ΙΡΙΣ εύρεση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών γλυκού νερού

Από RemoteSensing Wiki

ΙΡΙΣ. Ανάπτυξη αερομεταφερόμενου συστήματος τηλεπισκοπικών υπερφασματικών δεκτών για την εύρεση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών γλυκού νερού

Συγγραφείς: Κολοκούσης Π. , Καραθανάση Β. , Αργιαλάς Δ. , Ρόκος Δ. Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης Ε.Μ.Π.

Ελληνικό Εναέριο Σύστημα Λήψης Υπερφασματικών Απεικονίσεων

ΣΚΟΠΟΣ

Σκοπός της εργαασίας είναι η ανάπτυξη ενός επιχειρησιακού αερομεταφερόμενου υπερφασματικού συστήματος που λειτουργεί στο ορατό, εγγύς υπέρυθρο (VIS/NIR) και θερμικό (TIR) υπέρυθρο τμήμα του φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας. Η πρώτη ερευνητική εφαρμογή πραγματοποιήθηκε για την ανίχνευση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών γλυκού νερού με ανάλυση και επεξεργασία υπερφασματικών δεδομένων σε περιοχές ενδεικνυόμενες από σχετικές υδρογεωλογικές μελέτες.

ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ

Το πλήθος των σχετικών εφαρμογών οδήγησε στο σχεδιασμό και ανάπτυξη διαφορετικών Αερομεταφερόμενων υπερφασματικών συστημάτων (0.43-0.86μm, 0.86-2.5μm, 8-12μm κλπ). Οι αερομεταφερόμενοι υπερφασματικοί δέκτες έχουν έντονη ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία μιας και υπερβαίνουν περιορισμούς παλαιότερων τεχνολογιών.

Πεδίο Εφαρμογής: Γεωργία, Δασολογία, Γεωλογία/Υδατικοί πόροι (Ποτάμια, λίμνες, υπόγεια και παράκτια νερά, χιονοκάλυψη), Εδαφολογία, Περιβάλλον, Χωροταξικός σχεδιασμός, Ανίχνευση παράνομων δράσεων, Ανίχνευση πηγών πετρελαίου.

ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ

Ένα αερομεταφερόμενο υπερφασματικό σύστημα περιλαμβάνει υπερφασματικούς δέκτες, αδρανειακό σύστημα και σύστημα πλοήγησης (GPS/INS), υπολογιστές και λογισμικό ελέγχου πτήσεων. Το σύνολο των παραπάνω μονάδων τοποθετούνται σε μικρό αεροσκάφος για την λήψη / παραγωγή αερομεταφερόμενων υπερφασματικών δεδομένων.

ΕΙΚΟΝΑ 1: Αερομεταφερόμενο υπερφασικό σύστημα

Υπερφασματικοί τηλεπισκοπικοί δέκτες

Περιλαμβάνει τον υπερφασματικό ηλεκτροοπτικό δέκτη CASI-550 ο οποίος λειτουργεί στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο τμήμα της ΗΜΑ (VIS/NIR: 0.40-0.97μm, 244 κανάλια), και το θερμικό δέκτη ΤΑΒΙ-320 (TIR: 8-12μm, 3 κανάλια). Οι δύο δέκτες (SHUs) εγκαθίστανται εναλλακτικά αλλά και ταυτόχρονα στο αεροπλάνο και συνδέονται με τις υπόλοιπες συσκευές αυτής της διάταξης οι οποίες είναι:

• 1. μονάδες ελέγχου (ICU)
• 2. μονάδες απεικόνισης (VDU)
• 3. μονάδα GPS/INS (IMU)

Χρησιμοποιήθηκαν δέκτες της εταιρίας ITRES η οποία ειδικεύεται στον τομέα της ηλεκτροοπτικής και ειδικότερα στην κατασκευή αερομεταφερόμενων τηλεπισκοπικών δεκτών για υπερφασματική ανάλυση και χαρτογράφηση. Έχει αναπτύξει και κατασκευάσει τους δέκτες:

• CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager)
• ΤΑΒΙ (Thermal Airborne Broadband Imager) και
• SASI (Short-Wave-Infrared Airborne Spectrographic Imager)

CASI-550 (Compact Airborne Spectrographic Imager)

To CASI ενσωματώνει τα χαρακτηριστικά ενός φασματοραδιόμετρου και ενός pushbroom αερομεταφερόμενου τηλεπισκοπικού δέκτη. Τα δεδομένα καταγράφονται αδιάκοπα από ένα διδιάστατο CCD (charge couple device).

ΕΙΚΟΝΑ 2: CASI-550 (Compact Airborne Spectrographic Imager)

Χαρακτηριστικά του CASI-550

• Δυνατότητα φασματικού προγραμματισμού
• Υψηλή χωρική και φασματική ανάλυση

 * Χωρική διακριτική ικανότητα μεταξύ 0.5m και 10m  * Φασματικό εύρος 545nm το οποίο μπορεί να τοποθετηθεί στο διάστημα 400 έως 1000nm

• Συνεργασία με GPS και αδρανειακά συστήματα (INS/GPS) για γεωμετρική διόρθωση υψηλής ακριβείας.
• Είναι δυνατή η άμεση γεωμετρική διόρθωση των απεικονίσεων και η ημιαυτόματη παραγωγή φωτομωσαϊκών
• Μεγάλη διάρκεια λήψης. Υψηλός λόγος σήματος προς θόρυβο.
• Είναι πλήρως βαθμονομημένο σύστημα το οποίο καταγράφει δεδομένα σε τιμές ανακλαστικότητας (uW cm-2 sr-1 nm-1).
• Καταγράφει ταυτόχρονα την προσπίπτουσα ακτινοβολία για ατμοσφαιρικές διορθώσεις.
• Δουλεύει σε δύο καταστάσεις λειτουργίας: Spatial Mode και Hyperspectral Mode

Χαρακτηριστικά του TABI - Thermal Airborne Broadband Imager

• 48° πεδίο λήψης
• Φασματικό εύρος 8000 ως 12000 nm
• 320 εικονοστοιχεία
• Χρόνος σάρωσης 10 msec / γραμμή
• Ευαισθησία: NET 0.1°C (noise equivalent, change in temperature)
• Διαθλαστικά οπτικά
• Μη ψυχόμενος, θερμικά σταθεροποιημένος, μικροβολόμετρο (μικροθερμόμετρο)
• Συμβατός με τον δέκτη CASI

Σύστημα GPS/INS CMIGITS III

Η σύγχρονη λήψη φασματικών δεδομένων και δεδομένων GPS (Global Positioning System) / INS (Inertial Navigation System) επιτρέπει τη διόρθωση των παραγομένων υπερφασματικών απεικονίσεων από στροφές και κραδασμούς του αεροπλάνου, και τη γεωδαιτική αναφορά ή γεωαναφορά των απεικονίσεων. Στη συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκε το C-MIGITS III το οποίο αποτελείται από ένα αδρανειακό αισθητήρα (solid-state Digital Quartz Inertial Measurement Unit, DQI) της BEI Systron Donner Inertial Division και τον GPS δέκτη Jupiter LP με 12 κανάλια και δυνατότητα μετρήσεων κώδικα C/A (Coarse/Acquisition).

ΕΙΚΟΝΑ 3: Σύστημα GPS/INS C-MIGITS III

ΥΠΕΡΦΑΣΜΑΤΙΚΟΙ ΔΕΚΤΕΣ ΚΑΙ ΝΕΡΟ

Η ταξινόμηση των θεμάτων έρευνας της διεθνούς επιστημονικής κοινότητας, σχετικής με τη χρήση των υπερφασματικών δεδομένων, ορίζει τρεις βασικές ενότητες έρευνας:

• ανάλυση της ποιότητας και της σύστασης του νερού,
• μέτρηση της θερμοκρασίας του νερού, και
• καταγραφή των εσωτερικών κυματισμών.

Μεταξύ αυτών οι δύο πρώτες αφορούν άμεσα στην προτεινόμενη έρευνα.

Εφαρμογή σε υποθαλάσσιες ή παράκτιες πηγές νερού

Βασική υπόθεση χρήσης των υπερφασματικών δεδομένων για την ανίχνευση υποθαλάσσιων και παράκτιων πηγών είναι ότι τα δεδομένα αυτά ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία μπορούν να συμβάλλουν στην ανίχνευση μεταβολών των παραμέτρων της:

• θερμοκρασίας του νερού (TIR απεικονίσεις),
• σύστασης του νερού π.χ. σε αλατότητα, συγκέντρωση αιωρούμενων σωματιδίων, χλωριόντων κλπ. (VIS/NIR απεικονίσεις, Μικροκυματικές απεικονίσεις),
• κάλυψης του βυθού και ιδιαίτερα της υδροφόρας βλάστησης (VIS/NIR απεικονίσεις).

Εφαρμογή σε γνωστές υποθαλάσσιες ή παράκτιες πηγές νερού – ανάπτυξη μεθοδολογίας

Πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονες επιθαλάσσιες μετρήσεις και εναέριες λήψεις με τους υπερφασματικούς δέκτες πάνω από περιοχές γνωστών υποθαλάσσιων αλλά και παράκτιων πηγών νερού στην ευρύτερη περιοχή της Χαλκίδας. Οι επιθαλάσσιες μετρήσεις και οι εναέριες λήψεις πραγματοποιήθηκαν: Μάρτιο 2005 (μόνο επιθαλάσσιες μετρήσεις), Ιούνιο 2005, Φεβρουάριο 2006, Ιούλιο 2006, Ιανουάριο 2007, (μόνο εναέριες λήψεις). Οι επιθαλλάσσιες μετρήσεις περιελάμβαναν α) μετρήσεις με το φασματοραδιόμετρο GER1500 του Εργαστηρίου Τηλεπισκόπησης με σκοπό τη δημιουργία φασματικών υπογραφών και β) μετρήσεις από το ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. για πλήρη χημική ανάλυση των στοιχείων του νερού. Ο εξοπλισμός του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. περιελάμβανε: φορητή συσκευή συνεχούς μέτρησης θερμοκρασίας, αλατότητας και θολερότητας (CTD-SeaBird 11, με αισθητήρα μέτρησης απορρόφησης του φωτός-Wetlabs C-Star-25 cm transmissometer με εκπομπή στα 660 nm και αισθητήρα μέτρησης σκέδασης του φωτός με υπέρυθρη ακτινοβολία, D&A Instruments Company OBS-3), φορητό GPS για τον προσδιορισμό της θέσης του σκάφους, και φιάλες δειγματοληψίας νερού τύπου Niskin. Τα δείγματα νερού που συλλέχθηκαν διηθήθηκαν την ίδια μέρα για τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης αιωρουμένων σωματιδίων (φίλτρα Millipore, isopore-polycarbonate, diameter 47 mm, pore size 0.45 μm) και για τον προσδιορισμό συγκέντρωσης χλωροφύλλης (φίλτρα Whattman, glass fiber, diameter 47 mm, pore size 0.7 μm). Η γεωγραφική ανάλυση και κατανομή των μετρήσεων του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. βοήθησε πολύ στην εξαγωγή σημαντικών συμπερασμάτων για το υπό διερεύνηση φαινόμενο.

ΕΙΚΟΝΑ 4: Κατανομή θολερότητας

ΕΙΚΟΝΑ 5: Κατανομή αλατότητας

ΕΙΚΟΝΑ 6: Κατανομή θερμοκρασιών

Οι μετρήσεις με το φασματοραδιόμετρο GER1500 βοήθησαν στην επιλογή των καταλληλότερων περιοχών της ΗΜΑ (καναλιών) για τη ρύθμιση του υπερφασματικού δέκτη CASI-550.

ΕΙΚΟΝΑ 7: Ισαριθμικές καμπύλες μετρήσεων Reflectance της 4ης Ιουλίου 2006 στα 769,70nm

Θερμικές εναέριες λήψεις (TABI-320)

Οι θερμικές απεικονίσεις αναδεικνύουν πολύ χαρακτηριστικά όλες τις επιφανειακές εκροές. Στις περιοχές των υποθαλάσσιων πηγών παρατηρούνται πολύ μικρές διαφορές θερμοκρασίας σε σχέση με τη θάλασσα.

ΕΙΚΟΝΑ 8: Αριστερά θερινή λήψη Ιούνιος 2005 και δεξιά χειμερινή λήψη Φεβρουάριος 2006

ΕΙΚΟΝΑ 9: Θερινή λήψη Ιούνιος 2005

ΕΙΚΟΝΑ 10: Χειμερινή λήψη Φεβρουάριος 2006

Υπερφασματικές εναέριες λήψεις (CASI-550)

Στις υπερφασματικές απεικονίσεις ούτε οι υποθαλάσσιες ούτε οι παράκτιες πηγές είναι άμεσα ορατές.

Προεπεξεργασίες και επεξεργασίες υπερφασματικών δεδομένων

Στις προεπεξεργασίες περιλαμβάνονται:

• ραδιομετρικές διορθώσεις με σκοπό τη βελτιστοποίηση της ποιότητας των υπερφασματικών εικόνων,
• ατμοσφαιρικές διορθώσεις (εφ’ όσον τα απαραίτητα δεδομένα της ατμόσφαιρας είναι διαθέσιμα), και
• γεωμετρικές διορθώσεις απαραίτητες για τη γεωαναφορά των εικόνων.

Στις επεξεργασίες περιλαμβάνονται αλγόριθμοι αποθορυβοποίησης (π.χ. HFC) και αλγόριθμοι υπολογισμού των στατιστικών παραμέτρων με σκοπό τη μείωση των υπερφασματικών καναλιών (π.χ. PCA, MNF, ICA), την ανάδειξη των βέλτιστων και την ταξινόμηση των υπερφασματικών δεδομένων.

Μείωση διάστασης – μετασχηματισμός υπερφασματικών δεδομένων

Κατά καιρούς στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί διάφοροι αλγόριθμοι μείωσης της τρίτης διάστασης των υπερφασματικών κύβων, χωρίς να υπεισέρχεται απώλεια αναντικατάστατης πληροφορίας, όπως η μέθοδος Principal Component Analysis (PCA), η μέθοδος Independent Component Analysis (ICA), η μέθοδος Minimum Noise Fraction (MNF) κ.α. Από τις προαναφερθείσες μεθόδους, η PCA επιχειρεί την ανάλυση των δεδομένων των υπερφασματικών καναλιών σε νέες συνιστώσες ανάλογα με το ύψος των ιδιοτιμών τους, η μέθοδος ICA διαχωρίζει τα υπερφασματικά κανάλια ανάλογα με το αν προσομοιάζουν στατιστικά τη Gaussian καμπύλη ή όχι με σκοπό το μετασχηματισμό τους σε νέα, ενώ η μέθοδος Minimum Noise Fraction παράγει (κατά αντιστοιχία με την PCA) νέες συνιστώσες καναλιών στηριζόμενη στην αναλογία σήματος προς θόρυβο.

Minimum Noise Fraction (MNF) Κατηγοριοποίηση θαλάσσιας περιοχής

Ο μετασχηματισμός ΜNF ταξινομεί τις συνιστώσες με βάση το λόγο σήματος προς θόρυβο κατά φθίνουσα σειρά. Oι πρώτες συνιστώσες παρουσιάζουν μεγάλο λόγο σήματος προς θόρυβο και συνεπώς περιέχουν πολύ πληροφορία και λίγο θόρυβο ενώ οι τελευταίες συνιστώσες περικλείουν πολύ θόρυβο. Η εφαρμογή της μεθόδου έδωσε είκοσι συνιστώσες. Με συνδυασμό των τριών-τεσσάρων πρώτων οι υποθαλάσσιες πηγές γίνονται εμφανείς. Αναδεικνύονται επίσης άλλα στοιχεία όπως απόβλητα του βιολογικού καθαρισμού και η υδρόβια βλάστηση.

Μεθοδολογία ανίχνευσης πηγών νερού με βάση την ICA

Μία από τις πλέον πρόσφατες και επιτυχημένες μεθόδους για τη μείωση των διαστάσεων του υπερφασματικού κύβου θεωρείται η μέθοδος ICA, η οποία χρησιμεύει πρωτίστως ως εργαλείο ανάλυσης και διαχωρισμού σημάτων τα οποία παράγονται από πολλές ανεξάρτητες πηγές και καταγράφονται σε πολλές διαφορετικές και σε απόσταση μεταξύ τους θέσεις. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας η οποία στηρίχθηκε στην ICA έδωσε τέσσερις συνιστώσες στις οποίες αναδεικνύονται οι παράκτιες και οι υποθαλάσσιες εκροές.

Μέθοδος ανίχνευσης παράκτιων και υποθαλάσσιων πηγών γλυκού ή υφάλμυρου νερού

Οι παράκτιες πηγές είναι εμφανέστατες στις θερμικές απεικονίσεις λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας από τη θάλασσα (αρκεί η λήψη να γίνει την κατάλληλη εποχή). Δύο βασικές ενδείξεις υποδηλώνουν την ύπαρξη υποθαλάσσιων πηγών γλυκού ή υφάλμυρου νερού: α) η πολύ μικρή τοπική διαφοροποίηση της θερμοκρασίας (λόγω της άμεσης ανάμειξης πάνω στην πηγή) και β) η αύξηση της θολερότητας η οποία προκαλείται από την ανάβλυση και η οποία γίνεται εμφανής μετά την επεξεργασία των υπερφασματικών απεικονίσεων.

Αξιολόγηση του Συστήματος Ανίχνευση πιθανών υποθαλάσσιων ή παράκτιων πηγών νερού σε νησιά (Σκόπελος–Κύθηρα)

Πραγματοποιήθηκαν τον Ιανουάριο του 2007 εναέριες λήψεις γύρω από τα νησιά Κύθηρα και Σκόπελο με σκοπό τον εντοπισμό πιθανών υποθαλάσσιων αναβλύσεων. Οι εικόνες οι οποίες ελήφθησαν είναι στη φάση της επεξεργασίας...