Παρακολούθηση παράκτιου και θαλάσσιου περιβάλλοντος: Μελέτη για την ανίχνευση ανωμαλιών στον κόλπο του Κάλιαρι (Σαρδηνία - Ιταλία)
Από RemoteSensing Wiki
Παρακολούθηση παράκτιου και θαλάσσιου περιβάλλοντος: Μελέτη για την ανίχνευση ανωμαλιών στον κόλπο του Κάλιαρι (Σαρδηνία - Ιταλία)
Πρωτότυπος τίτλος : Modis data processing for coastal and marine environment monitoring: A study on anomaly detection and evolution in gulf of Cagliari (Sardinia - Italy)
Συγγραφείς : F. Dessì, M. T. Melis, L. Naitza, A. Marini
Πηγή : Society for Photogrammetry and Remote Sensing
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Υπόβαθρο
Η ανίχνευση πετρελαιοκηλίδας με τηλεπισκοπικές τεχνικές περιλαμβάνει παθητικές μεθοδολογίες (ορατό και υπέρυθρο φάσμα), μικροκυματικές και ραντάρ (SAR, Synthetic Aperture Radar - Ραντάρ Συνθετικού Διαφράγματος). Στις αρχές της δεκαετίας του '70 το ραντάρ θεωρείται πως ήταν το πιο αποτελεσματικό μέσο για τον εντοπισμό πετρελαίου στην ανοικτή θάλασσα.
Η τεχνική SAR ανιχνεύει τη διαφορά στην τραχύτητα μεταξύ πετρελαίου και θαλασσινού νερού, που μπορεί να λειτουργήσει σε οποιεσδήποτε μετεωρολογικές συνθήκες (διεισδύοντας τα νέφη) και δυνητικά μπορεί να έχει υψηλή ανάλυση εδάφους.
Ωστόσο, τα SAR δεδομένα μπορεί να μην είναι διαθέσιμα καθημερινά, εξαρτώνται από τις θαλάσσιες συνθήκες ή επηρεάζονται από ψευδή στοιχεία λόγω της παρουσίας φυτοπλαγκτού ή γλυκού νερού. Ο αισθητήρας MODIS, αντ' αυτού, μπορεί να ανιχνεύσει την πετρελαιοκηλίδα στο θαλάσσιο νερό λαμβάνοντας το ραδιομετρικό σήμα, έχει υψηλή ανάλυση αλλά, ως οπτικός αισθητήρας, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις μετεωρολογικές συνθήκες (δεν μπορεί να διεισδύσει τη νεφοκάλυψη).
Στόχοι - Περιοχή μελέτης
Σε αυτήν την εργασία, τα πολυφασματικά δεδομένα MODIS χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση του παράκτιου και θαλάσσιου περιβάλλοντος της Σαρδηνίας και για την ανίχνευση ανωμαλιών στην επιφάνεια της θάλασσας, που έχουν συλλεχθεί από τις δορυφόρους Terra και Aqua της NASA.
Σε αυτήν εργασία, οι συγγραφείς αποδεικνύουν ότι η πολυφασματική απεικόνιση του αισθητήρα MODIS μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παρακολούθηση του θαλάσσιου και παράκτιου περιβάλλοντος, για την ανίχνευση ανωμαλιών και ότι οι ΜODIS εικόνες μπορούν να αποτελέσουν έναν εναλλακτικό τρόπο για τις SAR τεχνικές στην χαρτογράφηση των πετρελαιοκηλίδων. Δύο σύνολα δεδομένων MODIS στον κόλπο του Κάλιαρι έχουν αναλυθεί, προκειμένου να μελετηθεί το θαλάσσιο σήμα ανάμεσα στο ορατό και υπέρυθρο μήκος κύματος (κανάλια 1 έως 7) και να παρακολουθηθεί μια αναφερθείσα ανωμαλία νερού, που φαίνεται να αντιστοιχεί στη γεωγραφική θέση και στο σχήμα της πετρελαιοκηλίσας που αναφέρθηκε στις 4 Σεπτεμβρίου 2005 γύρω από τη ΝΑ ακτή του κόλπου (Εικ. 1).
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
Δεδομένα MODIS
Ο αισθητήρας MODIS χρησιμοποιείται σε διεπιστημονικές εφαρμογές αφού είναι κατάλληλος να μελετήσει γη, θάλασσα και ατμόσφαιρα. Ολόκληρη η γήινη επιφάνεια καλύπτεται από τον MODIS κάθε δύο μέρες, αποκτώντας περιβαλλοντικές πληροφορίες σε μήκος κύματος από 0,4 έως 14,4 μm. Η ραδιομετρική πληροφορία χωρίζεται σε 36 ζώνες από το ορατό έως το εγγύς και το θερμικό υπέρυθρο. Τα δεδομένα λαμβάνονται σε τρεις διαφορετικές χωρικές αναλύσεις που είναι 250m για τα κανάλια 1 - 2, 500m για τα κανάλια 3 - 19 και 1000m για τα κανάλια 20 - 36.
Προσέγγιση
Τα δεδομένα MODIS στα κανάλια 1 έως 7 των δορυφόρων Terra και Aqua έχουν αναλυθεί και είναι εμφανής μία ανωμαλία στην επιφάνεια της θάλασσας σε όλα τα κανάλια. Στο ορατό φάσμα, η ανωμαλία του σήματος εμφανίζεται σκοτεινότερη από ότι το περιβάλλον νερό, ενισχύοντας την υπόθεση διαρροής υδρογονανθράκων. Στη βιβλιογραφία η ανάκλαση του πετρελαίου θεωρείται μεγαλύτερη από ότι αυτή του θαλασσινού νερού αλλά σύγχρονες μελέτες δείχνουν ότι συγκεκριμένες συνθήκες (γωνία λήψης, γεωμετρία ακτινοβολίας) μπορεί να ενισχύσουν την διαφορά της ανακλαστικότητας.
Οι εικόνες 2 και 3 δείχνουν την τάση ανάκλασης κατά μήκος μιας Δ - Α διατομής που διασχίζει τον κόλπο του Κάλιαρι στην εικόνα Terra. Στο πρώτο γράφημα η διαφορά ανάμεσα στο ανακλασθέν σήμα της γης (υψηλότερες τιμές στα δεξιά) και σε αυτό της θάλασσας (σχεδόν επίπεδο σήμα) είναι ξεκάθαρα εμφανής. Στην κόκκινη έλλειψη εσωκλείονται οι τιμές της ανωμαλίας, που απεικονίζονται λεπτομερέστερα στο δέυτερο γράφημα.
Οι υδρογονάνθρακες χαρακτηρίζονται από φθορίζουσες ιδιότητες που έχουν μεγαλύτερο συντελεστή ανάκλασης σε σχέση με το θαλασσινό νερό, ειδικά στο μπλε φάσμα (λ<400nm). Υποθέτοντας ότι η παρατηρούμενη ανωμαλία μπορεί να έχει προκληθεί από πετρελαιοκηλίδα, μία μέθοδος για τη διάκριση αντικειμένων με φθορίζουσες ιδιότητες στην εικόνα MODIS έχει αναπτυχθεί, επεξεργάζοντας δεδομένα έτσι ώστε να ενισχυθεί η μπλε φασματική συνιστώσα.
Ένας σχετικός δείκτης φθορισμού F έχει ορισθεί από τον ακόλουθο τύπο:
F = (Blue - Red) / (Blue + Red)
Αυτός ο αλγόριθμος βασίζεται στη σχέση ανάμεσα στο μπλε και κόκκινο εύρος φάσματος, στο οποίο όσο υψηλότερη είναι η τιμή στο μπλε, τόσο μεγαλύτερος είναι ο δείκτης F. Ένα νέο συνθετικό κανάλι παρήχθει με την εφαρμογή του αλγόριθμου, ενισχύοντας τη χωρική ανάπτυξη του δείκτη (Εικ. 4, 5).
Η σύγκριση των αποτελεσμάτων, που έγινε κατόπιν γεωμετρικής διόρθωσης και γεωαναφοράς στο σύστημα WGS84, οδήγησε στην ανάλυση εξέλιξης της ανωμαλίας σε εύρος χρόνου δύο ωρών μεταξύ του περάσματος των δύο δορυφόρων από την περιοχή, γεγονός που αποδεικνύει τη χρησιμότητα των δεδομένων MODIS στην ανίχνευση διαρροής πετρελαίου και στην ανάλυση της εξέλιξής τους. Παρατηρώντας τις δύο εικόνες σε έγχρωμο σύνθετο, μπορεί να διαπιστωθεί ότι στην Terra εικόνα το ηλιακό φως ενισχύει το σκοτεινό σήμα της πετρελαϊκής ουσίας, ενώ στην Aqua εικόνα, που λήφθηκε δύο ώρες αργότερα, η ανωμαλία δεν μπορεί να ανιχνευθεί παρά μόνο με ενίσχυση της αντίθεσης. Η σύγκριση των δεδομένων αποδεικνύει πως η ηλιακή ακτινοβολία και η γωνία λήψης παίζουν ένα σημαντικό ρόλο στην ανίχνευση και χαρτογράφηση μιας πετρελαιοκηλίδας.
Εφαρμόζοντας την ανεπτυγμένη μεθοδολογία και την επεξεργασία σε άλλες εικόνες MODIS, ένα σύστημα παρακολούθησης θαλασσινού νερού διεξήχθη στον κόλπο του Κάλιαρι, όπου εντοπίστηκε με αυτόν το τρόπο μία παρόμοια ανωμαλία στις 5 Σεπτεμβρίου 2006 (Εικ. 6).
Προκειμένου να αναπτυχθεί περαιτέρω η έρευνα των ανωμαλιών, αναλύθηκαν και τα θερμικά κανάλια. Αλγόριθμοι πρόπυπης θαλάσσιας θερμοκρασίας (SST - Sea Surface Temperature) εφαρμόσθηκαν συσχετίζοντας θερμικές μεταβολές με την παρατηρούμενη ανωμαλία. Αυτή η προσέγγιση δεν οδήγησε σε σημαντικό αποτέλεσμα για το χαρακτηρισμό της πετρελαιοκηλίδας, καθώς δεν ήταν δυνατή η σύνδεση της διακύμανσης της θερμοκρασίας με την ανωμαλία. Αυτή η προσέγγιση απέδειξε ότι η πρότυπη επεξεργασία της θαλάσσιας θερμοκρασίας, που χρησιμοποιήθηκε για την επαλήθευση της μεθοδολογίας, δεν είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Οι πολυφασματικοί αισθητήρες όπως το ραδιόμετρο MODIS μπορεί να διερευνήσει διεργασίες που συμβαίνουν στη θάλασσα, όπως η περίπτωση μιας πετρελαιοκηλίδας. Ένας απλός φασματικός δείκτης (F) προτείνεται για την ανίχνευση ανωμαλιών φθορισμού που οφείλονται σε διαρροές πετρελαίου. Χρησιμοποιώντας πολυεποχικές εικόνες, όπως ο αισθητήρας MODIS, ένα σύστημα παρακολούθησης της επιφάνειας της θάλασσας μπορεί να κατασκευαστεί με εφαρμογή αυτού του δείκτη. Αντίθετα, οι πρότυποι αλγόριθμοι θερμοκρασίας που χρησιμοπιήθηκαν δεν έδωσαν κατάλληλα αποτελέσματα για την ανίχνευση των ανωμαλιών αυτών.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Τα δεδομένα MODIS συμβάλλουν σημαντικά στο παράκτιο και θαλάσσιο σύστημα παρακολούθησης, παρά τους περιορισμούς των μετεορολογικών συνθηκών. Μια επιβεβαίωση της διαδικασίας και των αποτελεσμάτων που περιγράφονται σε αυτήν την εργασία θα πρέπει να γίνει με απευθείας εδαφικές μετρήσεις (π.χ. ανάκλασης και χημικής σύνθεσης).
