Αξιολόγηση υπερφασματικής και SAR τηλεπισκόπισης για διαχείριση χώρων υγειονομικής ταφής στερεών αποβλήτων (ΧΥΤΑ)
Από RemoteSensing Wiki
Συγγραφείς: Giuseppe Ottavianelli, Stephen Hobbs, Richard Smith, Davide Bruno
Αντικείμενο
Σε παγκόσμιο επίπεδο, η διαχείριση των αποβλήτων αποτελεί έναν από τους πιο κρίσιμους προβληματισμούς που αντιμετωπίζουν οι σύγχρονες κοινωνίες. Είναι σημαντικό να γίνεται ελεγχόμενη διάθεση των αποβλήτων σε χώρους υγειονομικής ταφής (ΧΥΤΑ). Εξαιτίας των δυνητικά επιβλαβών επιπτώσεων των εκπεμπόμενων, από αυτούς, αερίων και της ρύπανσης του εδάφους από τα στραγγίσματα, η παρακολούθηση των ΧΥΤΑ πρέπει να ενυπάρχει σε όλες τις φάσεις του κύκλου ζωής τους. Τα δεδομένα από δορυφορικές πλατφόρμες μπορούν να παρέχουν σημαντική υποστήριξη σε πρακτικές διαχείρισης και παρακολούθησης των ΧΥΤΑ, μειώνοντας δυνητικά λειτουργικές δαπάνες και κινδύνους, για να συναντήσει τις προκλήσεις του μέλλοντος στη διαχείριση των αποβλήτων.
Σκοπός
Προτείνεται να αξιολογηθεί η χρήση υπερφασματικών (hyperspectral) εικόνων και εικόνων ραντάρ (radar) για την παρακολούθηση και διαχείριση των ΧΥΤΑ. Το compact υψηλής ανάλυσης φασματόμετρο απεικόνισης (Compact High Resolution Imaging Spectrometer, CHRIS) προσφέρει υπερφασματικά δεδομένα ανάλογης χωρικής ανάλυσης με τις Envisat ραντάρ εικόνες και εμφανίζεται ιδανικό για μελέτες που χρησιμοποιούν ομαδοποίηση δεδομένων πολλαπλών αισθητήρων.
Στόχος της έρευνας είναι να προσδιορίσει πρακτικούς τρόπους με τους οποίους Earth Observation δεδομένα (EO Data) μπορούν να υποστηρίξουν την παρακολούθηση και διαχείριση των ΧΥΤΑ, παρέχοντας ποσοτικά στοιχεία, όπου αυτό είναι δυνατόν. Οι στόχοι, οι οποίοι βασίζονται σε επιτόπια έρευνα σε ΧΥΤΑ στο Ηνωμένο Βασίλειο, είναι:
- Η ανάπτυξη ισχυρών μεθόδων ανίχνευσης και χαρτογράφησης ΧΥΤΑ,
- η συσχέτιση των ΕΟ δεδομένων με επιτόπιες διαδικασίες και
- η διερεύνηση τεχνικών συγχώνευσης δεδομένων με βάση τα ευρήματα μέσω ξεχωριστών αισθητήρων.
Η διαχείριση αποβλήτων
Τα απόβλητα θεωρούνται ως ένας σημαντικός δείκτης της βιώσιμης ανάπτυξης. Μέσω αυστηρών διεθνών και εθνικών κανονισμών επιχειρείται η καθιέρωση βιώσιμων συστημάτων, που αποτρέπουν ή μειώνουν τις δυσμενείς επιπτώσεις της επεξεργασίας και διάθεσης αποβλήτων για το περιβάλλον. Η Ολοκληρωμένη Διαχείριση Στερεών Αποβλήτων (Integrated Solid Waste Management ΙSWM) στοχεύει στη μείωση της ποσότητας των αποβλήτων στους ΧΥΤΑ μέσω της ενθάρρυνσης για μείωση των αποβλήτων, της αποτέφρωσής τους, την επαναχρησιμοποίηση και την ανακύκλωση.
Παρ 'όλα αυτά, η ελεγχόμενη διάθεση των αποβλήτων εντός του εδάφους εξακολουθεί να είναι ένα σημαντικό και απαραίτητο μέσο για την αποτελεσματική διαχείριση των αποβλήτων. Η κατάσταση στις αναπτυσσόμενες χώρες είναι πολύ πιο κρίσιμη. Πρόσφατες έρευνες δίνουν στοιχεία, που αποδεικνύουν ότι στις χώρες χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος, όπου η αστική επέκταση έχει συχνά υψηλά ποσοστά ανάπτυξης, η προσέγγιση της ανοιχτής χωματερής εξακολουθεί να είναι η κυρίαρχη επιλογή διάθεσης των αποβλήτων.
Στο πλαίσιο αυτό, η επαναλαμβανόμενη και συνεπής εξαγωγή δεδομένων από το ευρύ φάσμα των δορυφορικών πλατφορμών μπορούν να παρέχουν ζωτικής σημασίας υποστήριξη σε μια σειρά από ΧΥΤΑ όσον αφορά στη διαχείριση και στις πρακτικές παρακολούθησης.
Εναέρια και διαστημική τηλεπισκόπηση για παρακολούθηση ΧΥΤΑ
Η πρώτη ανάλυση για την εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στη διαχείριση των αποβλήτων, δόθηκε στη δημοσιότητα από τον Garofalo το 1974. Η μελέτη αυτή ασχολείται με την αξιοποίηση των αεροφωτογραφιών για την υποστήριξη τεχνικών εκτίμησης της διάθεσης και της παραγωγής αποβλήτων. Η μεθοδολογία βασίζεται στην οπτική ερμηνεία της χρήσης της γης (δηλαδή εμπορικές και βιομηχανικές περιοχές, αγρούς και ανοικτούς κοινόχρηστους χώρους) και την ενσωμάτωση αυτών των δεδομένων σε μοντέλα παραγωγής στερεών αποβλήτων.
Το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας που ακολούθησε επικεντρώθηκε, κυρίως, στην ανίχνευση ΧΥΤΑ και την παρακολούθηση των παραγόμενων αερίων και στραγγισμάτων. Άλλες μελέτες διερευνούν τα φασματικά χαρακτηριστικά και μαθηματικές διαδικασίες ζώνης χρησιμοποιώντας εναέρια και διαστημικά πολυφασματικά δεδομένα. Και πάλι, οι κύριοι στόχοι είναι να εντοπιστούν οι ΧΥΤΑ με βάση τις φασματικές ΄΄υπογραφές΄΄ τους και να παρατηρηθούν σημάδια εκπομπών αερίων ή διαρροή στραγγισμάτων από την ανίχνευση της καταπόνησης της βλάστησης σε κλειστούς αναγεννημένους ΧΥΤΑ.
Πιο πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι η χρήση των αερομεταφερόμενων υπερφασματικών δεδομένων μπορεί να βελτιώσει τις δυνατότητες παρακολούθησης της μόλυνσης με τηλεπισκόπιση έναντι εκείνης που παρέχεται από πολυφασματικά δεδομένα. Το σαφές πλεονέκτημα της δορυφορικής τηλεπισκόπησης είναι η ικανότητά της να παρέχει μια συνοπτική και ολιστική άποψη των τεράστιων εκτάσεων για την ανίχνευση αλλαγής σε σχέση με χαμηλό κόστος.
Η ανασκόπηση αυτών των μελετών αναδεικνύει τρεις βασικές πτυχές.
- Πρώτον, όσον αφορά στα στραγγίσματα και την παρακολούθηση των εκπεμπόμενων αερίων, η διαστημική τηλεπισκόπηση δεν έχει αποδειχθεί να είναι ένα έγκυρο εργαλείο για μια ακριβή ποσοτική ανάλυση. Μπορεί μόνο να υποστηρίξει προσπάθειες αποκατάστασης του εδάφους.
- Δεύτερον, η συμπληρωματική έρευνα που εστιάζει στην ανίχνευση ΧΥΤΑ επικεντρώνεται μόνο στη διάσταση των δεδομένων των εικόνων (χωρικά και φασματική), δίνοντας λιγότερη προσοχή σε μη αισθητηρο-εξαρτόμενες βιοφυσικές και γεωφυσικές μεταβλητές και τη μοντελοποίηση των φυσικών αρχών της τηλεπισκόπησης τόσο για ενεργούς όσο και για αποκατεστημένους ΧΥΤΑ. Οι μελέτες αυτές δείχνουν κάποια ασάφεια ως προς τα αποτελέσματά τους και επιπλέον αεροφωτογραφίες ή επιτόπιες επισκέψεις πάντα απαιτούνται για την υποστήριξη των αποτελεσμάτων.
- Τρίτον, καμιά από τις μελέτες δεν εξερευνά τις δυνατότητες της Synthetic Aperture Radar (SAR) τηλεπισκόπησης και της συμβολομετρικής SAR επεξεργασίας, ώστε να επιτευχθεί ένας πιο ισχυρός αλγόριθμος αυτόματης ανίχνευσης και να εξαχθεί πρόσθετη πληροφορία και γνώση για τη διαχείριση ΧΥΤΑ.
Μεθοδολογία
Πρώτο βήμα αποτελεί η επίσκεψη στο χώρο διάθεσης και η παρακολούθηση των φαινομένων, φυσικών και λειτουργικών, που λαμβάνουν χώρα. Το αποτέλεσμα αυτών των παρατηρήσεων επιτρέπει στην έρευνα τον εντοπισμό των τεχνικών ανάλυσης που θα εφαρμοστούν στα δεδομένα για τους διάφορους στόχους, όπως τέθηκαν παραπάνω.
Όσον αφορά στον πρώτο στόχο, από την έρευνα της συμβολομετρικής συνεκτικότητας υποστηρίζεται ο εντοπισμός περιοχών, που υποβάλλονται σε αλλαγές των ιδιοτήτων τους και των γεωμετρικών χαρακτηριστικών τους. Ήδη χρησιμοποιούνται διαθέσιμες ιστορικές σκηνές SAR από τη διαδοχική αποστολή των ERS ½.
Αντ’ αυτού, χρησιμοποιείται η ανάλυση του σήματος οπισθοσκέδασης, για τη συσχέτιση των εικόνων SAR με τις επιτόπιες συνθήκες και λειτουργικές διαδικασίες. Χρειάζεται να αναπτυχθεί ένα μοντέλο για την αλληλεπίδραση των κυμάτων ραντάρ με τους ΧΥΤΑ, προκειμένου να ερμηνευθούν σωστά τα SAR δεδομένα. Καθώς δεν υπάρχουν πληροφορίες αναφοράς επί του εδάφους, που να σχετίζονται με τις διαθέσιμες SAR εικόνες, απαιτείται να αποκτηθούν νέα SAR δεδομένα και να γίνει λήψη επιτόπιων μετρήσεων, για τις ίδιες ημερομηνίες, ώστε να επιβεβαιωθούν οι συνθήκες των χώρων, καθώς και να επικυρωθούν τα μοντέλα οπισθοσκέδασης. Αυτό γίνεται με ένα επίγειο SAR σύστημα.
Για το στάδιο της υλοποίησης, η έρευνα επικεντρώνεται στη λεπτομερή μελέτη του σχεδιασμού ΧΥΤΑ, των λειτουργικών διαδικασιών και των ιδιοτήτων των αποβλήτων. Η ανάπτυξη ενός SAR μοντέλου οπισθοσκέδασης και συνοχής, που να βασίζεται στα χωρικά, χρονικά και βιο-φυσικά χαρακτηριστικά των εν λειτουργεία και αποκατεστημένων ΧΥΤΑ, είναι ζωτικής σημασίας. Αυτό επιτυγχάνεται με τη συλλογή μετρήσεων και παρατηρήσεων πεδίου για αντικείμενα, περιοχές ή φαινόμενα που μπορούν να επηρεάσουν τις τιμές των δεδομένων που ανιχνεύονται από SAR και οπτικά όργανα.
Για τη μοντελοποίηση οπισθοσκέδασης χρησιμοποιείται μια φορητή επίγεια συσκευή SAR, για τη διερεύνηση του σήματος οπισθοσκέδασης διαφορετικών χώρων του ΧΥΤΑ και της διακύμανσής του στο χρόνο. Ταυτόχρονα καταγράφονται παράμετροι και παρατηρήσεις για στατιστικά στοιχεία σχετικά με επιφανειακή τραχύτητα και τη μεταβλητότητα της στο χώρο και το χρόνο. Επίσης, γίνεται οπτική ανάλυση που περιλαμβάνει την υγρασία του εδάφους και τις τιμές της θερμοκρασίας, καθώς και τη μεταβλητότητα τους στο χώρο και το χρόνο, ενώ καταγράφονται καιρικές και ατμοσφαιρικές συνθήκες.
Η ανάλυση των υπερφασματικών υπογραφών θα πρέπει να βελτιώσει τις ικανότητες ανίχνευσης αυτής της τεχνικής σε σχέση με την πολυφασματική δεδομένων. Μια σειρά από πρόσθετες ιστορικές οπτικές εικόνες (π.χ., SPOT, Landsat 4 και 7 πολυφασματικών και παγχρωματικών δεδομένων) μπορεί να ληφθεί από τα υπάρχοντα αρχεία και να χρησιμοποιούνται για να υποστηρίξουν μια προκαταρκτική ανάλυση. Έτσι, ο φασματικός και ο αλγόριθμος ζώνης θα πρέπει να αναπτυχθούν ειδικά για τα υπερφασματικά δεδομένα. Μετά τη γεω-αναφορά των στοιχείων αυτών με τις σκηνές SAR, μπορεί να πραγματοποιηθεί η συγχώνευση των αποτελεσμάτων σε επίπεδο χαρακτηριστικών.
Απόκτηση δορυφορικών εικόνων μελλοντικά
Το τελευταίο βήμα της έρευνας περιλαμβάνει την επικύρωση των διαδικασιών που αναπτύχθηκαν, εφαρμόζοντάς τες σε ένα νέο επιχειρησιακό πλαίσιο απόκτησης νέων εικόνων τηλεπισκόπισης. Το στάδιο της επικύρωσης περιλαμβάνει την απόκτηση σύγχρονων εικόνων SAR τηλεπισκόπησης προκειμένου να επιβεβαιώσουν τις ανεπτυγμένες διαδικασίες με την εφαρμογή τους σε επιχειρησιακό πλαίσιο.
Ως εκ τούτου, απαιτείται εν συνεχεία η απόκτηση δορυφορικών εικόνων. Ενημερωμένα δεδομένα θα παρέχονται τόσο από το όργανο ENVISAT ASAR (Advanced SAR) και το υπερφασματικό PROBA CHRIS (Compact High Resolution Imaging Spectrometer). Έξι ENVISAT ASAR εικόνες θα λαμβάνονται από τις δύο διαδρομές, ώστε να είναι δυνατοί οι συμβολομετρικοί υπολογισμοί συνοχής. Το σχέδιο αυτό επιτρέπει την έρευνα τη διερεύνηση αανοδικών (2 σκηνές) και καθοδικών τοχιών (4 σκηνές), που λαμβάνονται το βράδυ και το πρωί αντίστοιχα. Η γωνία πρόσπτωσης SAR κυμαίνεται μεταξύ 19.2 ° - 26.7 °.
Τα δεδομένα από τον PROBA CHRΙS αποκτώνται, επομένως, όσο το δυνατόν πλησιέστερα χρονικά στις ημερομηνίες των επιλεγμένων ENVISAT, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι μεταβολές μεταξύ των δύο εικόνων. Ο τύπος ENVISAT ASAR που θα χρησιμοποιηθεί είναι SLC ASA_IMS_1P με VV πόλωση. Η μέθοδος PROBA CHRIS που πρέπει να χρησιμοποιείται είναι η Λειτουργία 3 σε πλήρη χωρική ανάλυση, χρησιμοποιώντας 18 ζώνες για τη γη / αερολύματα. Η χρήση δεδομένων από πολλές πηγές απαιτείται λόγω των συμπληρωματικών χαρακτηριστικών της SAR και των τεχνικών οπτικής απεικόνισης.
