Παρακολούθηση Πετρελαιοκηλίδων βασιζόμενη στο σύστημα SAR Τηλεπισκοπικών Απεικονίσεων
Από RemoteSensing Wiki
Jianchao Fan, Fengshou Zhang, Dongzhi Zhao, Jun Wang
Link: [1]
Λέξεις - Κλειδιά: Πετρελαιοκηλίδα, Συστηματική Παρακολούθηση, SAR, Κατάτμηση Εικόνας
Σκοπός
Σε σύγκριση με την παραδοσιακή επί τόπου παρακολούθησης της θέσης μίας πετρελαιοκηλίδας, η χρήση της τεχνολογίας τηλεπισκόπησης έχει εκείνα τα χαρακτηριστικά τα οποία επιτρέπουν το γρήγορο και με ακρίβεια προσδιορισμό της περιοχής της πετρελαιοκηλίδας. Συνήθως η παρακολούθηση της εξέλιξης μίας πετρελαιοκηλίδας στη θάλασσα χωρίζεται σε δύο κατηγορίες. στην οπτική και στην τηλεπισκόπηση (τύπου SAR). Μεταξύ όλων των ειδών δορυφορικών αισθητήρων, η τεχνολογία SAR εξακολουθεί να είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη για την ανίχνευση λειτουργικών πετρελαιοκηλίδων. Κατά τη διαδικασία ανάλυσης εικόνας, η διάκριση των πετρελαιοκηλίδων και των παρόμοιων φυσικών φαινομένων π.χ., περιοχή χαμηλών ανέμων, φυσικές κηλίδες κ.α. αποτελούν κρίσιμη παράμετρο για την την τεχνολογία SAR. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η ανάπτυξη και εφαρμογή μιας μηχανής διανυσμάτων για την υποστήριξης της ταξινόμησης των εικόνων τηλεπισκόπησης. Μέσα από την προσομοίωση της εκδήλωσης της πετρελαιοκηλίδας Dallian, επαληθεύεται η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης προσέγγισης για την ταξινόμηση των δορυφορικών εικόνων SAR.
Εισαγωγή
Είναι γνωστό πως μεγάλες διαρροές πετρελαιοειδών προϊόντων στο θαλάσσιο περιβάλλον μπορούν να έχουν σοβαρές βιολογικές και οικονομικές επιπτώσεις. Η τηλεπισκόπηση παίζει όλο και σημαντικότερορόλο στην παρακολούθηση του πετρελαίου που έχει διαρρεύσει στη θάλασσα (Fingas και Brown, 1997). Η κυρίαρχη μέθοδος παρακολούθησης της πετρελαιοκηλίδας στη θάλασσα είναι μέσω radar και ειδικότερα τα δορυφορικά συστήματα Synthetic Aperture Radar (SAR). Είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά εργαλεία περιορίζεται ελάχιστα από τις καιρικές συνθήκες και μπορεί να διαπεράσει τα σύννεφα, τη βροχή και το χιόνι. . Το σύστημα SAR είναι ένας ενεργός τρόπος παρακολούθησης, δέσμη μικροκυμάτων εκπέμπεται από τον αισθητήρα, και το λαμβανόμενο σήμα ανακλάται από το αντικείμενο πίσω με χαρακτηριστικά διασποράς. Τα τελευταία χρόνια, η επεξεργασία εικόνας SAR έχει μελετηθεί ευρέως, έτσι μπορεί να ταξινομηθεί σε τρεις κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία βασίζεται στον φυσικό μηχανισμό της κατάταξης οπισθοσκέδασης (Fang et al 2007 και, Bruzzone et al 2004..), η δεύτερη κατηγορία βασίζεται σε στατιστικά χαρακτηριστικά (Migliaccio et al 2009 και Cloude και Pottier 1997) και τέλος ένα άλλο είδος είναι η μέθοδος που βασίζεται στις ικανότητες επεξεργασίας εικόνας (Rauste et al. 2010 και Kersten et al 2005).
Μεθοδολογία
Η εικόνα 1 δείχνει το διάγραμμα ροής παρακολούθησης πετρελαιοκηλίδας που βασίζεται σε εικόνες SAR. Στην προ-επεξεργασία των δεδομένων, πρέπει μικρά σημάδια να θεωρηθούν ως θόρυβος. Τέτοια σημάδια προκύπτουν από την ανάλυση του αισθητήρα και επειδή δεν είναι πέραν ενός ορίου επαρκής. Παρόλα αυτά τέτοια στίγματα αποτελούν προβλήματα για την ανάπτυξη της εφαρμογής SARκαι γι αυτό εφαρμόζονται φίλτρα που καταστέλουν το θόρυβο αλλά παρόλα αυτά μπορούν να παρασύρουν και μικρές πετρελαιοκηλίδες.Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου SAR που ουσιαστικά επιτρέπουν τη διαρκή πρωί βράδυ παρακολούθηση της πετρελαιοκηλίδας επηρεάζονται από την ένταση του ανέμου και επηρεάζουν την ποιότητα της οπισθοσκέδασης και της προβολής των κηλίδων στην επιφάνεια της θάλασσας (πετρελαιοκηλίδες είναι ορατές μόνο για ένα περιορισμένο εύρος ταχυτήτων ανέμου). Στην παρούσα εργασία εξατάστηκε η ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου που λαμβάνει υπόψη τις καιρικές συνθήκες και προβλέπει την περιοχή επέκτασης της πετρελαιοκηλίδας.
Προσομοίωση
Για την εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου παρακολούθησης πετρελαιοκηλίδων με βάση την τηλεπισκόπησηSAR χρησιμοποιήθηκε προσομοίωση της πετραλαιοκηλίδας που συνέβη στις 16 Ιουλίου 2010 στην περιοχή XingangPort στη πόλη Dallian. Στις εικόνες 2 και 3 δείχνουν το σημείο που έγινε η διαρροή στη θάλασσα και στις ακτές. Τα πετρελαιοειδή που απελευθερώθηκαν προκάλεσαν σημαντική περιβαλλοντική καταστροφή. Η Εικόνα 4 παρουσιάζει την αρχική εικόνα SAR. Σε αυτή, η σκοτεινή περιοχή είναι η περιοχή της πετρελαιοκηλίδας. Τα αποτελέσματα της κατάταξης με βάση την προτεινόμενη μέθοδο παρακολούθησης πετρελαιοκηλίδων που βασίζεται σε εικόνες SAR φαίνεται στην Εικόνα 5. Είναι φανερό ότι η κύρια διαρροή πετρελαίου θα μπορούσε να είχε ανιχνευθεί αυτομάτως. Με βάση την προτεινόμενη προσέγγιση, η περίπτωση της πετρελαιοκηλίδας Dalian στις 18 Ιουλίου 2010 και 21 του Ιούλη του 2010 φαίνεται στις εικόνες και αντίστοιχα. Δύο στοιχεία ενδέχεται να αντανακλούν την τάση της ανάπτυξης της πετρελαιοκηλίδας. Η προσέγγιση μπορεί να χωριστεί σε ανίχνευση των σκοτεινών περιοχών, εξαγωγή χαρακτηριστικών για όλες τις σκοτεινές περιοχές, και, στη συνέχεια, την ταξινόμηση όλων των σημείων όπως πετρελαιοκηλίδες ή απομιμήσεις. Η προσέγγιση κατάταξη είναι μια μηχανή διανυσμάτων υποστήριξης με βάση τον άνεμο και τις καιρικές συνθήκες. Έτσι, θα μπορούσε να παρακολουθεί το χώρο και το εύρος της πετρελαιοκηλίδας.
Συμπεράσματα
Μια μηχανή διανυσμάτων υποστήριξης υιοθετείται στη παρούσα εργασία για την παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδας που βασίζεται σε εικόνες SAR. Η εφαρμογή αυτή μπορεί να παρέχει την περιοχή της πετρελαιοκηλίδας ακριβώς με τις καιρικές συνθήκες και την εξέλιξη της. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για την περίπτωση της πετρελαιοκηλίδας της πόλης Dalian αποδεικνύει την εγκυρότητα της μεθόδου SVM για ανάλυση SAR εικόνας.
