start | kontakt | mapa strony |
    Szukaj
  Aktualności      Galeria      Kontakt   

Innowacyjna metoda teledetekcji satelitarnej



METODYKA MONITORINGU JAKOSCI WÓD AKWENÓW PRZYMORSKICH W OPARCIU O DANE SATELITARNE

 


1. Wprowadzenie – zalety i ograniczenia teledetekcji satelitarnej w monitorowaniu wód przybrzeżnych

Badania prowadzone w ramach projektu MONTRANSAT, dofinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (EFRR) w ramach Programu Sąsiedztwa Litwa, Polska, Obwód Kaliningradzki Federacji Rosyjskiej, udowadniają, że dane satelitarne nowej generacji pozwalają na określenie większej – niż do tej pory sądzono – ilości parametrów fizyko-chemicznych. Z dużą wiarygodnością można uzyskać‡ rozkład przestrzenny również dla azotu ogółem, azotu amonowego, fosforu rozpuszczonego reaktywnego feofityny, azotu rozpuszczonego nieorganicznego czy udziału procentowego zielenic w ogólnej ilości fitoplanktonu.

 

 

Rys. 1 Porównanie zasięgów scen satelitarnych rejestrowanych przez różne systemy satelitarne.

 

Różnorodność‡ danych satelitarnych, jakie są obecnie dostć™pne, daje szerokie możliwości prowadzenia monitoringu jakości wód powierzchniowych. Dotyczy to zarówno wielkości monitorowanego obszaru (wielkość‡ sceny satelitarnej), szczegółowości określania rozkładu przestrzennego (wielkość‡ piksela) jak również doboru parametrów opisujących jakość‡ wody. Jeśli zależy nam na uzyskaniu rozkładów przestrzennych różnych parametrów fizyko-chemicznych czy biologicznych, wówczas stosowanie danych super- czy hiperspektralnych daje taką szansć™. Szczególnie uwidacznia się to przy badaniu stosunkowo niewielkich zbiorników wodnych (np. jezior) o niewielkim zróżnicowaniu przestrzennym poszczególnych parametrów jakości wody. W przypadku badań dużych akwenów wodnych o bardzo dużym zróżnicowaniu rozkładu zanieczyszczeń – dużym zakresie wartości (np. Zalew Wiślany) – okazuje się, że wystarczające mogą być‡ dane szerokopasmowe typu ALI/EO-1 lub LANDSAT ETM+. Oczywiście wykorzystanie systemów rejestrujących szerokie zakresy spektralne nie pozwoli na uzyskanie wszystkich parametrów opisujących jakość‡ wód, ale sam fakt uzyskania przestrzennego zróżnicowania np. zawiesiny ogółem dla dużego obszaru pozwala przeprowadzić‡ bardziej wiarygodne analizy niż w przypadku punktowych pomiarów naziemnych. Stosowanie danych satelitarnych w monitorowaniu wód śródlądowych nie wyklucza całkowicie pomiarów naziemnych. Pomiary te są pomocne przy przetwarzaniu danych satelitarnych ale ich liczba ulega znacznemu ograniczeniu.

Inną kwestią jest fakt, że większość‡ systemów super- czy hiperspektralnych nastawionych na badania wód przybrzeżnych lub śródlądowych nie umożliwia rejestracji danych w zakresie termalnym, czyli nie daje szansy na uzyskanie rozkładu przestrzennego temperatury powierzchni wody. A jak wiadomo, wiele procesów zachodzących w wodzie uzależniona jest od jej temperatury i wiedza o tym jest pomocna podczas prowadzenia interpretacji wyników. W obecnej chwili dane w zakresie termalnym o dość‡ dobrej rozdzielczości przestrzennej pozyskują z pułapu satelitarnego skanery: ASTER oraz ETM+.

Projekt MONTRANSAT wykazał, że do monitorowania stanu wód w Zalewie Wiślanym wystarczające są dane satelitarne ALI o średniej rozdzielczości przestrzennej (30x30m). Za tymi danymi przemawia również wielkość‡ rejestrowanej sceny satelitarnej, na której może się znaleźć‡ prawie cały obszar Zalewu Wiślanego. W przypadku skanera CHRIS konieczne byłoby zarejestrowanie co najmniej 5-6 obrazów, co jest trudne do wykonania w jednym terminie. W praktyce, CHRIS może rejestrować‡ dany obszar przez 2‑3 kolejne dni, przy czym jedna scena satelitarna rejestrowana jest jednego dnia, druga - drugiego dnia i ewentualnie trzecia - trzeciego dnia. Nie ma możliwości pozyskania trzech scen satelitarnych w jednym dniu. Każda ze scen pozyskiwana jest z innej orbity i pod innym kątem. Niestety, jak pokazuje rzeczywistość‡, trzy dni bezchmurnej, słonecznej pogody na obszarze Polski jest raczej rzadkością. Czć™sto więc trzeba wybrać‡ pomiędzy szczegółowością analiz, zarówno w sensie spektralnym jak i przestrzennym, a wielkością badanego obszaru.

Mimo niezaprzeczalnego postć™pu techniki w zakresie teledetekcji, głównymi ograniczeniami przy wykorzystaniu danych satelitarnych do monitorowania jakości wód powierzchniowych, pozostały nadal warunki pogodowe oraz brak możliwości oceny wszystkich parametrów fizycznych, chemicznych i biologicznych opisujących jakość‡ wód powierzchniowych. Warunki pogodowe stanowią w praktyce największe ograniczenie w monitorowaniu procesów zachodzących na powierzchni Ziemi. Możliwe terminy rejestracji danych satelitarnych nie zawsze idą w parze z odpowiednimi, czyli najlepiej całkowicie bezchmurnymi, warunkami pogodowymi. Przeloty większości satelitów, około godziny 1000, czć™sto pokrywają się z początkiem wykształcania się chmur kłę™biastych typu Cumulus co bardzo utrudnia pozyskanie bezchmurnych obrazów satelitarnych.

 


2. Pozyskanie danych satelitarnych i naziemna kampania pomiarowa

Monitorowanie jakości wód powierzchniowych z wykorzystaniem danych satelitarnych w obecnej chwili wymaga równoległego przeprowadzenia naziemnej kampanii pomiarowej, w wyniku której uzyskuje się wyniki pomiarów poszczególnych parametrów opisujących jakość‡ wód powierzchniowych. Najlepiej, gdy kampania pomiarowa jest zsynchronizowana z rejestracją danych satelitarnych. Na ogół jest to trudne do zrealizowania bez dużego nakładu kosztów. Oczywiście z góry wiadomo kiedy dany satelita przelatuje nad interesującym nas miejscem i w tym czasie można zrealizować‡ kampanię pomiarową. Jednak nie zawsze warunki pogodowe są sprzyjające dla pozyskania bezchmurnych danych satelitarnych, a tylko takie obrazy pozwalają na ocenć™ stanu jakości całego badanego akwenu.

Pozyskanie zdjć™ć‡ satelitarnych w określonym interesującym nas momencie jest ograniczone głównie dwoma kwestiami: dostć™pnością satelity oraz warunkami pogodowymi. Dostć™pność‡ satelity oznacza – w przypadku danych rejestrowanych na zamówienie – możliwe terminy przelotu satelity nad danym obszarem (średnio 2-3 kolejne dni w tygodniu) oraz dostć™pność‡ tych terminów, czyli brak dużej ilości zamówień na rejestracjć™ danych dla obszarów znajdujących się w pobliżu. Jeśli zaś chodzi o warunki pogodowe, to największym ograniczeniem jest zachmurzenie. Na średnich szerokościach geograficznych, nawet podczas pięknej słonecznej pogody, w godzinach przedpołudniowych – czyli w godzinach przelotu większości satelitów – powstają chmury kłę™biaste, które cz晶ciowo mogą zasłonić‡ interesujący nas obszar.

Ze wzglć™du na to, iż w naszych szerokościach geograficznych wystć™pują  duże trudności w pozyskaniu danych satelitarnych o odpowiedniej jakości (bezchmurny obraz satelitarny), aby ograniczyć‡ koszty monitorowania jakości wód należy najpierw zarejestrować‡ obraz satelitarny a nastć™pnie w jak najkrótszym odstć™pie czasu (maksymalnie do tygodnia od momentu rejestracji, jeśli wystć™pują stabilne warunki pogodowe) wykonać‡ kampanię pomiarową. W czasie kampanii pomiarowej należy pobrać‡ co najmniej kilkanaście prób z punktów zróżnicowanych pod wzglć™dem jakości wód. Taki dobór prób zapewni uzyskanie prawidłowych wyników. 

 


3. Przetwarzanie danych satelitarnych w celu uzyskania rozkładów przestrzennych poszczególnych parametrów jakości wody

Określenie rozkładu przestrzennego różnych parametrów hydrobiologicznych na podstawie danych satelitarnych wymaga przeprowadzenia szeregu operacji (Rys. 2) mających na celu przede wszystkim skorygowanie danych rejestrowanych na poziomie satelity tak, aby uzyskać‡ wartość‡ odbicia spektralnego na poziomie powierzchni Ziemi. Dopiero ta wartość‡ może posłużyć‡ do znalezienia zależności między pomiarami naziemnymi i satelitarnymi. Przy obecnym stanie wiedzy nie uzyskano jeszcze uniwersalnych, niezależnych od terminu pomiaru i obszaru badań, formuł obliczeniowych. Dlatego konieczne jest posiadanie naziemnych danych pomiarowych.

Dane satelitarne w celu uzyskania rozkładu poszczególnych parametrów fizyko-chemicznych, charakteryzujących jakość‡ wód, należy odpowiednio przygotować‡ i przetworzyć‡. W zależności od poziomu przetworzenia źródłowych danych satelitarnych niektóre etapy mogą zostać‡ pominięte, np. jeśli zakupione przez nas dane są poddane korekcji geometrycznej, to nie musimy jej już wykonywać‡. 

 

Metodyka przetwarzania danych satelitarnych w celu uzyskania rozkładu poszczególnych parametrów fizyko-chemicznych, charakteryzujących jakość‡ wód, składa się z nastć™pujących etapów:

  1. Odczytanie metainformacji dotyczącej zarejestrowanych danych satelitarnych – w nagłówku pliku z danymi obrazowymi albo w specjalnym pliku znajdują się informacje m.in. na temat: daty i czasu rejestracji zdjęcia,    kąta zenitalnego satelity, kąta zenitalnego Słońca, liczbie kolumn i wierszy w obrazie, liczbie rejestrowanych zakresów spektralnych, wysokości satelity nad powierzchnią Ziemi, parametrów do kalibracji
  2. Wizualizacja danych satelitarnych.
  3. Korekcja radiometryczna danych satelitarnych:


a) kalibracja detektorów
– w celu przeprowadzenia dalszych analiz o charakterze ilościowym, należy przeliczyć‡ wartości radiometryczne, zarejestrowane przez skaner satelitarny na wartość‡ radiancji energetycznej, do czego wykorzystuje się informacjć™ na temat współczynników kalibracyjnych odczytaną z metainformacji.


b) usunięcie błę™dnych pikseli i błę™dnych linii
– czasami podczas rejestracji obrazów satelitarnych zdarza się błę™dna rejestracja pojedynczych pikseli albo fragmentów lub wręcz całych linii obrazu. Spowodowane to jest albo błę™dami instrumentalnymi albo pozostaniem detektora w stanie nadmiernego wzbudzenia, co niejako powoduje „oślepnięcie” detektora. Opuszczoną bądź błę™dną linię należy skorygować‡.


c) filtracja szumów skanowania –
skanowanie danych super- i hyperspektralnych wiąże się z pomiarem radiancji spektralnej w wąskich lub bardzo wąskich zakresach promieniowania, co powoduje obniżenie stosunku sygnału do szumu i pogorszenie jakości radiometrycznej rejestrowanych obrazów. Aby obraz dawał jakościowo dobry wynik, każdy z detektorów macierzy detektorów powinien dawać‡ jednakową odpowiedź na tć™ samą moc sygnału padającego. Jeśli jeden lub kilka z detektorów nie dają tej samej odpowiedzi na padający sygnał, wówczas na obrazie pojawia się systematyczny wzór szumu w postaci prążków. Szum ten można w prosty sposób wyeliminować‡. Jeśli zaś wystć™puje szum o charakterze przypadkowym możliwe jest ograniczenie go jedynie w pewnym stopniu.


d) dla zdjć™ć‡ ukośnych
– korekcja radiometrii, wynikającej z wpływu kąta wychylenia na wielkość‡ piksela.


e) korekcja zmienności oświetlenia
– w przypadku rejestracji satelitarnych mamy do czynienia z wpływem zmienności oświetlenia słonecznego czyli promienie słoneczne padają pod różnym kątem na każdy piksel sceny satelitarnej. W przypadku scen satelitarnych o niewielkich rozmiarach wpływ ten jest niewielki i przyjmuje się, że kąt padania promieni słonecznych jest taki sam dla każdego piksela obrazu i założenie to nie spowoduje istotnych błę™dów w dalszym przetwarzaniu danych.  Dla obrazów satelitarnych długości rzć™du kilkuset kilometrów (takich jak np. ALI/EO-1) nie można przyjąć‡ takiego założenia, gdyż zmienność‡ oświetlenia jest znacznie większa niż dla scen o niewielkich rozmiarach, czyli należy wykonać‡ stosowną korekcjć™. 

 

4.      Korekcja atmosferyczna – mająca na celu wyeliminowanie niekorzystnego oddziaływania atmosfery ziemskiej na promieniowanie rejestrowane przez detektory skanera satelitarnego. Podczas operacyjnego monitorowania jakości wód powierzchniowych najkorzystniejsze jest stosowanie już opracowanych algorytmów i modeli korekcji danych satelitarnych takich, jak: ATCOR, MODTRAN, LOWTRAN, 6S. Wykorzystują one co prawda tzw. średnie modele klimatyczne atmosfer, ale nie wymagają prowadzenia dodatkowych szczegółowych pomiarów meteorologicznych i sondowania atmosfery, co z kolei podraża koszty i wydłuża proces przetwarzania danych satelitarnych.

5.   Stworzenie maski wód dla każdej sceny satelitarnej oddzielnie, gdyż opracowanie rozkładów przestrzennych parametrów opisujących jakość‡ wody dotyczy tylko wód. Maskć™ wód można stworzyć‡ albo poprzez wektoryzacjć™ granic akwenów wodnych albo w sposób automatyczny wykorzystując np. zakres podczerwieni bądź obrazy wskaźnikowe do ekstrakcji wód.

6.      Określenie formuł obliczeniowych parametrów jakości wód polega na poszukiwaniu zależności między odbiciem spektralnym zarejestrowanym z pułapu satelitarnego dla obszaru wód a parametrami jakości wód pomierzonymi w wyniku naziemnej kampanii pomiarowej.W przypadku badań wód jeziornych można badać‡ rozkład przestrzenny parametrów fizyko-chemicznych i hydro­­­biologicznych, które w jakikolwiek sposób zmieniają właściwości spektralne czystej wody.

7.   Obliczenie parametrów jakości wód na podstawie danych satelitarnych z wykorzystaniem uzyskanych formuł     obliczeniowych.

8.   Przygotowanie map rozkładów parametrów jakości wód wraz z legendą oraz opisami kartograficznymi.

9.   Interpretacja i analiza rozkładów przestrzennych jakości wód.


dr inz. Katarzyna Osińska-Skotak,
Wydział Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej
Projekt "MONTRANSAT" realizowany jest ze środków Uni Europejskiej w ramach programu
sąsiedztwa Litwa, Polska, Obwód Kalingradzki Federacji Rosyjskiej
Partner wiodący
PWSZ Elbląg

© Copyright by PWSZ Elbląg. 2008 r. Wszelkie prawa zastrzeżone. | Projekt i realizacja Vene Studio