Εφαρμογές της τηλεπισκόπησης σε παρατηρήσεις νυχτερινού φωτισμού: εξελίξεις, προκλήσεις και προοπτικές

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Applications of Satellite Remote Sensing of Nighttime Light Observations: Advances, Challenges, and Perspectives

Συγγραφείς: Min Zhao, Yuyu Zhou, Xuecao Li, Wenting Cao, Chunyang He, Bailang Yu, Xi Li, Christopher D. Elvidge, Weiming Cheng and Chenghu Zhou

Δημοσιεύθηκε: Remote Sens. 2019, 11, 1971; doi:10.3390/rs11171971

Πηγή: https://www.mdpi.com/2072-4292/11/17/1971

Σκοπός

Η ανασκόπηση των εφαρμογών, αλλά και των περιορισμών της τηλεπισκόπικής μελέτης του νυχτερινού φωτισμού. Έμφαση δίνεται στο πως οι εφαρμογές αυτές συμβάλλουν στην καταγραφή, στον χαρακτηρισμό και στην ποσοτικοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που πλήττουν τον πλανήτη.

Δορυφόροι και Βάσεις δεδομένων

Ο πρώτος αισθητήρας που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή του νυχτερινού φωτός ήταν ο Operational Line System (OLS), ο οποίος βρέθηκε πρώτη φορά σε τροχιά το 1976 ως μέρος του δορυφόρου DMSP Block 5D. Πρόκειται για έναν ταλαντευόμενο ραδιομετρικό σαρωτή με πλάτος σάρωσης ~3000χλμ και δύο διευρυμένα κανάλια, ένα Visible Near Infra Red (VNIR, 0,4- 1,1μm) και ένα υπέρυθρο θερμικό (10,5- 12,6 μm). Η χωρική του ανάλυση φτάνει τα 0,56χλμ, ενώ λόγω της τροχιάς του προσφέρει παγκόσμια nighttime light (NTL) δεδομένα κάθε 24 ώρες. Χαρακτηριστικό του αισθητήρα είναι ότι φέρει έναν φωτοπολλαπλασιαστικό κύλινδρο (PMT) ο οποίος ενισχύει το σήμα επιτρέποντας έτσι την καταγραφή του νυχτερινού φωτισμού. Το 2011 μπήκε σε λειτουργία ο αισθητήρας Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) που σχεδιάστηκε με σκοπό την συλλογή υψηλής ποιότητας ραδιομετρικών δεδομένων. Ο αισθητήρας αυτός έχει πλάτος σάρωσης ~3000χλμ, χωρική ανάλυση που φτάνει τα 750μ στο ναδίρ, ενώ φέρει 22 κανάλια στο VNIR. Από αυτά, το Day/Night κανάλι με φασματικό εύρος 0,5-0,9μm χρησιμοποιείται για την καταγραφή του ανθρωπογενούς νυχτερινού φωτισμού. Βέβαια, εκτός από τις εικόνες δορυφόρου, υπάρχουν και άλλες πηγές δεδομένων, όπως είναι οι φωτογραφίες διαφόρων πόλεων που έχουν τραβήξει οι αστροναύτες από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.

Συμβολή της μελέτης του νυχτερινού φωτισμού στην κατανόηση ενός ευμετάβλητου κόσμου

Η τηλεπισκοπική μελέτη του νυχτερινού φωτισμού εστιάζει στην κατανόηση των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και των περιβαλλοντικών αλλαγών που προκύπτουν από αυτές. Τα φαινόμενα και οι δραστηριότητες που συνήθως μελετώνται είναι τα εξής (Εικόνα 1):

Αστικοποίηση: Από τη μελέτη της αστικοποίησης έχουν προκύψει μια σειρά δεδομένων με την χρήση διαφόρων δεικτών, όπως είναι ο Enhanced Build- up and Bareness Index (EBBI), ο Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) και ο Land Surface Temperature (LST) και οι οποίες κατά βάση αφορούν την χαρτογράφηση και την κατηγοριοποίηση των αστικών περιοχών, από την τοπική μέχρι και την παγκόσμια κλίμακα. Οι κύριες μέθοδοι μελέτης των αστικών περιοχών είναι αυτή του κατώτερου ορίου (threshold based method), η επιβλεπόμενη ταξινόμηση και οι στατιστικές συσχετίσεις με την χρήση δεικτών όπως είναι o Human Settlement Composite Index (HSCI).

Κοινωνικο-οικονομικές δραστηριότητες: Η χωρική διάσταση του ανθρωπογενούς φωτισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δημογραφική και οικονομική ένδειξη. Πιο συγκεκριμένα, οι μελέτες των κοινωνικο-οικονοικών δραστηριοτήτων εστιάζουν: 1. στην διερεύνηση του κοινωνικο-οικονομικού καθεστώτος σε συγκεκριμένες χωρικές κλίμακες 2. στην καταγραφή των κοινωνικο-οικονομικών μεταβολών στον χρόνο 3. στην ποσοτικοποίηση των κοινωνικο-οικονομικών δεδομένων για περιοχές όπου δεν υπάρχουν στατιστικά δεδομένα διαθέσιμα 4. στην αξιολόγηση του επιπέδου ανάπτυξης και την ανάδειξη κοινωνικών προβλημάτων όπως είναι η ανισότητα και η φτώχεια

Συρράξεις και φυσικές καταστροφές: Η μείωση του ανθρωπογενούς φωτισμού όπως αυτός καταγράφεται στα NTL δεδομένα συχνά σχετίζεται με συρράξεις και φυσικές καταστροφές. Με τη βοήθεια της τηλεπισκόπησης έχουν μελετηθεί οι εμπόλεμες ζώνες της Συρίας, της Υεμένης και του Ιράκ. Σε κάθε περίπτωση η αυξομείωση της ένταση της φωτεινότητας συνέπιπτε με περιόδους ειρήνης και πολέμου. Παρομοίως, καταστροφές όπως είναι οι σεισμοί και οι ανεμοστρόβιλοι επηρεάζουν άμεσα και ξαφνικά τον νυχτερινό φωτισμό. Η υψηλή χρονική ανάλυση δίνει τη δυνατότητα καταγραφής μιας καταστροφής και κατ’επέκταση να επιτρέψει έναν σχετικά ακριβή υπολογισμό του κόστους μιας φυσικής καταστροφής.

Αλιεία: Η μελέτη της αλιείας είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική καθώς πολλά αλιευτικά σκάφη χρησιμοποιούν δυνατό φως για να προσελκύσουν συγκεκριμένα είδη ψαριών. Αν και αυτή η εφαρμογή έχει λαμβάνει χώρα ήδη από το 1970, μόλις το 2014 δημιουργήθηκε ο κατάλληλος αλγόριθμος για τον εντοπισμό αλιευτικών σκαφών, ο οποίος χρησιμοποιείται από τον αισθητήρα VIIRS. Η εξέλιξη αυτή επιτρέπει πλέον τον υπολογισμό του αποθέματος ψαριών, αλλά και την καταπολέμηση της παράνομης αλιείας.

Ενέργεια, αέρια του θερμοκηπίου και λοιποί ρύποι: Τα NTL δεδομένα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ένδειξη για τα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας και παραγωγής αερίων του θερμοκηπίου, γεγονός που κρίνεται ως σημαντικό γιατί η χωρο-χρονική καταγραφή και κατανόησή τους μπορεί να συμβάλλει δραστικά στη λήψη αποφάσεων σχετικά με την κλιματική αλλαγή. Οι έρευνες που γίνονται στο πεδίο αυτό μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: - χαρτογράφηση της χωρικής κατανομής της κατανάλωσης ενέργειας και της παραγωγής CO2 σε διάφορες κλίμακες (τοπική έως παγκόσμια) - διερεύνηση των χωρο-χρονικών μεταβολών της κατανάλωσης ενέργειας και της παραγωγής CO2 χρησιμοποιώντας time- series NTL data - βελτίωση της ακρίβειας εκτίμησης της κατανάλωσης ενέργειας και της παραγωγής CO2

Φωτορύπανση: Τα NTL δεδομένα έχουν προσφέρει μοναδικά χωρο- χρονικά ευρήματα σχετικά με την φωτορύπανση, την εξάπλωση της, αλλά και με τις επιπτώσεις της στο περιβάλλον και στον άνθρωπο. Επίσης, η χρήση των δεδομένων αυτών συμβάλλει στην προστασία του φυσικού τοπίου και διαφόρων ειδών που απειλούνται, όπως είναι οι θαλάσσιες χελώνες.

Προκλήσεις και περιορισμοί στην τηλεπισκοπική μελέτη του νυχτερινού φωτισμού
Οι περιορισμοί του πεδίου αυτού αφορούν τόσο τα διαθέσιμα δεδομένα, όσο και τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται (Εικ. 3). Τα NTL δεδομένα δεν παρουσιάζουν συνοχή εξαιτίας των διαφορετικών τροχιών των δορυφόρων που φέρουν τους απαραίτητους αισθητήρες, αλλά και λόγω της υποβάθμισης της ποιότητας των αισθητήρων την πάροδο των ετών. Επίσης, πρόβλημα δημιουργεί το γεγονός ότι τα δεδομένα δεν μπορούν να βαθμονομηθούν κατά την συλλογή τους, με αποτέλεσμα οι παρατηρήσεις από τον ίδιο δορυφόρου να διαφέρουν ανάλογα με τις επικρατούσες ατμοσφαιρικές συνθήκες. Όσον αφορά τα NTL δεδομένα που συλλέγονται από τον δορυφόρο DMSP, παρουσιάζουν το πρόβλημα του blooming effect ειδικά στις περιαστικές περιοχές. Το φαινόμενο αυτό ουσιαστικά αφορά τη διάχυση του φωτός, που οδηγεί στην λανθασμένη καταγραφή DN τιμών των εικονοστοιχείων και φυσικά αυτό επηρεάζει την μελέτη της αστικοποίησης και την χαρτογράφηση του αστικού ιστού. Στη δυσκολία αυτή συμβάλλουν και οι διαφορές που παρουσιάζουν τα στοιχεία από τους αισθητήρες OLS και VIIRS. Τέλος, είναι σημαντικό να υπογραμμιστεί το ότι τα δεδομένα αυτά αποτελούν κατά βάση ενδείξεις, είναι δηλαδή έμμεσες παρατηρήσεις που σημαίνει ότι είναι πιθανό να υπάρχει κάποια διαφορά μεταξύ της ερμηνείας των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και της πραγματικότητας.

Συμπεράσματα
Η τηλεπισκοπική μελέτη του νυχτερινού φωτισμού είναι ένα πεδίο έρευνας που μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στην μελέτη της ανθρώπινης δραστηριότητας. Παρά τις προκλήσεις και τους περιορισμούς, το πεδίο αυτό είναι πολλά υποσχόμενο αλλά για να γίνει αυτό χρειάζεται: 1. Η χρήση βελτιωμένων αισθητήρων ώστε να γίνεται πιο ακριβής καταγραφή των δεδομένων, ειδικά στην σύγχρονη εποχή που ολοένα και αυξάνεται η χρήση του LED φωτισμού. 2. Η δημιουργία βάσεων δεδομένων με συνοχή και συνέχεια ώστε να είναι εφικτές οι μακροπρόθεσμες μελέτες σε τοπική, αλλά και παγκόσμια κλίμακα. 3. Ο συνδυασμός των NTL δεδομένων με άλλα δεδομένα (πχ από social media) που μπορούν να διευκολύνουν στην κατανόηση των ανθρωπίνων δραστηριοτήτων 4. H διεπιστημονική προσέγγιση και ανάλυση των αποτελεσμάτων