Ορατή και Υπέρυθρη Απομακρυσμένη Απεικόνιση των Επικίνδυνων Αποβλήτων

Από RemoteSensing Wiki

Ορατή και Υπέρυθρη Απομακρυσμένη Απεικόνιση των Επικίνδυνων Αποβλήτων

Visible and Infrared Remote Imaging of Hazardous Waste

Συγγραφείς

Terrence Slonecker 1, Gary B. Fisher 1, Danielle P. Aiello 1 and Barry Haack

Πηγή

Οpen access journal –mdp

Εισαγωγή

Ένα από τα κρίσιμα παγκόσμια περιβαλλοντικά προβλήματα είναι η ανθρώπινη έκθεση σε επικίνδυνα απόβλητα από γεωργικές, βιομηχανικές, στρατιωτικές και μεταλλευτικές δραστηριότητες. Τα απόβλητα αυτά συχνά περιλαμβάνουν βαρέα μέταλλα, υδρογονάνθρακες και άλλες οργανικές χημικές ουσίες που είναι επιβλαβείς για την ποιότητα του περιβάλλοντος και την ανθρώπινη υγεία. Ο εντοπισμός και η αποκατάσταση των ζημιών που προέρχονται από τα απόβλητα περιλαμβάνει την παρακολούθηση και την ανάλυση τους (π.χ. χημική ανάλυση εργαστηρίου), διαδικασία ιδιαίτερα χρονοβόρα και δαπανηρή. Παράλληλα οι εξωτερικότητες που δημιουργεί η ύπαρξη επικίνδυνων αποβλήτων σε άλλες κοινωνικές δραστηριότητες είναι τεράστιες. Η χρήση των πιο αποτελεσματικών μεθόδων τηλεπισκόπησης θα μπορούσε να μειώσει αυτό το κοινωνικό κόστος, καθώς κάνουν δυνατή την χρονική αξιολόγηση και ανίχνευση των μεταβολών της πορείας των αποβλήτων.

Ο ορισμός των επικίνδυνων αποβλήτων

Οι ουσίες θεωρούνται επικίνδυνα απόβλητα, εφόσον είναι αναφλέξιμα-ικανά να καούν ή να προκαλέσουν φωτιά, διαβρωτικά-είναι σε θέση δηλαδή να προκαλέσουν διάβρωση ή να βλάψουν οργανισμούς εξαιτίας των έντονων όξινων ή βασικών ιδιοτήτων τους, είναι σε θέση να εκραγούν ή να παράγουν τοξικά αέρια όπως το κυάνιο και τοξικά-περιέχουν ουσίες που είναι δηλητηριώδη για τους ανθρώπους και άλλους οργανισμούς. Τα περισσότερα επικίνδυνα απόβλητα είναι το υποπροϊόν της βιομηχανικής και εμπορικής διαδικασίας. Τα σημαντικά επίπεδα επικίνδυνων ουσιών συνδέονται με τα φυτοφάρμακα. Υπάρχει μια διάκριση μεταξύ της διασποράς των ρύπων, όπως τα γεωργικά παρασιτοκτόνα γνωστά ως μη σημειακές πηγές και σημειακές πηγές όπως είναι τα βιομηχανικά απόβλητα. Ακόμη και τα οικιακά απόβλητα περιέχουν ουσίες, όπως η χλωρίνη, βενζίνη, μπαταρίες και διαλύτες που χαρακτηρίζονται ως επικίνδυνα απόβλητα. Επικίνδυνα απόβλητα μπορούν επίσης να είναι και φυσικές ουσίες ή βαρέα μέταλλα όπως ο μόλυβδος και ο υδράργυρος.

Ο κανονισμός για τα επικίνδυνα απόβλητα και η παγκόσμιας κλίμακας ανησυχία

Σε πολλές χώρες τα επικίνδυνα απόβλητα ρυθμίζονται με νομοθεσία, τίθενται τα ανώτατα όρια στις ποσότητες αυτών ατομικά και συλλογικά ενώ η υπέρβαση αυτών των ορίων επισύρει ποινές(υψηλές αποζημιώσεις). Ωστόσο πολλές είναι και οι διεθνείς συμφωνίες (με πιο πρόσφατη του Ρότερνταμ) όσο αναφορά τα επικίνδυνα απόβλητα και την διασυνοριακή μεταφορά αυτών, χαρακτηριστικό είναι παράδειγμα της μεταφοράς ηλεκτρονικών αποβλήτων από τις αναπτυσσόμενες (κυρίως τις ΗΠΑ) στις χώρες του τρίτου κόσμου και την Ασία με καταστροφικά αποτελέσματα για την δημόσια υγεία και το περιβάλλον.

Τηλεπισκόπηση Επικίνδυνων Αποβλήτων

Εικόνα 1: Παράδειγμα της ιστορικής τεκμηρίωσης εναέριας φωτογραφίας των διαρθρωτικών αλλαγών σε επικίνδυνη χωματερή.

Εικόνα 2: Αεροφωτογραφία ενός βαρελιού (πίσσας) στον χώρο διάθεσης του.

Η διαδικασία της ανακάλυψης, που χαρακτηρίζει και την αποκατάσταση ανεξέλεγκτων ρυπαντών αποτελεί μια μακρά και δαπανηρή προσπάθεια. Κατά την εγγενώς επικίνδυνη διαδικασία αποκατάστασης των αποβλήτων, ένα από τα βασικά βήματα είναι ο προσδιορισμός της έκτασης τους στο χώρο, η γνώση των συγκεντρώσεών τους αλλά και φυσική δομή τους. Παραδοσιακά για το λόγο αυτό απαιτούνται εκτεταμένες δειγματοληψίες πεδίου και εργαστηριακή ανάλυση. Η τηλεπισκόπηση αποτελεί μια εναλλακτική λύση στον τομέα των μεθόδων της δειγματοληψίας αντί των επιτόπιων ερευνών και αναλύσεων. Μέσω της τηλεπισκόπησης μπορούν να καθοριστούν να ποσοτικοποιηθούν και να χαρτογραφηθούν διαχρονικά οι περιοχές με τα επικίνδυνα απόβλητα. Με υπερφασματικούς αισθητήρες έχουν επιτρέψει τον προσδιορισμό των συγκεκριμένων επικίνδυνων ουσιών χρησιμοποιώντας εκατοντάδες μήκη κύματος που αντανακλούν οι θερμικές υπέρυθρες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Βασικές Εφαρμογές εικόνων

Η πιο βασική χρήση της τηλεανίχνευσης για την ταυτοποίηση των αποβλήτων, περιλαμβάνει την οπτική ερμηνεία των μορφολογικών χαρακτηριστικών της παραγωγής, αποθήκευσης, διάθεσης, μεταφοράς και τις επιπτώσεις τους στο φυσικό περιβάλλον. Οι αεροφωτογραφίες έχουν ικανοποιητική χωρική ευκρίνεια για την ανίχνευση μικρής κλίμακας στοιχείων και συγκριτική ταυτοποίηση των στοιχείων αυτών μέσω των ιστορικών δεδομένων. Η δυνατότητα να ελέγχονται διαχρονικά οι χώροι μεταφοράς και αποθήκευσης των αποβλήτων είναι πολύ αποτελεσματική για την εκτίμηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων, καθώς και για την αξιολόγηση της συμμόρφωσης σε περιπτώσεις αποκατάστασης. Το μόνο μειονέκτημα των αεροφωτογραφιών είναι ότι στηρίζεται γενικά στην οπτική ερμηνεία από έναν αναλυτή και πολλές φορές έχει περιορισμένη φασματική ευκρίνεια. Στην εικόνα 1 μπορούμε να παρατηρήσουμε την ιστορική τεκμηρίωση εναέριας φωτογραφίας των διαρθρωτικών αλλαγών σε επικίνδυνη χωματερή. Η ακτογραμμή είναι γεμάτη και επεκτείνεται προς τα έξω μεταξύ του 1950 και α)1958 β)μιας βιομηχανικής εγκατάστασης με μεγάλες δεξαμενές πετρελαίου και γ)μορφολογικές αλλαγές στο τοπίο που αποκαλύπτουν στοιχεία για τα επικίνδυνα απόβλητα. Τα αντικείμενα που ερμηνεύονται από αεροφωτογραφίες των περιοχών που περιέχουν επικίνδυνα απόβλητα περιλαμβάνουν: πετρελαιοκηλίδες, βαρέλια και τύμπανα, ανοιχτές χωματερές κ.α. Παράλληλα ανιχνεύονται και συγκεκριμένα χαρακτηριστικά που βοηθούν στις αναλύσεις των επιπτώσεων των επικίνδυνων αποβλήτων, μεταξύ των οποίων η βλάστηση , η κυκλοφορία των υπόγειων υδάτων μέσω των οποίων ταξιδεύουν τα απόβλητα αλλά και τη μετέπειτα χρήση της γης σε κλειστά χώρους υγειονομικής ταφής. Στην εικόνα 2 μπορούμε να παρατηρήσουμε μια αεροφωτογραφία ενός βαρελιού (πίσσας) στον χώρο διάθεσης του. Η φωτογραφία επιτρέπει την καταμέτρηση και τεκμηρίωση του αριθμού των εμπορευματοκιβωτίων και με την πάροδο του χρόνου.

Εικόνα 3: Εικόνες από τον Landsat πολυφασματικό αισθητήρα που δείχνουν την ανάπτυξη της περιοχής Brogbouough στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η εικόνα στα αριστερά είναι από το 1992 και δεξια από το 2001.

Εικόνα 4: (α) αποτέλεσμα ταξινόμησης μέγιστης πιθανοφάνειας με κόκκινο χρώμα οι περιοχές με επικίνδυνα απόβλητα, πράσινο οι καθαρές και μαύρο οι περιοχές που δεν συμμετείχαν στην ταξινόμηση(β) η εικόνα IKONOS στο πρότυπο χρωματικό συνδυασμό, που χρησιμοποιήθηκε για τη σύγκριση και (γ) η αντιστοίχιση των πολυγώνων γεωαναφερμένα στην εικόνα KONOS.

Πολυφασματικές Εφαρμογές

Στοιχεία από πολυφασματικά συστήματα απεικόνισης, όπως ο Landsat πολυφασματικού σαρωτή (MSS) και Thematic Mapper (TM) και μια ποικιλία αεροσκαφών και συστημάτων έχουν χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση επικίνδυνων χώρων αποβλήτων όσον αφορά τη χρήση γης, την έκταση του κινδύνου, τα φασματικά χαρακτηριστικά των συγκεκριμένων χώρων απόρριψης και το προφίλ ρύπανσής τους. Μια σειρά μελετών κατέδειξε την ικανότητα των πολυφασματικών απεικονίσεων για την αναζήτηση και τον εντοπισμό των παράνομων, άγνωστων και ανεξέλεγκτων επικίνδυνων χώρων αποβλήτων, με δυνατότητα δημιουργίας και χαρτών επικινδυνότητας. (Εικόνα 3: Εικόνες από τον Landsat πολυφασματικό αισθητήρα που δείχνουν την ανάπτυξη της περιοχής Brogbouough στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η εικόνα στα αριστερά είναι από το 1992 και δεξια από το 2001), (Εικόνα 4: Μεθοδολογία για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση των πιθανών ανεξέλεγκτων επικίνδυνων χώρων αποβλήτων μέσω πολυφασματικής απεικόνισης (α) αποτέλεσμα ταξινόμησης μέγιστης πιθανοφάνειας με κόκκινο χρώμα οι περιοχές με επικίνδυνα απόβλητα, πράσινο οι καθαρές και μαύρο οι περιοχές που δεν συμμετείχαν στην ταξινόμηση(β) η εικόνα IKONOS στο πρότυπο χρωματικό συνδυασμό, που χρησιμοποιήθηκε για τη σύγκριση και (γ) η αντιστοίχιση των πολυγώνων γεωαναφερμένα στην εικόνα KONOS.

Εργαστηριακές, Πραγματικές και Φασματοσκοπικές Εφαρμογές Απεικονίσεων

Εργαστήριο και πεδίο φασματοσκοπίας

Φασματοσκοπία είναι η επιστήμη της μέτρησης της αλληλεπίδρασης της ενέργειας με την ύλη και είναι θεμελιώδης μορφή των εξ αποστάσεων ερευνών μέσω τηλεπισκόπησης. Η τεχνική αυτή μπορεί με επιτυχία να προσδιορίσει τις φασματικές υπογραφές των βαρέων μετάλλων και την πίεση που αυτά ασκούν στη βλάστηση αλλά και να συμμετάσχει σε εφαρμογές που αφορούν τη μεταλλευτική έρευνα και την μόλυνση του περιβάλλοντος. Τα εργαστηριακά όργανα που χρησιμοποιούνται είναι τα φασματόμετρα, φασματοφωτόμετρα ή φασματογράφοι όλα χρησιμοποιούν κάποιο είδος πρίσματος ή ηλεκτρο-οπτική συσκευή για να διαχωρίσουν το φως σε συνιστώσες διακριτού μήκους κύματος και για να μετρήσουν την ανακλαστικότητα και την απορρόφηση αυτών των μηκών κύματος από την επιφάνεια του στόχου. Καθένα από αυτά τα επιμέρους μήκη κύματος μπορεί και αντιδρά διαφορετικά σε μια επιφάνεια στόχου με βάση τις χημικές ή / και την μοριακή σύνθεση, που έχει ως αποτέλεσμα το μοναδικό ή διαγνωστικό δεδομένο. Από την άποψη των επικίνδυνων αποβλήτων, πραγματικές και εργαστηριακές φασματοσκοπικές εφαρμογές των φυτών και των ορυκτών έχουν προσδιορίσει τη σχέση μεταξύ της παραγωγικότητας της βιομάζας και των φασματικών υπογραφών, χρησιμοποιώντας ένα δείκτη προσέγγισης της βλάστησης. Οι καινοτομίες στην τηλεπισκόπηση που χρησιμοποιούν υψηλή φασματική οπτική ανάλυση ανέφεραν ότι μπορεί να είναι ακόμη δυνατό να ανιχνευθούν οι σχετικές συγκεντρώσεις του φυλλώματος βιοχημικών ιδιαίτερα του νερού, των φυτικών χρωστικών, του άνθρακα και του αζώτου τονίζοντας ότι είναι αποτέλεσμα της πρόσληψης ή / και της έκθεσης σε υλικά που θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν ως επικίνδυνα απόβλητα.

Βλάστηση και Ερυθρή άκρη (Red Edge)

H ‘Red Edge’ είναι έννοια κατά την οποία η ανακλαστικότητα της βλάστησης επικεντρώνεται στην περιοχή 720nm και εκπροσωπείται από την έντονη αύξηση της ανακλαστικότητας της βλάστησης στην περιοχή 680-760nm της φασματικής υπογραφής. Η βλάστηση ανακλάται εντονότερα στο ορατό και το εγγύς υπέρυθρο. Τα φασματικά χαρακτηριστικά της βλάστησης απολαμβάνουν ένα ευρύ φάσμα ενδιαφέροντος με το πέρασμα των χρόνων για στρατιωτικές, γεωργικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές. Μέσω όμως του ελέγχου της παρουσίας της βλάστησης μπορούμε να διακρίνουμε και τις συγκεντρώσεις μετάλλων, καθώς η ανακλαστικότητα της βλάστησης μειώνεται με την παράλληλη ύπαρξη βαρέων μετάλλων στο εγγύς υπέρυθρο.

Εικόνα 5: Ψηφιακό αρχείο από εκατοντάδες ομαδικές εγγεγραμμένες απεικονίσεις γνωστό και ως ‘κύβος’.

Φασματοσκοπικές Απεικονίσεις (Υπερφασματική Τηλεπισκόπηση)

Αποτελεί νέα μέθοδος απεικονίσεων (HRS) του συστήματος περιβαλλοντικής διαχείρισης, η οποία συλλέγει εικόνες σε πολύ στενό εύρος ζώνης της ηλιακής ανάκλασης. Το αποτέλεσμα είναι ένα ψηφιακό αρχείο από εκατοντάδες ομαδικές εγγεγραμμένες απεικονίσεις γνωστό και ως ‘κύβος’. (σχήμα 5). Φασματοσκοπικές τεχνικές ανάλυσης μπορούν πλέον να πραγματοποιηθούν, από εναέριες πλατφόρμες, όπως αεροσκάφη και ακόμη δορυφόροι.

Επικίνδυνα Απόβλητα-Ειδικές Εφαρμογές

• Ορυχεία, απορροές ορυχείων (Acid) και Βαρέα Μέταλλα

Εικόνα 6: Φασματικές διαφορές στην ανακλαστικότητα των φυτών, ως αποτέλεσμα της ύπαρξης Αρσενικό σε χόρτα (Slonecker 2007).

Η τηλεπισκόπηση έχει ευρεία εφαρμογή στην δημιουργία ορυκτολογικών χαρτών, στην ανίχνευση των αποβλήτων των εξορυκτικών δραστηριοτήτων και στην αποκατάσταση των ορυχείων. Οι Πολυφασματικοί σαρωτές, όπως Landsat TM έχει χρησιμοποιηθεί ευρεία για την ανίχνευση κοιτασμάτων. Η χρήση της φασματοσκοπικής απεικόνισης επιτρέπει την γρήγορη ανίχνευση σε ολόκληρες περιοχές εξόρυξης οξέος (Acid) που παράγεται από τα ορυκτά απόβλητα των ορυχείων. Τα βαρέα μέταλλα, όπως το κάδμιο, ο μόλυβδος, το αρσενικό και ο ψευδάργυρος είναι συχνά πρωτογενείς ρυπαντές. Η χρήση της τηλεπισκόπησης και εδώ παίζει σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της παρουσίας τους στο φυσικό περιβάλλον (Εικόνα 6).

• Υδρογονάνθρακες και Άλλα οργανικά χημικά

Υδρογονάνθρακες είναι οργανικές ενώσεις αποτελούνται αποκλειστικά από υδρογόνο και άνθρακα και εμφανίζονται κυρίως στο αργό πετρέλαιο και το φυσικό αέριο. Οι υδρογονάνθρακες είναι σημαντικοί τόσο από οικονομική όσο και από περιβαλλοντική άποψη, η τηλεπισκόπηση έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην αναζήτηση και εξερεύνηση του πετρελαίου και των νέων κοιτασμάτων φυσικού αερίου. Ωστόσο, οι ανεξέλεγκτες διαρροές υδρογονανθράκων έχουν αρνητικά αποτελέσματα στο οικολογικό περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Οι υδρογονάνθρακες μπορούν να ανιχνευθούν με διάφορους τρόπους μέσω της τηλεπισκόπησης, συμπεριλαμβανομένων τεχνικών που ανιχνεύουν τις εκπομπές στο θερμικό υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Σημαντική θεωρείται η ηλιακή αντανάκλαση του φάσματος. Οι υδρογονάνθρακες απελευθερώνονται στην φύση σε υγρή μορφή ως αποτέλεσμα διαρροής και μπορούν να ανιχνευθούν και από τη βασική εναέρια φωτοερμηνεία, τις εικόνες μικροκυμάτων, τα εναέρια βίντεο και τις πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες. Θαλάσσιες πετρελαιοκηλίδες ελέγχονται με τηλεπισκοπικούς αισθητήρες και συστήματα που περιλαμβάνουν ραντάρ, παθητικά μικροκύματα στο θερμικό υπέρυθρο, εγγύς και βραχέα κύματα υπέρυθρών, οπτικά και υπεριώδη. Εκτός από του υδρογονάνθρακές ως επικίνδυνο απόβλητο χαρακτηρίζεται και μια άλλη ομάδα οργανικών χημικών ουσιών που αποτελεί σημαντικό κίνδυνο για την ανθρώπινη και την οικολογική υγεία. Οι οργανικές αυτές ουσίες είναι εξαιρετικά τοξικές και η ανίχνευσή τους τηλεπισκοπικά σχετίζεται με την φασματική καταγραφή των υδρογονανθράκων σε αυτές. Ωστόσο η έλλειψη φασμάτων για οργανικές χημικές ουσίες αποτελεί εμπόδιο για την φασματοσκοπική ταυτοποίηση των επιμέρους οργανικών ενώσεων.

Θερμικές εφαρμογές υπερύθρων Θερμικές υπέρυθρες (TIR) τηλεπισκόπησης, που συχνά ονομάζονται θερμογραφία, ή θερμική απεικόνιση, είναι όλα παραδείγματα της υπέρυθρης απεικόνισης. Αυτά ανιχνεύουν την ακτινοβολία στις μέσες και υπέρυθρες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και παράγουν αναλογική ή ψηφιακή εικόνα αυτής της ακτινοβολίας. Η θερμογραφία επιτρέπει σε κάποιον να δει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Όταν καταγράφονται ψηφιακά ή σε ταινία από τη θερμική απεικόνιση φωτογραφικής μηχανής, θερμά αντικείμενα ξεχωρίζουν φωτεινότερα σε αντίθεση με τα πιο ψυχρά σε πιο σκούρο φόντο. Τα TIR συστήματα παρακολούθησης έχουν πολλές εμπορικές και βιομηχανικές εφαρμογές, όπως η παρακολούθηση των διαρροών των αγωγών. Συστήματα απεικόνισης εναέριας TIR, όπως τα συστήματα του αεροσκάφους ή το κανάλι TIR 6 για Landsat 5 και Landsat 7, έχουν χρησιμοποιηθεί για την εξειδικευμένη παρακολούθηση του περιβάλλοντος και των επικίνδυνων αποβλήτων, όπου οι διαφορές θερμοκρασίας αποτελούν σημαντικές υπογραφές των χαρακτηριστικών του τοπίου. Ενδεικτικά ο εντοπισμός και η παρακολούθηση των πυρκαγιών έχει εδραιωθεί με τη χρήση θερμικών πολυφασματικών δεδομένων, όπως επίσης και η εκπομπή διοξειδίου του θείου από τα ηφαίστεια. Νέοι υπερφασματικοί υπέρυθροι αισθητήρες απεικόνισης, όπως το AHI και το SEBASS προωθούνται με σκοπό την καλύτερη απεικόνιση της χημικής πολυπλοκότητας.

Συμπεράσματα και Έρευνα Υπάρχουν πολλές επιτυχημένες εφαρμογές της τηλεπισκόπησης για τον εντοπισμό και την παρακολούθηση των επικίνδυνων αποβλήτων. Σε αντίθεση με προγενέστερα συστήματα, η HRS (υπερφασματική τηλεπισκόπηση) έχει τις δυνατότητες για τον προσδιορισμό συγκεκριμένων υλικών με βάση τη μοριακή δομή.

Φασματική Βιβλιοθήκη, Ελεγχόμενα πειράματα και Ανάπτυξη Επεξεργασίας Φασματικής Ανάλυσης

Η διαδικασία αναγνώρισης των επικίνδυνων αποβλήτων με το HRS είναι ουσιαστικά η ταύτιση των γνωστών φασματικών υπογραφών, από μια βιβλιοθήκη, με άγνωστες φασματικές υπογραφές η με δεδομένα ανάκλασης από ένα HRS. Τα επικίνδυνα απόβλητα συχνά έχουν μολυνθεί ή αναμειχθεί με άλλα υλικά. Μια προσέγγιση για τον προσδιορισμό των διαφορετικών συγκεντρώσεων αυτών των υλικών είναι να ελέγχονται εργαστηριακά. Η διαχρονική καταγραφή των φασματικών αλλαγών των επικίνδυνων ουσιών π.χ. στα φυτά στον ελεγχόμενο χώρο του εργαστηρίου μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε την φασματική βιβλιοθήκη των ουσιών αυτών. Ωστόσο, πολλές φορές οι φασματικές απεικονίσεις δεν είναι σε θέση να εντοπίσουν ορισμένες συγκεντρώσεις επικίνδυνων ουσιών λόγω της απορρόφησής τους από τα φυτά. Προς τη επίλυση του προβλήματος αυτού είναι αναγκαίες οι συμπληρωματικές προσεγγίσεις και ο εργαστηριακός έλεγχος για την βελτίωση του φάσματος των φασματικών επιγραφών και την βελτίωση των φασματικών βιβλιοθηκών.