλάστησης κυμαίνονται από -1 έως 1. Ανάλυση του ιστογράμματος της εικόνας αυτής οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο πλούμιο και στις χερσαίες περιοχές είναι θετικές ενώ οι ψηφιακές τιμές που αντιστοιχούν σε υδάτινες επιφάνειες είναι αρνητικές. Οι τιμές του NDVI που αντιστοιχούν σε εικονοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν πυκνά νέφη δεν ενδιαφέρουν στην συγκεκριμένη περίπτωση για το λόγο ότι έχει προηγουμένως χρησιμοποιηθεί μάσκα νεφών. Η χρήση του NDVI στη συγκεκριμένη περίπτωση έχει διπλό στόχο: α) τη δημιουργία μάσκας στην εικόνα για τις υδάτινες επιφάνειες και β) το διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο πλούμιο από εκείνα που αντιστοιχούν στην υποκείμενη επιφάνεια.
3. Αποτελέσματα
Στην εικόνα 1 παρουσιάζεται το κανάλι 5 του AVHRR στις 13 Απριλίου 1991 (12:55 UTC), μετά τις γεωμετρικές διορθώσεις και τη βαθμονόμηση.
Στην εικόνα 2 παρουσιάζεται η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 4 και 5. Έχουν ψευδοχρωματιστεί οι περιοχές εκείνες όπου η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη από 5 ° Κ. Όπως είναι φανερό η διαφορά αυτή λαμβάνει τις μέγιστες τιμές στην περιοχή του πλουμίου.
Στην εικόνα 3 παρουσιάζεται η θερμική απεικόνιση του πλουμίου που προκαλείται από το βιομηχανικό ατύχημα όπως προκύπτει μετά την εφαρμογή του αλγορίθμου που περιγράφεται στο διάγραμμα ροής του σχήματος 1. Το διπλό φιλτράρισμα που έχει χρησιμοποιηθεί έχει λειτουργήσει σαν μάσκα για τις υδάτινες επιφάνειες και για τα νέφη.
4. Συμπεράσματα
Η δορυφορική απεικόνιση ενός πλουμίου που προκαλείται από κάποιο βιομηχανικό ατύχημα είναι εφικτή μέσω της ακτινοβολίας που εκπέμπεται ή απορροφάται από τα αερολύματα τα οποία αποτελούν το πλούμιο. Τα σωματίδια αυτά λειτουργώντας σαν πυρήνες συμπύκνωσης για τους ατμοσφαιρικούς υδρατμούς συγκεντρώνουν γύρω τους υδροσταγονίδια προκαλώντας τη χωρική επέκταση του πλουμίου με αποτέλεσμα να είναι διακριτό στις εικόνες του AVHRR.
Ο βαθμός στον οποίο ένα πλούμιο είναι διαχωρίσιμο σε μια δορυφορική εικόνα εξαρτάται από τις διαστάσεις, την οπτική του πυκνότητα και τη θερμοκρασιακή δομή του, καθώς και από την ευαισθησία του εκάστοτε δορυφορικού δέκτη. Η μέθοδος απεικόνισης που προτείνεται βασίζεται στο διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο πλούμιο εφ’ ενός, από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη και αφ’ ετέρου από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στην υποκείμενη επιφάνεια με χρήση κατάλληλου αλγορίθμου.
Το AVHRR έχει τη δυνατότητα εντοπισμού συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων στο υπέρυθρο μέσω της διαφοράς θερμοκρασίας που εμφανίζουν τα πλούμια από τον περιβάλλοντα χώρο. Χαρακτηριστική είναι η μεγιστοποίηση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 4 και 5 στην περιοχή του πλουμίου. Σε περίπτωση εντοπισμού ενός τέτοιου συμβάντος είναι δυνατή η θερμική απεικόνιση του πλουμίου με βάση τις θερμοκρασίες ακτινοβολίας του καναλιού 5. Η χρήση κατάλληλου αλγορίθμου εισάγει ειδικό φίλτρο για τα νέφη καθώς και για περιοχές της υποκείμενης επιφάνειας, παράγοντας τελικά μια ψευδόχρωμη εικόνα στην οποία το πλούμιο είναι απόλυτα διαχωρίσιμο.
