ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. του Νεκταρίου Χρυσουλάκη

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ. του Νεκταρίου Χρυσουλάκη"

Transcript

1 ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ του Νεκταρίου Χρυσουλάκη ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΜΕΤΩΠΩΝ ΦΩΤΙΑΣ ΚΑΙ ΛΟΦΙΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή: Επικ. Καθ. Κ. Καρτάλης Καθ. Δ. Ασημακόπουλος Επικ. Καθ. Δ. Δεληγιώργη ΑΘΗΝΑ, 2000

2

3 ΑΝΤΙ ΠΡΟΛΟΓΟΥ Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετώνται συμβάντα βιομηχανικών ατυχημάτων που εκδηλώθηκαν στην περιοχή της Ευρώπης, με βάση την αποτύπωσή τους σε δορυφορικές καταγραφές των δορυφόρων ΝΟΑΑ/AVHRR και METEOSAT. Σκοπός της Διατριβής είναι η ανάπτυξη πρότυπων αλγορίθμων για την ανίχνευση και παρακολούθηση των μετώπων φωτιάς και των λοφίων που προκαλούνται από τα βιομηχανικά ατυχήματα. Η δημιουργία των αλγορίθμων αυτών και η ανάπτυξη συγκεκριμένης σταθερής μεθοδολογίας, αποσκοπούν στην αυτοματοποίηση της διαδικασίας ακριβούς εντοπισμού και απεικόνισης των μετώπων φωτιάς και των λοφίων με χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Η υλοποίηση των αλγορίθμων αυτών ως αυτόνομες εφαρμογές, που πραγματοποιείται με προγραμματισμό τους σε JAVA2, αποβλέπει στη δυνατότητα λειτουργίας τους σε πραγματικό χρόνο, συμβάλλοντας στη διαχείριση βιομηχανικού κινδύνου. Η Διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μετεωρολογίας του Τομέα Φυσικής Εφαρμογών του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών, υπό την επίβλεψη και την καθοδήγηση του Επίκουρου Καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών κ. Κ. Καρτάλη, τον οποίο ευχαριστώ θερμά για τις ουσιαστικές και εύστοχες παρατηρήσεις του, καθώς και για την επιστημονική και υλικοτεχνική υποστήριξη που μου προσέφερε. Ευχαριστώ επίσης τον Καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών κ. Δ. Ασημακόπουλο και την Επίκουρη Καθηγήτρια του Πανεπιστημίου Αθηνών κ. Δ. Δεληγιώργη, οι οποίοι συμπλήρωσαν την τριμελή συμβουλευτική επιτροπή. Τους ευχαριστώ όλους θερμά για την εμπιστοσύνη που μου έδειξαν με την ανάθεση του Θέματος, καθώς και για τις υποδείξεις, τις συμβουλές και τις διορθώσεις τους κατά τη διάρκεια της εκπόνησης της Διατριβής. Θέλω επίσης να ευχαριστήσω τους Καθηγητές του Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης κ. Τ. Μακρογιάννη και κ. Χ. Σαχσαμάνογλου, τον Επίκουρο Καθηγητή του Πανεπιστημίου Αθηνών κ. Γ. Θεοχαράτο και τον Επίκουρο Καθηγητή του Πανεπιστημίου Αιγαίου κ. Ν. Σουλακέλη, οι οποίοι συμπλήρωσαν την επταμελή εξεταστική επιτροπή, για τις χρήσιμες συστάσεις και συμβουλές τους. Τέλος, ευχαριστώ ιδιαίτερα τους γονείς μου και τη Μαρία, για την αμέριστη ηθική τους συμπαράσταση όλα αυτά τα χρόνια.

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... i 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ Α. ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΤΗΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ, ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΤΥΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΤΑΣΗΣ Β. ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΟΙ ΟΠΟΙΟΙ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΟΥΝ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ, ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΑΤΥΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΤΑΣΗΣ Γ. ΕΞΑΣΘΕΝΙΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΛΟΓΩ ΤΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΑΕΡΟΛΥΜΑΤΩΝ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Δ. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΣΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ε. ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΣΕ ΜΙΑ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΣΤ. ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΕΣ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΙΣ ΕΙΚΟΝΕΣ NOAA/AVHRR Ζ. ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΛΩΣΣΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ JAVA2 ΓΙΑ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ. ΟΙ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΟΥ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΣΤΗΝ ΠΑΡΟΥΣΑ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΝΟΑΑ/AVHRR Α. ΓΕΝΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ Β. ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΚΑΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΕΣ ΔΙΟΡΘΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΝΟΑΑ/AVHRR Γ. ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΝΟΑΑ/AVHRR. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΛΑΜΠΡΟΤΗΤΗΤΑΣ (BRIGHTNESS TEMPERATURE) ΓΙΑ ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΤΟΥ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ ΚΑΙ ΤΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ (REFLECTANCE) ΓΙΑ ΤΑ ΚΑΝΑΛΙΑ ΤΟΥ ΟΡΑΤΟΥ Δ. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΤΗΣ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ AVHRR ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΙΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ AVHRR ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΕΤΩΠΩΝ ΦΩΤΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΩΝ ΤΟΥ ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΟΥ AVHRR ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ ΝΟΑΑ A. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Β. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΕΤΩΠΟΥ ΦΩΤΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ AVHRR - Η ΑΠΟΚΤΗΘΕΙΣΑ ΕΜΠΕΙΡΙΑ Γ. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΜΕΤΩΠΩΝ ΦΩΤΙΑΣ ΣΤΙΣ ΕΙΚΟΝΕΣ ΤΟΥ AVHRR Δ. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΜΕΤΩΠΩΝ ΦΩΤΙΑΣ ΤΑ ΟΠΟΙΑ ΠΡΟΚΑΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΙΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ AVHRR Δ.1. Δεδομένα και μεθοδολογία Δ.2. Προγραμματισμός του αλγορίθμου σε JAVA2 με χρήση της εικόνας AVHRR (13 Μαίου 2000, UTC) για τις απαραίτητες δοκιμές και τον έλεγχο της λειτουργίας του. Ανάπτυξη αυτόνομης (stand alone) εφαρμογής Δ.3. Εφαρμογή του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε - αποτελέσματα Δ.4. Ανάλυση της αξιοπιστίας του αλγορίθμου. Πηγές σφάλματος που υπεισέρχονται στη διαδικασία Δ.5. Συμπεράσματα i

5 6. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΛΟΦΙΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΩΝ ΤΟΥ AVHRR ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ ΝΟΑΑ Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Β. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΔΙΑΔΟΣΗΣ ΤΩΝ ΛΟΦΙΩΝ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ. ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗ ΤΟΥΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ Γ. ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΛΟΦΙΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΩΝ - Η ΑΠΟΚΤΗΘΕΙΣΑ ΕΜΠΕΙΡΙΑ Δ. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΚΑΙ ΤΗΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΛΟΦΙΩΝ ΤΑ ΟΠΟΙΑ ΠΡΟΚΑΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΙΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ AVHRR Δ.1. Δεδομένα και μεθοδολογία Δ.2. Προγραμματισμός του αλγορίθμου σε JAVA2 με χρήση της εικόνας AVHRR (13 Μαίου 2000, UTC) για τις απαραίτητες δοκιμές και τον έλεγχο της λειτουργίας του. Ανάπτυξη αυτόνομης (stand alone) εφαρμογής Δ.3. Εφαρμογή του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε - αποτελέσματα Δ.4. Ανάλυση της αξιοπιστίας του αλγορίθμου. Πηγές σφάλματος που υπεισέρχονται στη διαδικασία Δ.5. Συμπεράσματα ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΚΑΙ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΛΟΦΙΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΙΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ METEOSAT ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι: Ο ΠΗΓΑΙΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ JAVA2 ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΠΟΥ ΑΝΑΠΤΥΧΘΗΚΕ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΜΕΤΩΠΩΝ ΦΩΤΙΑΣ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ B. Η ΚΛΑΣΗ SELECT Β.1. Ο πηγαίος κώδικας select.java Β.2. Ανάλυση του κώδικα select.java Γ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR Γ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr1.java Γ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr1..java Δ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR Δ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr3.java Δ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr3..java Ε. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR Ε.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr4.java Ε.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr4..java ΣΤ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR ΣΤ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr5.java ΣΤ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr5..java Ζ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR1CALIBR Ζ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr1calibr.java Ζ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr1calibr.java H. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR3CALIBR H.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr3calibr.java H.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr3calibr.java ii

6 Θ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR4CALIBR Θ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr4calibr.java Θ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr4calibr.java Ι. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR5CALIBR Ι.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr5calibr.java Ι.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr5calibr.java ΙΑ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRRCLD ΙΑ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrrcld.java ΙΑ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrrcld.java ΙB. Η ΚΛΑΣΗ SELECTCALIBR ΙB.1. Ο πηγαίος κώδικας selectcalibr.java ΙB.2. Ανάλυση του κώδικα selectcalibr.java ΙΓ. Η ΚΛΑΣΗ CALIBRATION ΙΓ.1. Ο πηγαίος κώδικας calibration1.java ΙΓ.2. Ανάλυση του κώδικα calibration1.java ΙΔ. Η ΚΛΑΣΗ CALIBRATION ΙΔ.1. Ο πηγαίος κώδικας calibration3.java ΙΔ.2. Ανάλυση του κώδικα calibration3.java ΙΕ. Η ΚΛΑΣΗ CALIBRATION ΙΕ.1. Ο πηγαίος κώδικας calibration4.java ΙΕ.2. Ανάλυση του κώδικα calibration4.java ΙΣΤ. Η ΚΛΑΣΗ CALIBRATION ΙΣΤ.1. Ο πηγαίος κώδικας calibration5.java ΙΣΤ.2. Ανάλυση του κώδικα calibration5.java ΙΖ. Η ΚΛΑΣΗ CLD ΙΖ.1. Ο πηγαίος κώδικας cld51.java ΙΖ.2. Ανάλυση του κώδικα cld51.java ΙH. Η ΚΛΑΣΗ DT ΙH.1. Ο πηγαίος κώδικας dt34.java ΙH.2. Ανάλυση του κώδικα dt34.java ΙΘ. Η ΚΛΑΣΗ TEMPVIEWER ΙΘ.1. Ο πηγαίος κώδικας Tempviewer.java ΙΘ.2. Ανάλυση του κώδικα Tempviewer.java ΙI. Η ΚΛΑΣΗ NEKTARIO ΙI.1. Ο πηγαίος κώδικας Nektario.java ΙI.2. Ανάλυση του κώδικα Nektario.java ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙI: Ο ΠΗΓΑΙΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ JAVA2 ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΠΟΥ ΑΝΑΠΤΥΧΘΗΚΕ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΚΑΙ ΤΗΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΛΟΦΙΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΟΥΝΤΑΙ ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ Α. ΕΙΣΑΓΩΓΗ B. Η ΚΛΑΣΗ SELECT Β.1. Ο πηγαίος κώδικας select2.java Β.2. Ανάλυση του κώδικα selec2t.java Γ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR Γ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr2.java Γ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr2..java Δ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRR2CALIBR Δ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrr2calibr.java Δ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrr2calibr.java Ε. Η ΚΛΑΣΗ AVHRRCLD Ε.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrrcld1.java Ε.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrrcld1..java ΣΤ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRRNDVI ΣΤ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrrndvi1.java ΣΤ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrrndvi1..java iii

7 Ζ. Η ΚΛΑΣΗ AVHRRCLD Ζ.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrrcld2.java Ζ.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrrcld2.java H. Η ΚΛΑΣΗ AVHRRNDVI H.1. Ο πηγαίος κώδικας Avhrrndvi2.java H.2. Ανάλυση του κώδικα Avhrrndvi2.java Θ. Η ΚΛΑΣΗ SELECTCALIBR Θ.1. Ο πηγαίος κώδικας selectcalibr2.java Θ.2. Ανάλυση του κώδικα selectcalibr2.java Ι. Η ΚΛΑΣΗ CALIBRATION Ι.1. Ο πηγαίος κώδικας calibration2.java Ι.2. Ανάλυση του κώδικα calibration2.java ΙΑ. Η ΚΛΑΣΗ CLD ΙΑ.1. Ο πηγαίος κώδικας cld1.java ΙΑ.2. Ανάλυση του κώδικα cld1.java ΙB. Η ΚΛΑΣΗ NDVI ΙB.1. Ο πηγαίος κώδικας ndvi1.java ΙB.2. Ανάλυση του κώδικα ndvi1.java ΙΓ. Η ΚΛΑΣΗ CLD ΙΓ.1. Ο πηγαίος κώδικας cld2.java ΙΓ.2. Ανάλυση του κώδικα cld2.java ΙΔ. Η ΚΛΑΣΗ NDVI ΙΔ.1. Ο πηγαίος κώδικας ndvi2.java ΙΔ.2. Ανάλυση του κώδικα ndvi2.java ΙΕ. Η ΚΛΑΣΗ SELECTPLUME ΙΕ.1. Ο πηγαίος κώδικας selectplume.java ΙΕ.2. Ανάλυση του κώδικα selectplume.java ΙΣΤ. Η ΚΛΑΣΗ PLUME ΙΣΤ.1. Ο πηγαίος κώδικας Plume.java ΙΣΤ.2. Ανάλυση του κώδικα Plume.java ΙΖ. Η ΚΛΑΣΗ PLUME ΙΖ.1. Ο πηγαίος κώδικας Plume2.java ΙΖ.2. Ανάλυση του κώδικα Plume2.java ΙH. Η ΚΛΑΣΗ MARIA ΙH.1. Ο πηγαίος κώδικας Maria.java ΙH.2. Ανάλυση του κώδικα Maria.java ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙI: ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΚΟΙΝΟΤΙΚΗ ΠΟΛΙΤΙΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΛΗΨΗ ΤΩΝ ΚΙΝΔΥΝΩΝ ΑΠΟ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ Α. ΟΔΗΓΙΑ SEVEZO (82/501/ΕΕC) B. ΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΑΤΥΧΗΜΑΤΟΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΤΑΣΗΣ Γ. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΤΥΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΤΑΣΗΣ Δ. ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΚΙΝΔΥΝΟΥ Ε. ΠΛΗΡΟΦΟΡΗΣΗ ΤΟΥ ΚΟΙΝΟΥ ΣΕ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΑΤΥΧΗΜΑΤΟΣ ΣΤ. ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΑΤΥΧΗΜΑΤΩΝ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΤΑΣΗΣ ΣΤ.1. Σύστημα Καταγραφής των ατυχημάτων μεγάλης έκτασης - MARS ΣΤ.2. Επικίνδυνες ουσίες που εμφανίζονται κατά την εκδήλωση ατυχημάτων ΣΤ.3. Βιομηχανικές δράσεις ΣΤ.4. Στατιστική Ανάλυση των δεδομένων που έχουν καταγραφεί στο MARS ΣΤ.5. Δείκτες κινδύνου των βιομηχανικών ατυχημάτων iv

8 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ. Τα τεχνολογικά ατυχήματα σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις εμπεριέχουν σημαντικό κίνδυνο για τη δημόσια υγεία και το περιβάλλον. Σημαντικός αριθμός τέτοιων ατυχημάτων έχει καταγραφεί τα τελευταία χρόνια με συνέπειες τόσο απώλειες σε ανθρώπινες ζωές όσο και σημαντικές - και σε πολλές περιπτώσεις μη αντιστρέψιμες - επιπτώσεις στο φυσικό περιβάλλον. Καταστροφή μπορεί να προκληθεί τόσο κατά τη στιγμή της εκδήλωσης του ατυχήματος, όσο και στα επόμενα στάδια της εξέλιξής του κατά την εξάπλωση στο περιβάλλον του λοφίου νέφους που παράγεται. Η διαχείριση κινδύνου και ο σχεδιασμός των δράσεων έκτακτης ανάγκης, επιβάλλει την εκ των προτέρων γνώση πολλών περιβαλλοντικών παραμέτρων καθώς και τη συνεχή ροή πληροφορίας κατά την εκδήλωση ενός ατυχήματος. Το δυναμικό της δορυφορικής τηλεπισκόπησης είναι υψηλό για τον καθορισμό των χρήσεων γης και της κάλυψης του εδάφους, για την απεικόνιση των αστικών περιοχών, του οδικού δικτύου και των βιομηχανικών εγκαταστάσεων, για την ανίχνευση της φωτιάς και για τον προσδιορισμό του λοφίου και της ταχύτητας και διεύθυνσης εξάπλωσής του. Σε όλες τις διαδικασίες τηλεπισκόπησης η επεξεργαζόμενη παράμετρος είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται ή ανακλάται από διάφορα αντικείμενα, επιφάνειες ή χημικές ενώσεις. Η δυνατότητα συλλογής ακτινοβολίας σε μία μεγάλη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (από την κοσμική ακτινοβολία μέχρι τα μικροκύματα), σε συνδυασμό με το γεγονός ότι η κατανομή της ακτινοβολίας που εκπέμπει ή ανακλά κάθε σώμα σε διάφορα μήκη κύματος είναι χαρακτηριστική της φυσικής του κατάστασης και της χημικής του σύστασης (φασματική υπογραφή), οδηγεί στην εξ αποστάσεως αναγνώριση και μελέτη του, δηλαδή στην εφαρμογή της τηλεπισκόπησης. Η φασματική υπογραφή είναι χαρακτηριστική για κάθε σώμα ή χημική ένωση και επιτρέπει να διακρίνουμε το χιόνι από το νερό, τη βλάστηση από το χώμα, τους διάφορους τύπου πετρωμάτων μεταξύ τους, τις διάφορες ενώσεις στην ατμόσφαιρα, κλπ. Τα διάφορα όργανα των δορυφόρων καταγράφουν την ακτινοβολία 1

9 η οποία προέρχεται από τη γη σε διαφορετικές ζώνες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Για κάθε στοιχειώδη επιφάνεια ανάλυσης το εικονοστοιχείο (pixel) τα δεδομένα που λαμβάνονται αντιστοιχούν σε κάποια τιμή ακτινοβολίας η οποία καταχωρείται σε καθεμία από τις εν λόγω επιφάνειες. Στη συνέχεια, οι τιμές αυτές αντιστοιχίζονται σε διαφορετικά χρώματα (ή αποχρώσεις του γκρι) για να δώσουν μία εικόνα. Κατά συνέπεια, ανάλογα με το μήκος κύματος στο οποίο έχουν συντονιστεί τα διάφορα όργανα παρατήρησής τους, οι δορυφόροι μπορούν να εξυπηρετήσουν διαφορετικούς σκοπούς. Η ακτινοβολία η οποία προέρχεται από την περιοχή εκδήλωσης ενός βιομηχανικού ατυχήματος και φτάνει στο δορυφορικό ανιχνευτή, είναι επαλληλία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκπέμπονται από το μέτωπο της φωτιάς, από τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης και από τη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία η οποία σκεδάζεται από την επιφάνεια της γης και την ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Συνεπώς, όταν εκδηλώνεται μια φωτιά σε ένα συγκεκριμένο σημείο, ανάλογα με την ισχύ της, δηλαδή ανάλογα με τη θερμοκρασία της θα έχει μια διαφορετική φασματική υπογραφή, με συνέπεια την καταγραφή της από το δορυφορικό ανιχνευτή σε συγκεκριμένη φασματική περιοχή. Τα οπτικά χαρακτηριστικά του λοφίου που προκαλείται είναι συνάρτηση του μεγέθους των αερολυμάτων και των υδροσταγόνων που αποτελούν το λοφίο. Τα αερολύματα του λοφίου προκαλούν σκέδαση στην μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία και κατά συνέπεια μπορούν να ανιχνευτούν από δορυφορικό δέκτη ο οποίος έχει την κατάλληλη διακριτική ικανότητα. Η απεικόνιση ενός λοφίου στο θερμικό υπέρυθρο είναι εφικτή, εφόσον τα σωματίδιά του ακτινοβολούν σαν μέλανα σώματα στη θερμοκρασία τους. Τα σωματίδια αυτά λειτουργώντας σαν πυρήνες συμπύκνωσης για τους ατμοσφαιρικούς υδρατμούς συγκεντρώνουν γύρω τους υδροσταγονίδια κάνοντας το λοφίο να φαίνεται σαν χαμηλό θερμό νέφος. Κατά συνέπεια για να είναι διακριτό το λοφίο θα πρέπει να έχει θερμοκρασιακή διαφορά από το περιβάλλον του η οποία να υπερβαίνει ένα κατώτατο όριο το οποίο εξαρτάται από την ευαισθησία του δορυφορικού ανιχνευτή. 2

10 Η ανίχνευση ενός αντικειμένου σε μία δορυφορική εικόνα με βάση τη διαφορετική φασματική υπογραφή του σε σχέση με τον περιβάλλοντα χώρο είναι πρακτικά αποτέλεσμα της διαφοροποίησης ορισμένων εικονοστοιχείων της δορυφορικής εικόνας από τα γειτονικά τους. Η διαφοροποίηση αυτή είναι δυνατό να αφορά είτε ένα συγκεκριμένο φασματικό κανάλι, είτε ένα σύνολο φασματικών καναλιών. Τα πιο σημαντικά κριτήρια για την εκτίμηση της καταλληλότητας ενός δορυφορικού ανιχνευτή με δεδομένο αριθμό φασματικών καναλιών για μια συγκεκριμένη εφαρμογή είναι η χωρική και η χρονική διακριτική του ικανότητα καθώς και η επιδεκτικότητα των φασματικών καναλιών του για την παρατήρηση των φυσικών χαρακτηριστικών. Η ανίχνευση των συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων και των λοφίων που προκαλούνται δεν μπορεί να γίνει με ακρίβεια με τη χρήση ενός μόνο καναλιού, αλλά είναι αναγκαία η χρήση πολυφασματικών μεθόδων με την ανάπτυξη κατάλληλων αλγορίθμων. Σκοπός της παρούσας Διατριβής είναι η μελέτη συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων, όπως αποτυπώνονται σε δορυφορικές καταγραφές, με στόχο την ανάπτυξη πρότυπων αλγορίθμων για την ανίχνευση και παρακολούθηση των μετώπων φωτιάς και των λοφίων που προκαλούνται. Η δημιουργία των αλγορίθμων αυτών και η ανάπτυξη συγκεκριμένης σταθερής μεθοδολογίας (standard methodology) στοχεύει στην αυτοματοποίηση της διαδικασίας ακριβούς εντοπισμού και απεικόνισης των μετώπων φωτιάς και των λοφίων με χρήση της δορυφορικής τηλεπισκόπησης. Στη συνέχεια, η υλοποίηση των αλγορίθμων αυτών ως αυτόνομες εφαρμογές, αποβλέπει στη δυνατότητα λειτουργίας τους σε πραγματικό χρόνο, δίνοντας στην τηλεπισκόπηση σημαντικό ρόλο στη διαχείριση βιομηχανικού κινδύνου. Στην παρούσα Διατριβή μελετήθηκαν οι παρακάτω περιπτώσεις βιομηχανικών ατυχημάτων: Περίπτωση i: Ατύχημα στις εγκαταστάσεις της Jet Oil στο Kαλοχώρι Θεσσαλονίκης στις 24/2/1986. Περίπτωση ii: Ατύχημα στις εγκαταστάσεις της Shell στη Λυών της Γαλλίας στις 2/6/

11 Περίπτωση iii: Ατύχημα σε δεξαμενόπλοιο στο Λιμάνι της Γένοβας στην Ιταλία στις 13/4/1991. Περίπτωση iiv: Ατύχημα στις εγκαταστάσεις εξόρυξης πετρελαίου στη Βόρεια Θάλασσα 100 χιλιόμετρα Βορειοανατολικά της Αμπερντήν στη Σκωτία στις 6 Ιουλίου Περίπτωση v: Ατύχημα σε αποθήκη πυροτεχνημάτων στο Ενσέντε της Ολλανδίας στις 13 Μαϊου Συγκεντρώθηκαν οι δορυφορικές καταγραφές των δορυφόρων ΝΟΑΑ (αισθητήρας AVHRR του οποίου οι καταγραφές λαμβάνουν χώρα σε 5 φασματικά κανάλια: α) ορατό, β) εγγύς υπέρυθρο, γ) μέσο υπέρυθρο, δ) θερμικό υπέρυθρο, ε) θερμικό υπέρυθρο) και METEOSAT (αισθητήρας MIR του οποίου οι καταγραφές λαμβάνουν χώρα σε τρία φασματικά κανάλια: α) ορατό, β) θερμικό υπέρυθρο, γ) φασματική περιοχή των υδρατμών) οι οποίες ελήφθησαν στις ημερομηνίες που φαίνονται παραπάνω και στις συγκεκριμένες περιοχές εκδήλωσης των συμβάντων. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε προ-επεξεργασία των εικόνων κατά την οποία έλαβαν χώρα Ραδιομετρικές και Γεωμετρικές διορθώσεις, καθώς και Βαθμονόμηση των εικόνων για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας λαμπρότητας για τα φασματικά κανάλια του υπέρυθρου και της ανακλαστικότητας για τα αντίστοιχα του ορατού. Ο σκοπός της παρούσας Διατριβής επιτεύχθηκε σε έξι στάδια: Πρώτο στάδιο: Ανάπτυξη αλγορίθμου για τον εντοπισμό και το διαχωρισμό των νεφών από λοφία, με βάση τις καταγραφές του AVHRR. Λόγω της ομοιότητας που διαπιστώθηκε μεταξύ των φασματικών υπογραφών των νεφών (ιδιαίτερα των χαμηλών) με αυτές των λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα, θεωρήθηκε απαραίτητη η ανάπτυξη ειδικού αλγορίθμου για τον εντοπισμό των νεφών σε μια δορυφορική εικόνα AVHRR και το διαχωρισμό τους από την υποκείμενη επιφάνεια. Η βάση του αλγορίθμου που αναπτύσσεται και εφαρμόζεται είναι ο κανονικοποιημένος λόγος του γραμμικού συνδυασμού των καναλιών 1 και 5 του AVHRR: (5-1)/(5+1). Στην παράμετρο που εκφράζεται από το 4

12 λόγο αυτό δίνεται η ονομασία CLD. Με τη χρήση του αλγορίθμου αυτού αυτοματοποιήθηκε η διαδικασία φιλτραρίσματος των νεφών και για το λόγο αυτό, ο αλγόριθμος ενσωματώθηκε στους αλγορίθμους που αναπτύχθηκαν για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς και λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Δεύτερο στάδιο: Ανάπτυξη πρότυπου αλγορίθμου για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς τα οποία προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα με βάση τις καταγραφές του AVHRR. Κατά την διάρκεια της εκδήλωσης ενός βιομηχανικού ατυχήματος, η θερμοκρασία στο μέτωπο της φωτιάς ανέρχεται σε πολύ υψηλά επίπεδα, κάνοντας εφικτό τον εντοπισμό της περιοχής εκδήλωσης του ατυχήματος από τον ανιχνευτή AVHRR, παρόλο που η εν λόγω περιοχή καλύπτει συνήθως μικρό ποσοστό της επιφάνειας του εικονοστοιχείου της δορυφορικής εικόνας. Ο πρότυπος αλγόριθμος για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε με βάση την εικόνα AVHRR με ημερομηνία λήψης 13 Μαΐου 2000 (14:44 UTC). Ο αλγόριθμος αυτός ακολουθεί τα παρακάτω βήματα: α) Διαχωρισμός των καναλιών και επιλογή αυτών που θα χρησιμοποιηθούν. Ραδιομετρικές και γεωμετρικές διορθώσεις. β) Βαθμονόμηση, με σκοπό τη μετατροπή των ψηφιακών τιμών των καναλιών σε τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας ή τιμές ανακλαστικότητας. γ) Εφαρμογή φίλτρου για τα νέφη σε κάθε φασματικό κανάλι, το οποίο έχει σαν βάση τον αλγόριθμο που είχε αναπτυχθεί σε προηγούμενο στάδιο. δ) Υλοποίηση της διαφοράς των φασματικών καναλιών 3 και 4 τα οποία έχουν υποστεί τη διαδικασία φιλτραρίσματος που περιγράφηκε. ε) Το προϊόν που προκύπτει, είναι μια εικόνα στην οποία παρουσιάζεται η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4. Στην εικόνα αυτή αναζητούνται τα εικονοστοιχεία εκείνα των οποίων η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη από μία δεδομένη τιμή (20 C). Τα εικονοστοιχεία αυτά αντιπροσωπεύουν πηγές πολύ υψηλών θερμοκρασιών στην επιφάνεια της γης οι οποίες είναι χαρακτηριστικές των μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. 5

13 Τρίτο στάδιο: Ανάπτυξη πρότυπου αλγορίθμου για την ανίχνευση και την απεικόνιση λοφίων τα οποία προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα με βάση τις καταγραφές του AVHRR: Σημαντικό στοιχείο για τον δορυφορικό εντοπισμό και την απεικόνιση ενός λοφίου είναι ο διαχωρισμός του από τα νέφη και από την υποκείμενη επιφάνεια. Για να είναι επιτυχής ο διαχωρισμός αυτός σε μια δορυφορική εικόνα, είναι αναγκαίο να λαμβάνει χώρα συνδυασμένη χρήση φασματικών καναλιών στην ορατή και στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Ο πρότυπος αλγόριθμος για την ανίχνευση λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα αναπτύχθηκε και δοκιμάστηκε με βάση την εικόνα AVHRR με ημερομηνία λήψης 13 Μαΐου 2000 (14:44 UTC). Ο αλγόριθμος αυτός είχε στόχο αφ ενός τη βελτίωση της ακρίβειας και αφ' ετέρου την αυτοματοποίηση της διαδικασίας αυτής ακολουθώντας τα παρακάτω βήματα: Αρχικά οι εικόνες υφίστανται τις κατάλληλες ραδιομετρικές και γεωμετρικές διορθώσεις και κατόπιν την κατάλληλη βαθμονόμηση. Κατόπιν εφαρμόζεται μία τεχνική που βασίζεται στο συνδυασμό των κανονικοποιημένων λόγων CLD = (5-1)/(5+1) που αναπτύχθηκε στο πρώτο στάδιο και του Δείκτη Βλάστησης NDVI = (2-1)/(2+1), όπου 1, 2 και 5 είναι τα φασματικά κανάλια 1, 2 και 5 του AVHRR, με στόχο το διαχωρισμό των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο λοφίο από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη και στην επιφάνεια της γης. Έπειτα από διπλή διαδικασία φιλτραρίσματος, παράγεται η ψευδόχρωμη σύνθεση RGB των εικόνων που αντιστοιχούν στους παραπάνω λόγους (ψευδοκανάλια). Κατά συνέπεια, η ανίχνευση του λοφίου δεν πραγματοποιείται σε μία ψευδόχρωμη εικόνα η οποία αποτελεί σύνθεση καναλιών του AVHRR, αλλά σε μία ψευδόχρωμη εικόνα η οποία υλοποιεί τον δισδιάστατο χώρο χαρακτηριστικών (feature space) με συνιστώσες το ψευδοκανάλι CLD και το ψευδοκανάλι NDVI. Το ψευδοκανάλι CLD εμπεριέχει την πληροφορία των φασματικών καναλιών του ορατού και του θερμικού υπέρυθρου και χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό των εικονοστοιχείων της δορυφορικής εικόνας που αντιπροσωπεύουν το λοφίου από τα εικονοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν τα νέφη. Το ψευδοκανάλι NDVI εμπεριέχει την πληροφορία των φασματικών καναλιών του ορατού και του εγγύος υπέρυθρου και χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό των 6

14 εικονοστοιχείων της δορυφορικής εικόνας που αντιπροσωπεύουν το λοφίο από τα εικονοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν την υποκείμενη επιφάνεια. Τέταρτο στάδιο: Απεικόνιση και παρακολούθηση λοφίων με βάση τις καταγραφές του ανιχνευτή MIR του Μετεωρολογικού δορυφόρου ΜΕΤΕΟSAT: Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην περίπτωση αυτή στηρίχθηκε σε ψευδόχρωμες συνθέσεις των καναλιών του ορατού και του υπέρυθρου και μπορεί να εφαρμοστεί μόνο σε λοφία μεγάλων διαστάσεων, λόγω της χαμηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας του συγκεκριμένου δορυφορικού ανιχνευτή. Πέμπτο στάδιο: Προγραμματισμός των αλγορίθμων που αναπτύχθηκε σε JAVA2. Δημιουργία αυτόνομων εφαρμογών: Ο αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς και λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα προγραμματίστηκαν σαν αυτόνομες εφαρμογές σε γλώσσα προγραμματισμού JAVA2. Η εικόνα AVHRR με ημερομηνία λήψης 13 Μαίου 2000 (14.44 UTC) χρησιμοποιείται για τις απαραίτητες δοκιμές και τον έλεγχο της λειτουργίας των αλγορίθμων. Η λειτουργία των προγραμμάτων που αναπτύχθηκαν έχει χωριστεί σε τμήματα και κάθε τμήμα έχει προγραμματιστεί να εκτελείται από συγκεκριμένη κλάση της οποίας το αντικείμενο καλείται την κατάλληλη χρονική στιγμή (στοιχεία για τον αντικειμενοστραφή προγραμματισμό και για τον τρόπο εφαρμογής του στην παρούσα Διατριβή παρατίθενται στην ενότητα Ζ του Κεφαλαίου 2,). Συνεπώς οι εφαρμογές αυτές μπορούν να εκτελεστούν από οποιοδήποτε Η/Υ και σε οποιοδήποτε λειτουργικό περιβάλλον. Προγραμματίστηκαν με τρόπο ώστε να μπορούν να εκτελεστούν και από τον μη ειδικό χρήστη ο οποίος ενδιαφέρεται για το τελικό προϊόν. Το περιβάλλον τους είναι πολύ φιλικό προς το χρήστη γιατί είναι "παραθυρικές", δηλαδή με την εκκίνησή τους παρουσιάζεται στην οθόνη ένα παράθυρο μέσα στο οποίο η κάθε εφαρμογή εκτελείται (βασικό παράθυρο) στο οποίο εμφανίζονται τα βήματα του αλγορίθμου που υλοποιεί η κάθε εφαρμογή. 7

15 Έκτο στάδιο: Έλεγχος της αξιοπιστίας των αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν. Έπειτα από την εφαρμογή των αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν σε όλες τις περιπτώσεις βιομηχανικών ατυχημάτων για τις οποίες υπήρχαν δορυφορικές εικόνες, τα σημεία με βάση τα οποία ελέγχεται η αξιοπιστία των αλγορίθμων είναι: Η επιτυχία των αλγορίθμων στον εντοπισμό "αληθών" συμβάντων. Η ικανότητά των αλγορίθμων στην απόρριψη "αναληθών" συμβάντων. Ως "συμβάν" για τον πρώτο αλγόριθμο που αναπτύχθηκε, νοείται η ύπαρξη μετώπου φωτιάς που προέρχεται από βιομηχανικό ατύχημα, ενώ για το δεύτερο η ύπαρξη λοφίου που έχει προκληθεί από βιομηχανικό ατύχημα. Με τον όρο "αληθή" συμβάντα περιγράφονται οι περιπτώσεις εκείνες κατά τις οποίες υπάρχει πράγματι συμβάν, του οποίου η περιοχή εκδήλωσης αντιπροσωπεύεται από συγκεκριμένα εικονοστοιχεία της δορυφορικής εικόνας και ο αλγόριθμος εντοπίζει επιτυχώς τα εικονοστοιχεία αυτά. Οι εικόνες που χρησιμοποιούνται έχουν επιλεγεί σε ημερομηνίες εκδήλωσης βιομηχανικών ατυχημάτων σε γνωστά σημεία και είναι δυνατόν να ελεγχθεί το κατά πόσον ο αλγόριθμος είναι επιτυχής στον εντοπισμό των "αληθών" συμβάντων. Με τον όρο "αναληθή" συμβάντα περιγράφονται οι περιπτώσεις εκείνες κατά τις οποίες τα εικονοστοιχεία που εντοπίζονται από τον αλγόριθμο δεν αντιστοιχούν σε εικονοστοιχεία τα οποία αντιπροσωπεύουν περιοχές εκδήλωσης συμβάντων. Ο έλεγχος και στις δύο περιπτώσεις γίνεται με βάση το κατά πόσον οι συντεταγμένες των εικονοστοιχείων που έχει εντοπίσει ο αλγόριθμος, ταυτίζονται με τις συντεταγμένες των εικονοστοιχείων εκείνων που αντιπροσωπεύουν περιοχές εκδήλωσης συμβάντων. Η Διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη. Στο Πρώτο Μέρος (Κεφάλαιο 2) παρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για την ανάπτυξη της μεθοδολογίας, το δυναμικό των δορυφορικών ανιχνευτών και τα στοιχεία της γλώσσας προγραμματισμού που θα χρησιμοποιηθούν στην υλοποίηση των αλγορίθμων. Το Δεύτερο Μέρος (Κεφάλαια 3 έως 8) περιλαμβάνει την ανάπτυξη της μεθοδολογίας για την επεξεργασία των δεδομένων, την ανάπτυξη των πρότυπων αλγορίθμων για την ανίχνευση των σημείων ανίχνευσης βιομηχανικών ατυχημάτων και την ανίχνευση και παρακολούθηση των λοφίων που προκαλούνται, καθώς επίσης και την υλοποίηση των αλγορίθμων αυτών 8

16 ως αυτόνομες εφαρμογές. Παράλληλα, γίνεται εκτενής αναφορά στις μέχρι τώρα καταγεγραμμένες ερευνητικές προσπάθειες στο αντικείμενο ενδιαφέροντος. Τέλος, παρουσιάζεται ανάλυση της αξιοπιστίας των αλγορίθμων, καθώς και τα τελικά συμπεράσματα από την εκπόνηση της διατριβής. Στο Τρίτο Μέρος (Παραρτήματα Ι, ΙΙ και ΙΙΙ) παρουσιάζεται ο πηγαίος κώδικας σε γλώσσα προγραμματισμού JAVA2, των προγραμμάτων που αναπτύχθηκαν. Τέλος, γίνεται αναφορά στην Ευρωπαϊκή Κοινοτική Πολιτική για την πρόληψη των κινδύνων από βιομηχανικά ατυχήματα και στην καταγραφή των συμβάντων του παρελθόντος. Αναλυτικότερα, η διάρθρωση της παρούσας Διατριβής έχει ως εξής: Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το δυναμικό της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση, παρακολούθηση και ανάλυση τεχνολογικών ατυχημάτων μεγάλης έκτασης, και τα χαρακτηριστικά των δορυφορικών ανιχνευτών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν, με ιδιαίτερη έμφαση στον ανιχνευτή AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) των δορυφόρων NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Γίνεται επίσης εκτενής αναφορά στην αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με τις αέριες χημικές ενώσεις και τα αερολύματα της ατμόσφαιρας και εξετάζεται η επίδραση των νεφών στη διάδοσή της, καθώς και οι μέθοδοι που είναι γνωστές για τον εντοπισμό των νεφών σε μια δορυφορική εικόνα. Με βάση τα παραπάνω, παρουσιάζονται αναλυτικά οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις που είναι απαραίτητες για τις εικόνες NOAA/AVHRR ώστε η πληροφορία που λαμβάνεται από αυτές να είναι αξιόπιστη. Τέλος, παρουσιάζονται οι μέθοδοι της γλώσσας προγραμματισμού JAVA2 που θα χρησιμοποιηθούν στην παρούσα διατριβή και οι τεχνικές επεξεργασίας εικόνας με τη χρήση της συγκεκριμένης γλώσσας, όπως έχουν προσαρμοσθεί στις απαιτήσεις των δορυφορικών εικόνων NOAA/AVHRR. 9

17 Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθείται για την προεπεξεργασία των εικόνων AVHRR. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τις Ραδιομετρικές και Γεωμετρικές διορθώσεις των εικόνων, καθώς και για τη Βαθμονόμησή τους, τον υπολογισμό δηλαδή της θερμοκρασίας λαμπρότητας (brightness temperature) για τα κανάλια του υπέρυθρου και της ανακλαστικότητας (reflectance) για τα κανάλια του ορατού. Τέλος, δίνονται τα αποτελέσματα της προεπεξεργασίας για τις εικόνες που θα χρησιμοποιηθούν στην παρούσα Διατριβή για την ανάπτυξη των αλγορίθμων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η μέθοδος ραδιομετρικής ανίχνευσης και καθορισμού των φασματικών υπογραφών των νεφικών συστημάτων στις καταγραφές του AVHRR και η ανάπτυξη αλγορίθμου για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας αυτής. Ο αλγόριθμος αυτός παίζει ουσιαστικό ρόλο στην τεχνική που θα ακολουθηθεί για τον εντοπισμό μετώπων φωτιάς και λοφίων γιατί η ακρίβεια του εντοπισμού των νεφών σε μία δορυφορική εικόνα συναρτάται με την αξιοπιστία των αλγορίθμων ανίχνευσης μετώπων φωτιάς και λοφίων. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ο πρότυπος αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την ανίχνευση των μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Αρχικά εξετάζονται τα φυσικά χαρακτηριστικά των μετώπων αυτών σε σχέση με την ακτινοβολία που εκπέμπεται, καθώς και οι φασματικές περιοχές που η ακτινοβολία αυτή κατανέμεται κατά την καταγραφή της από το AVHRR. Πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στις μέχρι τώρα καταγεγραμμένες ερευνητικές προσπάθειες και στις μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί για το ραδιομετρικό εντοπισμό μετώπων φωτιάς. Πραγματοποιείται επίσης συστηματική ανάλυση των μεθόδων αυτών καθώς των πηγών σφαλμάτων κάθε μεθόδου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η μεθοδολογία ανάπτυξης του πρότυπου αλγορίθμου για τον εντοπισμό των μετώπων φωτιάς και τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται. Παρατίθενται αναλυτικά τα βήματα του αλγορίθμου και ο τρόπος που αυτός υλοποιείται ως αυτόνομη εφαρμογή με τη χρήση της γλώσσας 10

18 προγραμματισμού JAVA2. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα εφαρμογής του αλγορίθμου σε τέσσερις περιπτώσεις συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων οι οποίες έχουν επιλεγεί και ελέγχεται η αξιοπιστία του. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται ο πρότυπος αλγόριθμος που αναπτύχθηκε για την ανίχνευση των λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Αρχικά εξετάζονται τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των λοφίων αυτών σε σχέση με την ακτινοβολία που εκπέμπεται καθώς και οι φασματικές περιοχές στις οποίες η ακτινοβολία αυτή κατανέμεται κατά την καταγραφή της από το ραδιόμετρο AVHRR. Εξετάζονται επίσης οι μηχανισμοί διασποράς τέτοιων λοφίων τόσο σε ελεγχόμενες συνθήκες στο εργαστήριο, όσο και στην ατμόσφαιρα και η χωρική εξάπλωση την οποία μπορούν να έχουν. Πραγματοποιείται εκτενής αναφορά στις μέχρι τώρα καταγεγραμμένες ερευνητικές προσπάθειες και στις πολυκριτηριακές μεθόδους που έχουν αναπτυχθεί για το ραδιομετρικό εντοπισμό λοφίων. Πραγματοποιείται επίσης, συστηματική ανάλυση των μεθόδων αυτών, καθώς των πηγών σφαλμάτων κάθε μεθόδου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η μεθοδολογία ανάπτυξης του πρότυπου αλγορίθμου για τον εντοπισμό των λοφίων και τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιούνται. Παρατίθενται αναλυτικά τα βήματα του αλγορίθμου και ο τρόπος με τον οποίο υλοποιείται ως αυτόνομη εφαρμογή με τη χρήση της γλώσσας προγραμματισμού JAVA2. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής του αλγορίθμου σε τρεις περιπτώσεις συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων οι οποίες έχουν επιλεγεί και ελέγχεται η αξιοπιστία του. Στο Κεφάλαιο 7 παρουσιάζεται η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε για την απεικόνιση και παρακολούθηση λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα με βάση τις καταγραφές του Μετεωρολογικού δορυφόρου METEOSAT στην ορατή και στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Αναλύονται οι περιορισμοί της μεθόδου και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της εφαρμογής της για την παρακολούθηση της χρονικής εξέλιξης 11

19 της διασποράς ενός λοφίου το οποίο είχε την απαιτούμενη χωρική έκταση ώστε να είναι ανιχνεύσιμο. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζονται συγκεντρωτικά τα συμπεράσματα από την εφαρμογή των πρότυπων αλγορίθμων που αναπτύχθηκαν σε συγκεκριμένες περιπτώσεις συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων, καθώς και η αξιολόγησή τους στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Εκτιμάται η δυνατότητα αντιμετώπισης των αυτόνομων εφαρμογών που αναπτύχθηκαν ως ένα ενιαίο αλληλοσυμπληρούμενο πολυκριτηριακό σύστημα εντοπισμού και παρακολούθησης συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων, καθώς και η επιχειρησιακή αξιοπιστία ενός τέτοιου συστήματος. Στο Παράρτημα Ι παρουσιάζεται και αναλύεται ο πηγαίος κώδικας κάθε κλάσης του προγράμματος JAVA2, της εφαρμογής που αναπτύχθηκε για τον εντοπισμό των μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Στο Παράρτημα ΙΙ παρουσιάζεται και αναλύεται ο πηγαίος κώδικας κάθε κλάσης του προγράμματος JAVA2, της εφαρμογής που αναπτύχθηκε για τον εντοπισμό των λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Τέλος, στο Παράρτημα ΙΙΙ παρουσιάζεται η Ευρωπαϊκή κοινοτική Πολιτική για την πρόληψη των κινδύνων από βιομηχανικά ατυχήματα. Παρατίθενται στοιχεία από την οδηγία Sevezo και περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των βιομηχανικών ατυχημάτων μεγάλης έκτασης, καθώς και τα συστήματα καταγραφής τους σε Ευρωπαϊκό επίπεδο. 12

20 2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ. Α. Δυναμικό της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την ανίχνευση, παρακολούθηση και ανάλυση τεχνολογικών ατυχημάτων μεγάλης έκτασης. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση είναι σε θέση να βοηθήσει στη μελέτη των βιομηχανικών ατυχημάτων συμβάλλοντας: στην ανίχνευση και παρακολούθηση της φωτιάς που εκδηλώνεται, στην ανίχνευση και παρακολούθηση του τοξικού νέφους που προκαλείται, στην καταγραφή των χαρακτηριστικών του φυσικού περιβάλλοντος (π.χ. χρήσεις γης) στην περιοχή ενδιαφέροντος, στον καθορισμό των μετεωρολογικών συνθηκών σε μέση και συνοπτική κλίμακα και της ατμοσφαιρικής ευστάθειας, παραγόντων που παίζουν πρωταρχικό ρόλο στην εξάπλωση του τοξικού νέφους, στην υποστήριξη αριθμητικών μοντέλων (τροφοδότηση με αρχικές και οριακές συνθήκες) προσομοίωσης του τοξικού νέφους τα οποία χρησιμοποιούνται στους μηχανισμούς έκτακτης ανάγκης. Η εκτίμηση του κινδύνου και ο σχεδιασμός των δράσεων έκτακτης ανάγκης, επιβάλλει την εκ των προτέρων γνώση πολλών περιβαλλοντικών παραμέτρων καθώς και τη συνεχή ροή πληροφορίας κατά την εκδήλωση ενός ατυχήματος. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση έχει το δυναμικό να υποστηρίξει σε μεγάλο βαθμό την πλειοψηφία των απαιτήσεων ενός ολοκληρωμένου σχεδιασμού άμεσης ανάγκης όπως φαίνεται στον Πίνακα

21 Πίνακας 2.1. Δυναμικό της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την υποστήριξη ενός ολοκληρωμένου σχεδιασμού άμεσης ανάγκης. Απαιτήσεις σχεδιασμού έκτακτης ανάγκης Καθορισμός των χρήσεων γης Καθορισμός της κάλυψης του εδάφους Απεικόνιση των αστικών περιοχών και των κύριων βιομηχανικών εγκαταστάσεων Απεικόνιση του οδικού δικτύου Ανίχνευση της φωτιάς Προσδιορισμός του τοξικού νέφους (στην περίπτωση που σχηματίζεται) Προσδιορισμός του μεγέθους του τοξικού νέφους Προσδιορισμός της ταχύτητας και της κατεύθυνσης εξάπλωσης του τοξικού νέφους Καθορισμός της χημικής σύστασης του τοξικού νέφους Καθορισμός της οπτικής πυκνότητας του τοξικού νέφους Συνεργασία μεταξύ των εμπλεκομένων φορέων Λήψη αποφάσεων σε σχέση με την εκκένωση κατοικημένων περιοχών Δυναμικό της δορυφορικής τηλεπισκόπησης για την υποστήριξη των απαιτήσεων Υψηλό Υψηλό Υψηλό Υψηλό Υψηλό Υψηλό Υψηλό Υψηλό Μή εφικτό Υψηλό Εμμεση συμβολή μέσω των θεματικών χαρτών που παράγονται Υψηλό Στον Πίνακα 2.2 αποτυπώνονται οι δορυφόροι των οποίων οι παρατηρήσεις είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν, ανάλογα με την περίπτωση, για την υποστήριξη των απαιτήσεων. 14

22 Πίνακας 2.2. Δορυφόροι των οποίων οι παρατηρήσεις είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για την υποστήριξη ενός ολοκληρωμένου σχεδιασμού άμεσης ανάγκης. Απαιτήσεις σχεδιασμού έκτακτης ανάγκης Καθορισμός των χρήσεων γης Καθορισμός της κάλυψης του εδάφους Απεικόνιση των αστικών περιοχών και των κύριων βιομηχανικών εγκαταστάσεων Απεικόνιση του οδικού δικτύου Ανίχνευση της φωτιάς Προσδιορισμός του λοφίου (στην περίπτωση που σχηματίζεται) Προσδιορισμός του μεγέθους του λοφίου Προσδιορισμός της ταχύτητας και της κατεύθυνσης εξάπλωσης του λοφίου Καθορισμός της οπτικής πυκνότητας του λοφίου Λήψη αποφάσεων σε σχέση με την εκκένωση κατοικημένων περιοχών Δορυφόροι LANDSAT, SPOT, IRS, JERS LANDSAT, SPOT, NOAA IRS, JERS LANDSAT, SPOT, IRS, JERS, AEDOS, Quick Bird, Ikonos LANDSAT, SPOT, IRS, JERS, AEDOS, Quick Bird, Ikonos NOAA LANDSAT, SPOT, NOAA, IRS, JERS NOAA, METEOSAT NOAA, METEOSAT LANDSAT, SPOT, IRS, JERS, NOAA LANDSAT, SPOT, NOAA, METEOSAT, IRS, JERS, AEDOS, Quick Bird, Ikonos Τα τελευταία χρόνια έχουν αναφερθεί εφαρμογές της δορυφορικής τεχνολογίας σε περιπτώσεις εκδήλωσης μεγάλης κλίμακας βιομηχανικών ατυχημάτων με δύο κύριες συνιστώσες: α) την απεικόνιση εκτεταμένων περιοχών για την άμεση ανίχνευση πυρκαγιών στην επιφάνεια της γης, και β) την διερεύνηση ολοκληρωθέντων περιστατικών με σκοπό την ακριβέστερη αξιολόγηση της καταστροφής λόγω της φωτιάς και της διάδοσης των επικίνδυνων ουσιών στο περιβάλλον καθώς και την αντικειμενική εκτίμηση των βιογεωφυσικών αποτελεσμάτων του συμβάντος σε τοπική ή περιφερειακή κλίμακα. Στην πρώτη περίπτωση η ανίχνευση από το διάστημα μιας συνεχώς επεκτεινόμενης θερμικής ανωμαλίας στην επιφάνεια της γης αποτελεί πολύ χρήσιμη πληροφορία για την έγκαιρη κινητοποίηση των μηχανισμών για την αντιμετώπιση της φωτιάς όταν αυτή βρίσκεται σε αρχικό στάδιο. Στη δεύτερη περίπτωση, η δορυφορική τεχνολογία 15

23 εφαρμόζεται με σημαντική επιτυχία για την ολοκληρωμένη ανάλυση των παρελθόντων συμβάντων. Η έκταση του μετώπου της φωτιάς, η εξάπλωση του λοφίου του καπνού και των αερολυμάτων που δημιουργούνται στην ατμόσφαιρα και η χαρτογράφηση της καμένης έκτασης είναι τα πιο χρήσιμα στοιχεία που έχει τη δυνατότητα να προσφέρει η δορυφορική τηλεπισκόπηση στη διαχείριση κινδύνου. Β. Δορυφορικοί ανιχνευτές οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση, παρακολούθηση και ανάλυση τεχνολογικών ατυχημάτων μεγάλης έκτασης. Τα αιωρούμενα στην ατμόσφαιρα σωματίδια που συνθέτουν το λοφίο νέφος που έχει σχηματιστεί από κάποιο βιομηχανικό ατύχημα προκαλούν σκέδαση στην μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία και κατά συνέπεια μπορούν να ανιχνευτούν από δορυφορικό δέκτη ο οποίος έχει την κατάλληλη διακριτική ικανότητα. Η επιδεκτικότητα των φασματικών παραθύρων για την παρατήρηση των φυσικών χαρακτηριστικών είναι σημαντικό κριτήριο για την εκτίμηση της χρησιμότητας ενός δορυφορικού ανιχνευτή με δεδομένο αριθμό φασματικών καναλιών για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Ένα φασματικό κανάλι στο μέσο υπέρυθρο επιτρέπει την εκτίμηση των χαρακτηριστικών της φωτιάς. Περισσότερα από ένα φασματικά κανάλια στο υπέρυθρο μπορούν να βοηθήσουν σε ακριβέστερους υπολογισμούς με χρήση πολυφασματικών μεθόδων για το μέγεθος της φωτιάς και τη θερμοκρασία της. Φασματικά κανάλια στο ορατό ή στο θερμικό υπέρυθρο επιτρέπουν την παρακολούθηση του νέφους του καπνού και την εκτίμηση των αποτελεσμάτων της πυρκαγιάς στο περιβάλλον. Σημαντικό ρόλο παίζει επίσης η χωρική διακριτική ικανότητα του δορυφορικού ανιχνευτή, ιδιαίτερα για συμβάντα μικρής έκτασης. Επίσης, σπουδαίο ρόλο για την παρακολούθηση ενός συμβάντος παίζει η περιοδικότητα του δορυφορικού ανιχνευτή. Κατά συνέπεια, για την ανίχνευση και παρακολούθηση ενός συμβάντος σε εξέλιξη, απαιτείται επαναληψιμότητα των 16

24 δορυφορικών παρατηρήσεων σε σχετικά μικρά χρονικά διαστήματα, ενώ για τη λεπτομερή ανάλυση ενός παρελθόντος ατυχήματος είναι αρκετή μια εικόνα που προέρχεται από ανιχνευτή με πολύ καλή χωρική και ραδιομετρική διακριτική ικανότητα. Κανένας από τους δορυφορικούς ανιχνευτές που υπάρχουν σήμερα δεν έχει σχεδιαστεί ειδικά για την ανίχνευση και παρακολούθηση ατυχημάτων, γιατί λόγω της φύσης του φαινομένου, ένας τέτοιος ανιχνευτής θα έπρεπε να έχει την βέλτιστη χωρική, χρονική και φασματική διακριτική ικανότητα και ταυτόχρονα να δίνει δεδομένα σε όσο το δυνατόν μικρότερα χρονικά διαστήματα για την ίδια περιοχή. Για το λόγο αυτό είναι απαραίτητη η συνδυασμένη χρήση δεδομένων από μετεωρολογικούς, περιβαλλοντικούς και πλουτοπαραγωγικούς δορυφόρους τα οποία είναι αλληλοσυμπληρούμενα και ο συνδυασμός τους μπορεί να δώσει την καλύτερη δυνατή πληροφορία για ένα συγκεκριμένο συμβάν, για την κατάσταση του περιβάλλοντος και τις επικρατούσες συνθήκες τη στιγμή της εκδήλωσής του. Στον Πίνακα 2.3 συνοψίζονται τα κύρια χαρακτηριστικά των σύγχρονων δορυφορικών ανιχνευτών οι οποίοι θα μπορούσαν να δώσουν ένα πρακτικά λειτουργικό σύστημα για την ανίχνευση και παρακολούθηση της εξέλιξης ενός ατυχήματος και των επιπτώσεών του. 17

25 Πίνακας 2.3. Κύρια χαρακτηριστικά των σύγχρονων δορυφορικών ανιχνευτών οι οποίοι είναι σε θέση να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση βιομηχανικών ατυχημάτων. ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΗΨΗΣ AVHRR NOAA VIS, NIR, SWIR, TIR MIR METEOSAT VIS TIR WV TM Landsat 4,.5 VIS, NIR, SWIR, TIR ΑΡΙΘΜΟΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΧΩΡΙΚΗ ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ (m) ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ (Km) ΕΠΑΝΑΛΗΨΙΜΟΤΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗΣ φορές/ημέρα (2 δορυφόροι) Όλος ο γήινος δίσκος 0,5 Ώρες Ημέρες MSS Landsat 4.5 VIS, NIR Ημέρες OPS JERS-1 VIS, NIR SWIR AVNIR ADEOS VIS, NIR PAN ETM+ Landsat-7 PAN VIS-NIR SWIR TIR ,3X24, Ημέρες Ημέρες Ημέρες 18

26 ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ LISS-III PAN ΔΟΡΥΦΟΡΟΣ IRS-1C IRS-1D IRS-1C IRS-1D ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΛΗΨΗΣ VIS, NIR SWIR ΑΡΙΘΜΟΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ 3 1 ΧΩΡΙΚΗ ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ (m) ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ (Km) ΕΠΑΝΑΛΗΨΙΜΟΤΗΤΑ ΚΑΛΥΨΗΣ 5 Ημέρες VIS Ημέρες HRV-XS SPOT 1-3 VIS, NIR Ημέρες HRV-P SPOT 1-3 PAN Ημέρες HRV-XI SPOT 4 VIS, NIR SWIR Ημέρες HRV-P SPOT 4 PAN Ημέρες QBP QuickBird PAN Ημέρες (2 δορυφόροι) QBM QuickBird VIS, NIR Ημέρες (2 δορυφόροι) Carterra Ikonos1 PAN VIS/NIR Ημέρα (με τον Ikonos2) ΦΑΣΜΑΤΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ: VIS: Ορατό NIR: Εγγύς Υπέρυθρο SWIR: Μέσο Υπέρυθρο TIR: Θερμικό Υπέρυθρο PAN: Παγχρωματικό WV: Περιοχή απορρόφησης των υδρατμών 19

27 Το πλεονέκτημα των εικόνων των δορυφόρων LANDSAT, SPOT, IRS, JERS, AEDOS, Quick Bird και Ikonos είναι η πολύ καλή χωρική διακριτική ικανότητα όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.3. Όμως οι δορυφόροι αυτοί έχουν χαμηλή επαναληψιμότητα κάλυψης, γεγονός απαγορευτικό για τη συνεχή παρακολούθηση της εξέλιξης ενός ατυχήματος. Όμως οι εικόνες τους αποτελούν πολύ ισχυρό εργαλείο για την εκτίμηση της καταστροφής που έχει προκληθεί από ένα ατύχημα στο φυσικό περιβάλλον, όπως επίσης και για τη μελέτη διαφόρων ατμοσφαιρικών παραμέτρων που συνδέονται με τη διάδοση του λοφίου σε σχέση με την απόστασή του από την πηγή. Επισημαίνεται τέλος, το εξαιρετικά υψηλό κόστος των δεδομένων των δορυφόρων αυτών. Το πλεονέκτημα των γεωστάσιμων μετεωρολογικών δορυφόρων METEOSAT είναι η πολύ καλή επαναληψιμότητα παροχής εικόνων (κάθε 30 λεπτά). Όμως οι εικόνες αυτές έχουν πολύ χαμηλή χωρική διακριτική ικανότητα (2,5 Km στο ορατό και 5 Km στο υπέρυθρο), με συνέπεια η παρακολούθηση ενός φαινομένου να είναι εφικτή με βάση τα δεδομένα των δορυφόρων αυτών μόνο στην περίπτωση που η κλίμακα του φαινομένου αυτού είναι αρκετά μεγάλη. Οι δορυφόροι ΝΟΑΑ (National Oceanic and Atmospheric Administration) είναι δορυφόροι ηλιοσύγχρονης πολικής τροχιάς που έχουν σχεδιαστεί για τη μελέτη των ωκεανών και της ατμόσφαιρας. Ο πρώτος δορυφόρος της σειράς ΝΟΑΑ εκτοξεύτηκε τον Ιούνιο του Οι δορυφόροι που βρίσκονται σήμερα σε λειτουργία είναι οι NOAA-11, ΝΟΑΑ- 12 και NOAA-14. Στην Εικόνα 2.1 φαίνεται μια καλλιτεχνική απεικόνιση της ατράκτου των δορυφόρων ΝΟΑΑ. Εικόνα 2.1. Καλλιτεχνική απεικόνιση της ατράκτου των δορυφόρων ΝΟΑΑ. 20

28 Η λειτουργία της σειράς των δορυφόρων ΝΟΑΑ απαιτεί δύο δορυφόρους σε πλήρη λειτουργία σε πολική και ηλιοσύγχρονη τροχιά μέσου ύψους 850 Km. Το είδος αυτής της τροχιάς έχει επιλεγεί γιατί προσφέρει την πλέον κατάλληλη γεωμετρία για επαναληπτική και προκαθορισμένη κάλυψη περιοχών από δορυφόρους που χρησιμοποιούν το σύστημα πραγματικού χρόνου (real-time) μετάδοσης δεδομένων. Ο πρώτος δορυφόρος είναι σε τροχιά ημέρας (AM) και περνάει από τον ισημερινό με νότια κατεύθυνση και ο δεύτερος είναι απογευματινής τροχιάς (PM) και περνάει από τον ισημερινό με βόρεια κατεύθυνση. Η αποστολή των δορυφόρων ΝΟΑΑ είναι η σφαιρική κάλυψη του περιβάλλοντος της γης ημέρα και νύχτα. Η τροχιακή κλίση είναι σχεδόν πολική στις 99,8 μοίρες. Ο χρόνος για την ολοκλήρωση μιας τροχιάς είναι 102 λεπτά και ο αριθμός των τροχιών την ημέρα είναι 14,1. Αποτέλεσμα του μη ακέραιου αριθμού των ημερήσιων τροχιών είναι και η ασυνεχής κατόπτευση των ίδιων περιοχών σε ημερήσια βάση. Για παράδειγμα έστω ότι η 12η από τις 14,1 τροχιές κατοπτεύει σε μια περιοχή με γεωγραφικές συντεταγμένες 25 μοίρες Βόρεια και 35 μοίρες Ανατολικά. Τότε την επόμενη ημέρα η 12η τροχιά θα κατοπτεύσει περιοχή του ίδιου γεωγραφικού πλάτους αλλά γεωγραφικού μήκους μετατοπισμένου προς τα Δυτικά. Σημειώνεται επίσης, ότι ο τοπικός ηλιακός χρόνος (LST: Local Solar Time) που αντιστοιχεί στο πέρασμα του δορυφόρου παραμένει αμετάβλητος σε σχέση με το γεωγραφικό πλάτος. Η χρονική διακριτική του ικανότητα είναι 6 ώρες όταν δύο δορυφόροι ΝΟΑΑ είναι ταυτόχρονα σε λειτουργία (Καρτάλης,1993). H σειρά των δορυφόρων ΝΟΑΑ μεταφέρει όργανα, μεταξύ των οποίων και το Προηγμένο Ραδιόμετρο Πολύ Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), το οποίο φαίνεται στην Εικόνα 2.2 (Rao et al., 1990) για τον καθορισμό μετεωρολογικών παραμέτρων (θερμοκρασίας, υγρασίας, νεφοκάλυψης κ. α.), τη μελέτη του ενεργειακού ισοζυγίου της γης, τον υπολογισμό της συγκέντρωσης όζοντος και της ηλιακής ακτινοβολίας, και τη λήψη εικόνων επιφάνειας. 21

29 Εικόνα 2.2. Το Προηγμένο Ραδιόμετρο Πολύ Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας AVHRR των δορυφόρων NOAA. Το AVHRR έχει μέγιστη χωρική διακριτική ικανότητα 1,1 Km στο ναδίρ (κέντρο της επιφάνειας κατόπτευσης). Η χωρική διακριτική ικανότητα του οργάνου μειώνεται στα 4 Km στα άκρα της κατοπτευόμενης επιφάνειας. Το εύρος κάλυψής του είναι 2800 Km κατά μήκος της τροχιάς και η άμεση γωνία επόπτευσης είναι 1,3 mrad. Στην Εικόνα 2.3 φαίνονται οι ζώνες σάρωσης του AVHRR για ένα πέρασμα του ζεύγους των δορυφόρων ΝΟΑΑ πάνω από την Ευρώπη. Τα χαρακτηριστικά της τροχιάς είναι τέτοια ώστε διαδοχικές τροχιές να συναντούν τον ισημερινό σε γεωγραφικά μήκη που διαφέρουν μεταξύ 25,3 και 25,52 μοιρών. Κατά συνέπεια δεν υπάρχει κενό κάλυψης, ενώ με την ταυτόχρονη λειτουργία τουλάχιστον δύο δορυφόρων, καθένας από τους οποίους επαναλαμβάνει τροχιά γύρω από τη γη δύο φορές το εικοσιτετράωρο, κάθε σημείο στον ισημερινό έχει την δυνατότητα να απεικονιστεί τέσσερις φορές, ενώ κάθε σημείο στα μέσα γεωγραφικά πλάτη μπορεί να απεικονιστεί οκτώ φορές το εικοσιτετράωρο (Καρτάλης, 1993). 22

30 Εικόνα 2.3. Περιοχές σάρωσης του AVHRR για ένα πέρασμα του ζεύγους των δορυφόρων ΝΟΑΑ πάνω από την Ευρώπη. Υπάρχουν τρεις βασικές μορφές των δεδομένων AVHRR: α) LAC (Local Area Coverage) - δεδομένα που καταγράφονται πάνω στο δορυφόρο με χωρική διακριτική ικανότητα περίπου 1,1 χλμ. β) HRPT (High Resolution Picture Transmission) - απευθείας μετάδοση των δεδομένων AVHRR σε πραγματικό χρόνο με την ίδια διακριτική ικανότητα όπως τα LAC. γ) GAC (Global Area Coverage) - δεδομένα που παράγονται από τα δεδομένα LAC χρησιμοποιώντας μόνο μία απο κάθε τρεις γραμμές σάρωσης. Τα δεδομένα GAC έχουν χωρική διακριτική ικανότητα περίπου 4 χλμ. 23

31 Στην εικόνα 2.4 φαίνονται τα όρια των περιοχών της γήινης επιφάνειας που καλύπτονται από τις HRPT εικόνες των δορυφόρων ΝΟΑΑ που λαμβάνονται στους Ευρωπαϊκούς σταθμούς: Tromso (Νορβηγία), CMS Lannion (Γαλλία), DFVLR Oberpffaffenhofen (Γερμανία) και Maspalomas (Ισπανία). Εικόνα 2.4. Ορια των περιοχών της γήϊνης επιφάνειας που καλύπτονται από τους δορυφόρους ΝΟΑΑ για τις HRPT εικόνες που λαμβάνονται στους Ευρωπαϊκούς σταθμούς. Το AVHRR καταγράφει την ακτινοβολία που φτάνει σε αυτό σε πέντε φασματικές περιοχές (κανάλια): α) κανάλι 1 (0,58-0,68 μm, ορατό), β) κανάλι 2 (0,72-1,10 μm, εγγύς υπέρυθρο), γ) κανάλι 3 (3,55-3,93 μm, μέσο υπέρυθρο), δ) κανάλι 4 (10,5-11,3 μm, θερμικό υπέρυθρο), ε) κανάλι 5 (11,5-12,5 μm, θερμικό υπέρυθρο). 24

32 Το κανάλι 1 αναφέρεται σε μετρήσεις ορατής ανακλώμενης ακτινοβολίας με σκοπό τον προσδιορισμό της λευκαύγειας (albedo) του εδάφους, των χαρακτηριστικών της επιφάνειας που σχετίζονται με χιόνι και πάγο, της βλάστησης και των σχηματισμών νεφών. Χρησιμοποιείται επίσης για την απεικόνιση ιζημάτων σε υδάτινες επιφάνειες. Το κανάλι 2 καλύπτει την φασματική περιοχή στο ορατό και στο πολύ κοντινό υπέρυθρο στην οποία η βλάστηση παρουσιάζει ισχυρή ανάκλαση. Συνεπώς οι περιοχές με βλάστηση εμφανίζονται πολύ φωτεινές ενώ οι περιοχές με υδάτινες επιφάνειες εμφανίζονται σκουρόχρωμες. Έχει τη δυνατότητα να διαπερνά την ατμοσφαιρική αχλύ και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται περισσότερο από το κανάλι 1 για τις ημερήσιες απεικονίσεις. Το γεγονός αυτό το κάνει ιδιαίτερα χρήσιμο για την απεικόνιση λοφίων λόγω της σκέδασης της ηλιακής ακτινοβολίας στα σωματίδιά τους. Χρησιμοποιείται επίσης για την παρακολούθηση νεφών, για τον προσδιορισμό της κατάστασης χιονιού και πάγου. Στην Εικόνα 2.5 φαίνεται το λοφίο που προκλήθηκε από την έκρηξη του ηφαιστείου Klyuchevskoi στην Kamchatka της Ρωσίας στις 30 Σεπτεμβρίου 1994, όπως έχει καταγραφεί στο κανάλι 2 του AVHRR. Το κανάλι 3 καταγράφει ένα μίγμα ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας και εκπεμπόμενης μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας από την επιφάνεια της γης και την ατμόσφαιρα. Χρησιμοποιείται για την ανίχνευση φωτιάς ιδιαίτερα τη νύχτα όταν μόνο η εκπεμπόμενη από την επιφάνεια της γης ακτινοβολία είναι παρούσα στις καταγραφές του. Χρησιμοποιείται επίσης για την απεικόνιση της θερμοκρασίας των νεφών τη νύχτα. Τα κανάλια 4 λαμβάνει μετρήσεις στο θερμικό υπέρυθρο και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών του εδάφους, των χαρακτηριστικών των νεφών και για την εκτίμηση των επιφανειακών θερμοκρασιών ποτάμιων, λιμναίων και ωκεάνιων μαζών και νεφών ηφαιστειακής προέλευσης. 25

33 Το κανάλι 5 λαμβάνει μετρήσεις στο θερμικό υπέρυθρο και έχει εφαρμογές όμοιες με το κανάλι 4. Οι μετρήσεις του είναι πολύ σημαντικές για τον ακριβή προσδιορισμό των επιφανειακών θερμοκρασιών γιατί επιτρέπει την αφαίρεση της συμμετοχής της ακτινοβολίας των ατμοσφαιρικών υδρατμών από τους υπολογισμούς. Ο συνδυασμός των καναλιών 4 και 5 είναι ιδιαίτερα επιτυχής στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας της επιφάνειας της θάλασσας όπου βρίσκει και επιχειρησιακή εφαρμογή. Eικόνα 2.5. AVHRR κανάλι 2, στις 30 Σεπτεμβρίου του Λοφίο που προκλήθηκε από την έκρηξη του ηφαιστείου Klyuchevskoi. 26

34 Με τη σύνθεση των εικόνων που λαμβάνονται από τον δέκτη AVHRR είναι δυνατή η απεικόνιση των χαρακτηριστικών της επιφάνειας ολόκληρου του πλανήτη όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.6. Εικόνα 2.6. Απεικόνιση των χαρακτηριστικών της γήινης επιφάνειας με βάση τις εικόνες του AVHRR. Τα δεδομένα κάθε καναλιού του AVHRR είναι ασπρόμαυρες ψηφιακές απεικονίσεις στις οποίες η τιμή του κάθε εικονοστοιχείου καθορίζεται από λέξεις των 10 bits. Κάθε εικονοστοιχείο δηλαδή μπορεί να έχει 1024 επίπεδα του γκρί (0-1023). Οι διακυμάνσεις στην ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που καταγράφει ο αισθητήρας αντιστοιχούν σε διακυμάνσεις της λαμπρότητας της εικόνας οι οποίες σε μια ασπρόμαυρη εικόνα εκτιμώνται με την βοήθεια της κλίμακας του γκρι. Κάθε διακριτή απόχρωση (επίπεδο του γκρι), από το μαύρο μέχρι το άσπρο, είναι ένας ιδιαίτερος τόνος. Ο τόνος αυτός καθορίζεται από τα φυσικά χαρακτηριστικά των υπό εξέταση αντικειμένων. Για παράδειγμα, σε μια εικόνα που έχει ληφθεί στο θερμικό υπέρυθρο, ο τόνος κάθε αντικειμένου είναι ανάλογος προς την θερμοκρασία του αντικειμένου, ενώ σε μια εικόνα ραντάρ ο τόνος καθορίζεται από την ένταση της εκπεμπόμενης δέσμης, όταν πλέον οπισθοσκεδάζεται προς την πηγή που την εξέπεμψε. 27

35 Σε μία έγχρωμη εικόνα κάθε εικονοστοιχείο συντίθεται με συνδυασμό των τριών βασικών χρωμάτων, κόκκινο (R), πράσινο (G) και μπλε (B) όπου η ένταση του κάθε χρώματος κυμαίνεται από το 0 έως 1023 όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.7. Εικόνα 2.7. Παραδείγματα συνθέσεων των τριών βασικών χρωμάτων. Οι έγχρωμες εικόνες του AVHRR είναι ψευδόχρωμες απεικονίσεις που σχηματίζονται με την αντιστοίχηση ενός συγκεκριμένου καναλιού του σε καθένα από τα τρία βασικά χρώματα (Κόκκινο, Πράσινο, Μπλε: RGB). Οι συνδυασμοί που μπορούν να γίνουν είναι πολλοί, ωστόσο ορισμένοι από αυτούς είναι οι πιο συνηθισμένοι γιατί με την βοήθειά τους είναι δυνατή η εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών για τα χαρακτηριστικά τόσο της γήινης επιφάνειας όσο και των νεφών. Ένας τέτοιος συνδυασμός είναι ο συνδυασμός των καναλιών Δηλαδή στο κόκκινο αντιστοιχείται το κανάλι 1, στο πράσινο το κανάλι 2 και στο μπλε το κανάλι 4. Στην Εικόνα 2.8 φαίνεται ένας τέτοιος συνδυασμός καναλιών, καθώς και ο χρωματισμός που αποκτούν τα διάφορα στοιχεία που απεικονίζονται, ανάλογα με την ένταση της ακτινοβολίας που ανακλούν ή εκπέμπουν, η οποία καταγραφόμενη σε κάποιο από τα φασματικά αυτά κανάλια, ρυθμίζει την τιμή της λαμπρότητας του κάθε εικονοστοιχείου στο κανάλι αυτό. Στην ίδια εικόνα παρουσιάζεται σχηματικά η κατανομή της ανακλαστικότητας με το μήκος κύματος για τρία βασικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας (άμμο, βλάστηση και νερό). Στο διάγραμμα της ίδιας εικόνας παρουσιάζονται επίσης και οι φασματικές ζώνες που καλύπτουν τα δύο πρώτα κανάλια του AVHRR. 28

36 Εικόνα 2.8. Ψευδόχρωμη απεικόνιση (RGB: ) των καναλιών 1,2 και 4 του AVHRR και χρωματισμοί που αποκτούν τα διάφορα στοιχεία της εικόνας με το συγκεκριμένο συνδυασμό καναλιών. Γ. Εξασθένιση της ακτινοβολίας λόγω των αερίων χημικών ενώσεων και των αερολυμάτων της ατμόσφαιρας. Η ακτινοβολία που προέρχεται από την επιφάνεια της γης τροποποιείται καθώς διέρχεται από την ατμόσφαιρα από τα αερολύματα και τα μόρια των αερίων της ατμόσφαιρας. Η ατμοσφαιρική απορρόφηση, σκέδαση και διάθλαση τροποποιούν την ένταση, τη συχνότητα και τη διεύθυνση της ακτινοβολίας, κυρίως στην ορατή και την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Στο ορατό η σκέδαση από τα μόρια των αερίων της ατμόσφαιρας είναι πιο σημαντική από την απορρόφηση και καθορίζει τη φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας. Στο υπέρυθρο η απορρόφηση από τα αέρια της ατμόσφαιρας και τα νέφη είναι πιο σημαντική από τη σκέδαση. 29

37 Απουσία νεφών, αερολυμάτων και βροχόπτωσης ένα μέρος της ακτινοβολίας η οποία διέρχεται από ένα ατμοσφαιρικό στρώμα, υφίσταται απορρόφηση από τα μόρια που υπάρχουν σε αυτό ενώ ένα ποσοστό ενέργειας προστίθεται στην αρχική δέσμη της ακτινοβολίας λόγω της εκπομπής των ίδιων των μορίων. Στην Εικόνα 2.9 (Rao et. al., 1990), φαίνεται η επίδραση του Ο 2 σε τρία διαφορετικά ύψη που αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Τα κύρια ατμοσφαιρικά συστατικά Ο 2 και Ν 2 είναι ομοιόμορφα αναμειγμένα εκτός από περιπτώσεις καύσεων σε μεγάλη χωρική κλίμακα (βιομηχανικά ατυχήματα, δασικές πυρκαγιές κλπ) που μεταβάλλουν σημαντικά το ποσοστό του Ο 2 της ατμόσφαιρας σε τοπική κλίμακα. Τα αέρια της ατμόσφαιρας που απορροφούν περισσότερο την ακτινοβολία είναι οι υδρατμοί το CO 2 και το O 3. Το CO 2 απορροφά ισχυρά σε μια ζώνη γύρω στα 15 μm. Το O 3 είναι ενεργό στην απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας κάτω από τα 0,3 μm και εκπέμπει στο υπέρυθρο σε μια στενή ζώνη με κέντρο τα 9,6 μm (Rao et. al., 1990). Η ακτινοβολία στα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στα κέντρα ισχυρών ζωνών απορρόφησης φτάνει στους αισθητήρες των δορυφόρων μόνο αν εκπέμπεται από την κορυφή της ατμόσφαιρας, ενώ η ακτινοβολία που προέρχεται από χαμηλότερα ύψη, στα ίδια μήκη κύματος υφίσταται πλήρη απορρόφηση. Εικόνα 2.9. Εξασθένιση της ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα λόγω της επίδραση του Ο 2 σε τρία διαφορετικά ύψη. 30

38 Στην Εικόνα 2.10 (Byers, 1974), γίνεται φανερό ότι κύριο ρόλο στη διαμόρφωση του φάσματος στο υπέρυθρο παίζουν οι υδρατμοί, στη συνέχεια το CO 2 με μια ζώνη απορρόφησης μεταξύ 13 και 17 μm. Το παράθυρο διακόπτεται από τη στενή ζώνη απορρόφησης του Ο 3 στα 9,6 μm. Για μήκη κύματος μεγαλύτερα από 24 μm στην περιοχή του υπέρυθρου υπάρχει πλήρης απορρόφηση. Ο συνδυασμός των καμπυλών απορρόφησης του CO 2 και των υδρατμών που στο σημείο τομής τους δίνουν τιμές μεγαλύτερες από 0,5 κάνει φανερό ότι η απορρόφηση είναι σχεδόν πλήρης για μήκη κύματος μεγαλύτερα από 11 μm. Εικόνα Κύριες ζώνες απορρόφησης των συστατικών της ατμόσφαιρας στο υπέρυθρο. Η παρουσία των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα προκαλεί σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας και της ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος που προέρχεται από ανάκλαση στη γήινη επιφάνεια, όμως όταν η συγκέντρωσή τους είναι μικρή, η επίδραση που προκαλούν στη δορυφορική μέτρηση είναι αμελητέα. Οταν υπάρχουν στην ατμόσφαιρα αερολύματα σε μεγάλες συγκεντρώσεις (π.χ. αερολύματα στη στρατόσφαιρα λόγω ηφαιστειακών εκρήξεων), είναι απαραίτητο να γίνουν διορθώσεις στις δορυφορικές παρατηρήσεις στο ορατό και στο υπέρυθρο, ενώ στην περιοχή των μικροκυμάτων δεν υπάρχει επίδραση λόγω των αερολυμάτων (Iqbal, 1983). 31

39 Τα αερολύματα συνίστανται από σωματίδια των οποίων η ακτίνα έχει τυπικό μέγεθος από 0,001 μm ως 1μm, ενώ τα σωματίδια που περιέχονται στα νέφη έχουν ακτίνα από 1 μm ως 100 μm. Λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους τους, τα σωματίδια των νεφών προκαλούν περίπου 100 φορές μεγαλύτερη απορρόφηση ή σκέδαση της ακτινοβολίας από τα σωματίδια των αερολυμάτων. Η απορρόφηση και η σκέδαση της ακτινοβολίας λόγω των αερολυμάτων μειώνονται περισσότερο από τις αντίστοιχες των νεφών όσο αυξάνει το μήκος κύματος, με αποτέλεσμα τα νέφη να αλληλεπιδρούν περίπου ισοδύναμα με την εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία και την εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία, ενώ τα αερολύματα επιδρούν κυρίως στη διάδοση της μικρού μήκους κύματος ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα, και στις δύο περιπτώσεις, η αλληλεπίδραση με την ακτινοβολία εξαρτάται και από πολλούς άλλους παράγοντες όπως η χημική τους σύσταση και η οριζόντια και κατακόρυφη συγκέντρωση των σωματιδίων. Δορυφορικές μετρήσεις της έντασης της ανακλώμενης και σκεδαζόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στο υπεριώδες, στο ορατό καθώς και στο κοντινό υπέρυθρο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό της παρουσίας αερολυμάτων στην τροπόσφαιρα. Οι Griggs (1975) και Carlson και Wendling (1977), έδειξαν, χρησιμοποιώντας ένα θεωρητικό μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας, ότι η κατακόρυφα ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία (στην κατεύθυνση του ναδίρ του δορυφόρου), πάνω από την επιφάνεια του ωκεανού, αυξάνει γραμμικά με την οπτική πυκνότητα των αερολυμάτων, για τιμές της οπτικής πυκνότητας από 0,1 ως 1. Η κλίση της ευθείας αυτής, εξαρτάται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, το ύψος του ήλιου, το μέγεθος και τη διανομή των αερολυμάτων και το δείκτη διάθλασης, και είναι ανεξάρτητη από την κατακόρυφη κατανομή των αερολυμάτων. Στην εικόνα 2.11 φαίνεται η συσχέτιση μεταξύ της μετρούμενης έντασης (στο ναδίρ) και του ποσού των αερολυμάτων για τρία κανάλια του MSS του LANDSAT. Η οπτική 32

40 πυκνότητα των αερολυμάτων έχει εκτιμηθεί με βάση επίγειες μετρήσεις για μήκος κύματος 0,5 μm (Griggs, 1977). Παρόμοια τεχνική μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του AVHRR. Η μέθοδος αυτή περιορίζεται πάνω από επιφάνειες με χαμηλή λευκαύγεια, όπως η επιφάνεια του ωκεανού, γιατί όταν αυξάνει η λευκαύγεια του εδάφους, η ανακλώμενη ακτινοβολία δεν επηρεάζεται τόσο πολύ από την ποσότητα των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα. Μια άλλη σημαντική πηγή σφάλματος είναι τα νέφη που καλύπτουν μερικά το οπτικό πεδίο του οργάνου (Norton et. al., 1980). Εικόνα Συσχέτιση μεταξύ της μετρούμενης έντασης και του ποσού των αερολυμάτων για τρία κανάλια του MSS του LANDSAT. 33

41 Οι μηχανισμοί σκέδασης στην ατμόσφαιρα εξαρτώνται από τη σχέση μεταξύ της διαμέτρου των σωματιδίων σκέδασης και του μήκους κύματος της ακτινοβολίας και είναι τριών ειδών: α) Όταν η διάμετρος των σωματιδίων είναι πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας επικρατεί η σκέδαση Rayleigh. β) Όταν η διάμετρος των σωματιδίων είναι περίπου ίδια με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας επικρατεί η σκέδαση Mie. γ) Όταν η διάμετρος των σωματιδίων είναι πολύ μεγαλύτερη από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας επικρατεί η μη επιλεκτική σκέδαση. Η τελευταία είναι ανεξάρτητη του μήκους κύματος. Για τη φασματική περιοχή του ορατού, το φαινόμενο της σκέδασης παρατηρείται με μόρια αερίων, σωματίδια αερολυμάτων, υδρατμών και σταγονιδίων ύδατος με ακτίνα μm. Η συμπεριφορά της σκέδασης τύπου Rayleigh είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του μήκους κύματος, γεγονός που σημαίνει ότι το φαινόμενο αυτό είναι σημαντικό μόνο για τα μικρά μήκη κύματος ενώ δεν έχει επίδραση στην περιοχή του υπέρυθρου. Αντίθετα οι δορυφορικοί δέκτες οι οποίοι χρησιμοποιούν την υπέρυθρη ακτινοβολία επηρεάζονται σημαντικά από την απορρόφηση της ακτινοβολίας λόγω των αερίων συστατικών της ατμόσφαιρας, ενώ η επίδραση των αερολυμάτων είναι αμελητέα (Σαρρής, 1994). Δ. Επίδραση των νεφών στη διάδοση της ακτινοβολίας. Τα νέφη προκαλούν ισχυρή επίδραση στην ακτινοβολία στην περιοχή του ορατού και του υπέρυθρου. Στο ορατό η ακτινοβολία που ανακλάται από το νέφος και αυτή που το διαπερνά, έχει υποστεί πολλαπλές σκεδάσεις από τα σωματίδια που αποτελούν το νέφος (cloud droplets, ice crystals, drops, rain drops κλπ). Για μια σφαιρική υδροσταγόνα η κατανομή της ενέργειας της ακτινοβολίας που σκεδάζεται από αυτήν περιγράφεται από τη θεωρία του Mie. Η σκεδαζόμενη ενέργεια κατανέμεται 34

42 ανισότροπα με το μεγαλύτερο μέρος της κατά τη διεύθυνση διάδοσης της αρχικής δέσμης της ακτινοβολίας προς τα εμπρός και προς τα πίσω (Iqbal, 1983). Για την πλήρη περιγραφή των φαινομένων που σχετίζονται με τη διέλευση της ακτινοβολίας από ένα νεφικό στρώμα είναι απαραίτητος ο καθορισμός της οπτικής πυκνότητας (τ) του νέφους, η οποία συνδέει την εξασθένιση της ακτινοβολίας με το δρόμο που αυτή διανύει μέσα στο νέφος καθώς και με τα συστατικά του. Στην Εικόνα 2.12 (Rao et. al., 1990), φαίνεται πώς μεταβάλλεται η διαπερατότητα T (Transmissivity), η ανακλαστικότητα R (Reflectivity) και η ικανότητα εκπομπής Ε (Emissivity), με την οπτική πυκνότητα (τ) για 4 διαφορετικά μεγέθη σφαιρικών σταγόνων (r) στην περιοχή του ορατού (λ=3,75 μm). Η Εικόνα 2.13 (Rao et. al., 1990), δείχνει τα ίδια με την Εικόνα 2.12, όμως για την περιοχή του υπέρυθρου (λ=11,14 μm). Από τη σύγκριση των δύο σχημάτων μπορεί να φανεί η ισχυρή ανακλαστικότητα των νεφών στο ορατό και η αυξημένη ικανότητα εκπομπής στο υπέρυθρο με την αύξηση της οπτικής πυκνότητας. Πράγματι τα νέφη στο υπέρυθρο ακτινοβολούν σαν φαιά σώματα στη θερμοκρασία των υδροσταγόνων ή των παγοκρυστάλλων που υπάρχουν στην κορυφή τους. Εικόνα Μεταβολή της διαπερατότητας, της ανακλαστικότητας και της ικανότητας εκπομπής με την οπτική πυκνότητα στο ορατό. 35

43 Εικόνα Μεταβολή της διαπερατότητας, της ανακλαστικότητας και της ικανότητας εκπομπής με την οπτική πυκνότητα στο υπέρυθρο. Ε. Μέθοδοι εντοπισμού των νεφών σε μια δορυφορική εικόνα. I. Μέθοδος κατωφλίου. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή μια δορυφορική εικόνα χωρίζεται σε πολλά τμήματα και εξετάζεται χωριστά κάθε τμήμα. Κάποιο εικονοστοιχείο χαρακτηρίζεται από την ύπαρξη νέφωσης αν η παρατηρούμενη ακτινοβολία που προέρχεται από το στοιχείο αυτό διαφέρει περισσότερο από μια συγκεκριμένη τιμή (κατώφλι), από την παρατηρούμενη ακτινοβολία από το ίδιο στοιχείο χωρίς καθόλου νέφωση. Το ποσοστό νέφωσης δίδεται από το λόγο του αριθμού των στοιχείων της εικόνας με νεφοκάλυψη προς το συνολικό αριθμό των στοιχείων της εικόνας. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ένα μόνο κατώφλι για δορυφορικές εικόνες στο ορατό. Αργότερα διάφορα κατώφλια για τις διάφορες κατηγορίες νεφών όμως πάλι για την ορατή περιοχή του φάσματος. Μετά την ανάπτυξη και τη λειτουργία των υπέρυθρων ανιχνευτών άρχισαν να χρησιμοποιούνται και πολλά κατώφλια στο υπέρυθρο για τον 36

44 προσδιορισμό της νεφοκάλυψης και του ύψους των νεφών. Η χρήση της υπέρυθρης περιοχής του φάσματος έκανε δυνατή την εκτίμηση της νεφοκάλυψης και τη νύχτα με τη μέθοδο αυτή. Στην Εικόνα 2.14 (Stowe et al., 1978), φαίνεται μια εφαρμογή της μεθόδου πολλαπλών κατωφλίων στο ιστόγραμμα της υπέρυθρης εικόνας για εκτίμηση της νεφοκάλυψης με βάση τα δεδομένα του THIR (Temperature - Humidity Infrared Radiometer) του Nimbus - 6 για μια "σκηνή" 160 Km2 (13,75 S, W, 3 Αυγούστου 1975). Η ταξινόμηση γίνεται για τρεις τύπους νεφών και κάθε εικονοστοιχείο απεικονίζει περιοχή 7 Km2. Εικόνα Εφαρμογή της μεθόδου πολλαπλών κατωφλίων στο ιστόγραμμα της υπέρυθρης εικόνας για εκτίμηση της νεφοκάλυψης με βάση τα δεδομένα του THIR. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.14, τα όρια μεταξύ των διαφόρων κατηγοριών δεν είναι σαφώς καθορισμένα με αποτέλεσμα να μειώνεται η ακρίβεια της μεθόδου. Γενικά εφόσον τα νέφη δεν διαιρούνται σε τμήματα τα οποία να έχουν ακριβώς το ίδιο μέγεθος με τα εικονοστοιχεία (τυπικό μέγεθος πλευράς 4 ως 8 Km), οι άκρες τους 37

45 σπάνια συμπίπτουν με τα όρια των εικονοστοιχείων. Σημαντικό μέρος της παγκόσμιας νεφοκάλυψης είναι νέφη με μέγεθος μικρότερο από την χωρική διακριτική ικανότητα των παρατηρήσεων με αποτέλεσμα το σφάλμα της μεθόδου να είναι μεγάλο στην περίπτωση που σημαντικό μέρος των εικονοστοιχείων της εικόνας καλύπτονται μόνο κατά ένα τμήμα τους από νέφη. Εκτεταμένη στατιστική ανάλυση των σφαλμάτων στα πλαίσια του προγράμματος ISCCP (International Cloud Climatology Project), έδειξε σημαντική μείωσή τους όταν οι μέσες τιμές υπολογίζονται για μεγάλα χρονικά διαστήματα (Schiffer and Rossow, 1983). II. Διφασματική μέθοδος. Συνδυασμένη χρήση των παρατηρήσεων στο ορατό και στο υπέρυθρο κατά τη διάρκεια της ημέρας δίνει καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά τον προσδιορισμό της νέφωσης. Οι παρατηρήσεις στην ορατή περιοχή του φάσματος είναι σε θέση να διαχωρίσουν τις διάφορες περιοχές σάρωσης, σε πλήρως καλυπτόμενες από νέφη και σε περιοχές χωρίς καθόλου νεφοκάλυψη. Έχοντας την εκτίμηση της νεφοκάλυψης από τις παρατηρήσεις στο ορατό, οι παρατηρήσεις στο υπέρυθρο για τις ίδιες περιοχές σάρωσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό του ύψους του νέφους και της θερμοκρασίας της κορυφής του. Η δυσκολία που συναντά η εφαρμογή της μεθόδου είναι ότι στα νέφη παρουσιάζεται μεγάλη μεταβλητότητα στην τιμή της λευκαύγειας. Στην Εικόνα 2.15 (Rao et. al., 1990), φαίνεται το διάγραμμα της διασποράς των ψηφιακών τιμών του καναλιού 1 σε σχέση με το κανάλι 5 του AVHRR για δεδομένα που έχουν ληφθεί από τον δορυφόρο NOAA - 7 για μια περιοχή 250 Km 2 στον Ειρηνικό Ωκεανό με χαμηλά νέφη τύπου stratocumulus. Η ένταση της ακτινοβολίας που καταγράφεται από τα τμήματα της περιοχής χωρίς νέφη είναι γύρω στα 100 mw-2sr-1cm, ενώ η ένταση της ακτινοβολίας που προέρχεται από τα στρώματα των νεφών είναι περίπου 82 mw-2sr-1cm. Οι άλλες 38

46 τιμές της έντασης στο διάγραμμα κοντά στην τιμή αυτή, προέρχονται από νέφη που καλύπτουν το οπτικό πεδίο του οργάνου. Κάθε σημείο στο διάγραμμα αναπαριστά τη μέση ένταση της ακτινοβολίας που προέρχεται από τμήμα επιφάνειας 8 Km 2. Εικόνα Διάγραμμα της διασποράς των ψηφιακών τιμών του καναλιού 1 σε σχέση με το κανάλι 5 του AVHRR για μία περιοχή 250 Km 2 με χαμηλά νέφη Η μεγάλη μεταβλητότητα της λευκαύγειας (20 ως 50 %) αυτού του νεφικού συστήματος, μπορεί να αποδοθεί στη μεγάλη μεταβλητότητα του συνολικού ποσοστού του ύδατος και των υδρατμών που περιέχουν τα συγκεκριμένα νέφη κατά πλάτος της περιοχής. Λόγω της μεγάλης μεταβλητότητας της λευκαύγειας, εκτίμηση της νεφοκάλυψης της περιοχής η οποία βασίζεται σε παρατηρήσεις της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας, θα εμπεριέχει μεγάλη αβεβαιότητα. 39

47 Γενικά η συνδυασμένη χρήση και των δύο καναλιών (ορατό και υπέρυθρο), μπορεί να δώσει πληροφορίες για τη δομή του νεφικού συστήματος η οποία δε μπορεί να εξαχθεί από τη χρήση του ενός μόνο καναλιού. Για παράδειγμα στην Εικόνα 2.16 (Rao et al., 1990), φαίνεται ένα διάγραμμα όπως αυτό της Εικόνας 2.15, αλλά για σύστημα δύο νεφικών στρωμάτων. Η ύπαρξη των δύο κλάδων στην Εικόνα 2.16 δηλώνει καθαρά την παρουσία των δύο αυτών νεφικών στρωμάτων. Εικόνα Διάγραμμα της διασποράς των ψηφιακών τιμών του καναλιού 1 σε σχέση με το κανάλι 5 του AVHRR για μία περιοχή 250 Km 2 στην οποία υπάρχει σύστημα δύο νεφικών στρωμάτων. 40

48 IIΙ. Μέθοδος της χωρικής συνοχής (Spatial Coherence). Η μέθοδος αυτή όταν εφαρμόζεται για νέφη που καλύπτουν μερικά το οπτικό πεδίο του οργάνου, θεωρεί ότι ένα δεδομένο νεφικό στρώμα συχνά καλύπτει μια εκτεταμένη περιοχή (200 ως 1000 Km). Χρησιμοποιούνται οι τιμές της έντασης της ακτινοβολίας στην ορατή και στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος που φτάνουν στο δορυφορικό δέκτη από την περιοχή κατόπτευσης όπως φαίνεται στην Εικόνα 2.17 (Rao et. al., 1990), όπου παρουσιάζονται εικόνες του AVHRR στο ορατό και στο υπέρυθρο μιας περιοχής (1000 Km 2 ) στον Ειρηνικό Ωκεανό.. Νεφοσκεπή χαρακτηρίζονται τα τμήματα της περιοχής κατόπτευσης στα οποία η ένταση της μικρού μήκους κύματος ακτινοβολίας παρουσιάζει μικρή μεταβλητότητα και η θερμική εκπομπή κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα. Εικόνα Εικόνες AVHRR στο ορατό και στο υπέρυθρο μιας περιοχής 1000 Km 2. Η εικόνα 2.18 (Rao et. al., 1990) παρουσιάζει την ανάλυση που γίνεται με τη μέθοδο spatial coherence στην υπέρυθρη εικόνα της 2.17 χρησιμοποιώντας τη θερμοκρασία 41

49 λαμπρότητας που εξάγεται από τις δορυφορικές μετρήσεις. Καθένας από τους 16 πίνακες παριστάνει ένα τμήμα 250 Km 2 της συνολικής περιοχής (1000 Km 2 ). Η διάταξη της Εικόνας 2.18 έχει τον ίδιο προσανατολισμό με την υπέρυθρη εικόνα του 5.6. Κάθε σημείο εκφράζει τη μέση τιμή και την τυπική απόκλιση της μετρούμενης έντασης της ακτινοβολίας από περιοχή 8 Km 2 μέσα στο πλαίσιο των 250 Km 2. Εικόνα Ανάλυση με τη μέθοδο spatial coherence στην υπέρυθρη αεικόνιση που παρουσιάζεται στην εικόνα Οι περιοχές των 8 Km 2 που παρουσιάζουν μικρή μεταβλητότητα στη μετρούμενη ένταση βρίσκονται στη βάση των τόξων που σχηματίζονται σε καθέναν από τους πίνακες. Τα σημεία στο αριστερό τμήμα της βάσης (θερμοκρασίες γύρω στους 282 Κ), είναι ενδεικτικά για τις κορυφές του νεφικού συστήματος, ενώ τα σημεία στο δεξιό τμήμα της βάσης (θερμοκρασίες γύρω στους 293 Κ), παριστάνουν τις μη νεφοκαλυμμένες περιοχές του ωκεανού. Τα σημεία που βρίσκονται πάνω στα τόξα 42

50 παριστάνουν περιοχές (8 Km 2 ) με μερική νεφοκάλυψη. Η εκπεμπόμενη ένταση κάτω από συνθήκες μερικής νεφοκάλυψης παρουσιάζει σημαντική χωρική μεταβλητότητα ακόμα και στην κλίμακα των 8 Km 2. Με τη χρήση των δεδομένων από τα κανάλια 3 και 4 του AVHRR, μπορεί να γίνει εκτίμηση της νέφοκάλυψης τη νύχτα (Coakley, 1983). H μέθοδος αυτή δίδει καλά αποτελέσματα όσον αφορά την εκτίμηση της νεφοκάλυψης όταν υπάρχουν αδιαφανή στρωματόμορφα νέφη, ενώ αντίθετα αποτυγχάνει στην περίπτωση που υπάρχουν Cirrus, μετωπικά νέφη ή συστάδες νεφών κατακόρυφης ανάπτυξης. ΣΤ. Ατμοσφαιρικές διορθώσεις για τις εικόνες NOAA/AVHRR. Η ατμοσφαιρική σκέδαση και απορρόφηση επηρεάζουν τα αποτελέσματα της ψηφιακής επεξεργασίας των δορυφορικών εικόνων. Τα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης μεταξύ της ακτινοβολίας και της γήινης ατμόσφαιρας, εμπεριέχουν ορισμένα εξωγενή μη συστηματικά σφάλματα. Οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις αυξάνονται με την αύξηση της διαδρομής που ακολουθεί η ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα και εξαρτώνται από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Γενικά η ατμοσφαιρική σκέδαση αυξάνει τη φωτεινότητα μιας δορυφορικής εικόνας ενώ η ατμοσφαιρική απορρόφηση μειώνει τη φωτεινότητά της. Οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις βασίζονται στο γεγονός ότι η ατμοσφαιρική σκέδαση δεν επηρεάζει σημαντικά το υπέρυθρο φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ενώ το ορατό φάσμα επηρεάζεται σημαντικά απ αυτήν. Για το λόγο αυτό, στο ιστόγραμμα των ψηφιακών τιμών της εικόνας, οι συχνότητες της ορατής ακτινοβολίας εμφανίζουν υψηλότερα ελάχιστα όρια. Αντίθετα η ατμοσφαιρική απορρόφηση μειώνει την φωτεινότητα των υπέρυθρων απεικονίσεων (Jensen, 1986, Σαρρής, 1994). 43

51 Για την εξαγωγή αξιόπιστης πληροφορίας για κάποια επιφανειακή παράμετρο από τα δεδομένα του AVHRR είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η επίδραση της ατμόσφαιρας στην ακτινοβολία που φτάνει στον δορυφορικό δέκτη προερχόμενη από την επιφάνεια της γης. Πολλοί ερευνητές έχουν προτείνει διάφορες μεθόδους ατμοσφαιρικών διορθώσεων για δεδομένα ΝΟΑΑ/AVHRR (Kaufman, 1989, Saunders and Edwards, 1989, Wan and Dozier, 1989, Justice et al., 1991, Holben et al.,1992, Mitchel et al.,1992, Tanre et al.,1992, Kaufman,1993). Πρακτικά η διαδικασία της ατμοσφαιρικής διόρθωσης μιας δορυφορικής εικόνας συνίσταται στην εξαγωγή της ανακλαστικότητας της γήινης επιφάνειας (ρ c ) μέσω της έντασης της ακτινοβολίας (L) που καταγράφεται για την επιφάνεια αυτή από τον δορυφορικό δέκτη. Αρχικά υπολογίζεται η ανακλαστικότητα (ρ) που θα είχε η επιφάνεια αυτή αν βρισκόταν στην κορυφή της ατμόσφαιρας (IGBP-DIS, 1994): όπου, θ Ε s ρ = E είναι η ζενιθία γωνία του ήλιου. είναι η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή της ατμόσφαιαρας. (d o /d) είναι η διακύμανση της απόστασης Γης - Ηλίου. s π L d 2 ( ) 0 d cosθ Χρησιμοποιώντας το μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας που περιγράφεται από τους Tarne et a1. (1990), η ανακλαστικότητα στην κορυφή της ατμόσφαιρας για έναν Lambertian στόχο είναι: όπου, T g Τ s ρ a ρ c ρ =Τ g ( ρ a Tρ a + 1 ρ είναι η μοριακή ατμοσφαιρική διαπερατότητα (Ο 2, Ο 3, CΟ 2, Η 2 Ο). είναι η ολική ατμοσφαιρική διαπερατότητα. είναι η συνολική ατμοσφαιρική λευκαύγεια. είναι η ανακλαστικότητα της ατμόσφαιρας. είναι η ανακλαστικότητα της επιφάνειας. c ) s 44

52 Με χρήση της παραπάνω εξίσωσης είναι δυνατός ο υπολογισμός της ανακλαστικότητας της επιφάνειας (ρ c ) από την (ρ). Οι παράμετροι T g, Τ, s, ρ a οι οποίοι εξαρτώνται από ατμοσφαιρικούς παράγοντες (ποσότητα υδρατμών και αερολυμάτων, πίεση) δεν μπορούν να μετρηθούν άμεσα αλλά συνήθως εκτιμώνται από κλιματικά δεδομένα. Οι Saunders και Edwards (1989) υπολόγισαν την απορρόφηση της ακτινοβολίας από τις διάφορες αέριες χημικές ενώσεις της ατμόσφαιρας για καθένα από τα κανάλια του AVHRR. Στο μοντέλο που χρησιμοποίησαν η ατμόσφαιρα διαιρείται σε 52 ανεξάρτητα στρώματα για κάθε αέρια χημική ένωση. Για καθένα από τα στρώματα αυτά, η διαπερατότητα υπολογίζεται χωριστά και τέλος τα αποτελέσματα αθροίζονται για να προκύψει η συνολική διαπερατότητα της ατμόσφαιρας για κάθε αέρια χημική ένωση. Οι Tanre et a1. (1992) έδειξαν ότι οι επιδράσεις των αμετάβλητων ατμοσφαιρικών συστατικών (απορρόφηση λόγω όζοντος και μοριακή σκέδαση) και οι επιδράσεις των μεταβλητών ατμοσφαιρικών συστατικών (απορρόφηση λόγω υδρατμών και σκέδαση λόγω αερολυμάτων) παίζουν τον πιο σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο της ατμοσφαιρικής επίδρασης για τα κανάλια του AVHRR στα οποία μπορεί να καταγραφεί η ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία. Για το κανάλι 1, η επίδραση της απορρόφησης λόγω όζοντος είναι της τάξης του 5-15%. Η επίδραση της μοριακής σκέδασης είναι για το κανάλι 1 της τάξης του 2-7% εξαρτώμενη από τη ζενίθια γωνία τον ηλίου και από τη γωνία παρατήρησης του δορυφόρου. Οι Tanre et a1. (1992) και Kaufman (1993) έδειξαν ότι οι εικόνες του AVHRR μπορούν να διορθωθούν σχετικά εύκολα όσον αφορά τη μοριακή σκέδαση και την απορρόφηση λόγω όζοντος. Για το κανάλι 2 η επίδραση της απορρόφησης λόγω υδρατμών είναι της τάξης του 10-30% (Tanre et al.,1992). Η μέση διαπερατότητα στο κανάλι αυτό δεν φτάνει σε τιμές κάτω του 90% για τις κατακόρυφες διαδρομές, ωστόσο έχει ισχυρή εξάρτηση από την 45

53 ποσότητα του ατμοσφαιρικού υδρατμού. Επίδραση έχει επίσης η ζώνη απορρόφησης του οξυγόνου στα cm -1. Για τα κανάλια 1 και 2 του AVHRR η δυσκολία στον υπολογισμό της διαπερατότητας υπεισέρχεται κυρίως λόγω της αβεβαιότητας του μεγέθους της σκέδασης λόγω αερολυμάτων η οποία παίζει σημαντικότερο ρόλο από την μοριακή απορρόφηση για τα κανάλια αυτά σε αντίθεση με τα κανάλια 3, 4 και 5. Οι καταγραφές του καναλιού 3 του AVHRR επηρεάζονται από την ηλιακή ακτινοβολία η οποία ανακλάται από την επιφάνεια της γης και την ατμόσφαιρα καθώς και από την ακτινοβολία που εκπέμπεται από πηγές υψηλών θερμοκρασιών της επιφάνειας. Ανάλογα με την ανακλαστικότητα και την θερμοκρασία της επιφάνειας ο ένας ή ο άλλος παράγοντας επικρατεί. Η ακτινοβολία στο κανάλι αυτό υφίσταται ισχυρή απορρόφηση από τις υδροσταγόνες και τους παγοκρυστάλλους της ατμόσφαιρας (Goody, 1964). Οι περισσότεροι τύποι αερολυμάτων έχουν μικρό μέγεθος, γεγονός που κάνει το στρώμα των αερολυμάτων σχεδόν διαφανές στο κανάλι 3. Οι ατμοσφαιρικοί υδρατμοί είναι ο κύριος απορροφητής για το κανάλι αυτό. Για μια υγρή τροπική περιοχή η διαπερατότητα τον καναλιού 3 μπορεί να είναι 78% ενώ για μια ξηρή περιοχή σε μεγάλο γεωγραφικό πλάτος μπορεί να φτάσει το 97%. Στην Εικόνα 2.19 (Saunders and Edwards, 1989) φαίνονται οι κύριοι απορροφητές στο κανάλι 3. Μετά τον ατμοσφαιρικό υδρατμό, το μεθάνιο είναι ο κύριος απορροφητής με μια ζώνη απορρόφησης στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων της φασματικής περιοχής του καναλιού 3. Το υποξείδιο του αζώτου και το άζωτο έχουν επίσης σημαντική επίδραση. Στην Εικόνα 2.20 (Saunders and Edwards, 1989) φαίνονται οι κύριοι απορροφητές στα κανάλια 4 και 5. Η απορρόφηση και η επανεκπομπή της ακτινοβολίας από τον ατμοσφαιρικό υδρατμό κυριαρχεί στην περιοχή αυτή (εκτός από την περίπτωση της ύπαρξης αερολυμάτων σε πολύ ξηρή ατμόσφαιρα). Το διοξείδιο του άνθρακα έχει επίσης κάποιες ζώνες απορρόφησης, ιδιαίτερα στο κανάλι 4 σε αντίθεση με τους υδρατμούς. Άλλα αέρια που παρουσιάζουν σημαντική απορρόφηση στην περιοχή αυτή είναι το νιτρικό οξύ και οι χλωροφθοράνθρακες F11 και F12. Ο F11 επηρεάζει κυρίως το κανάλι 5, ενώ ο F12 επηρεάζει κυρίως το κανάλι 4. 46

54 Εικόνα Μεταβολή της ατμοσφαιρικής διαπερατότητας με τη συχνότητα στην περιοχή συχνοτήτων του καναλιού 3 του AVHRR για μια κατακόρυφη διαδρομή για τυποποιημένη ατμόσφαιρα (U S. Standard Atmosphere). 47

55 Εικόνα Μεταβολή της ατμοσφαιρικής διαπερατότητας με τη συχνότητα στην περιοχή συχνοτήτων των καναλιών 4 και 5 του ΑVHRR για μια κατακόρυφη διαδρομή για τυποποιημένη ατμόσφαιρα (U S. Standard Atmosphere). 48

56 Ζ. Χρήση της γλώσσας προγραμματισμού JAVA2 για επεξεργασία εικόνας. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή. Οι αλγόριθμοι που αναπτύσσονται στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, για την ανίχνευση και την παρακολούθηση συμβάντων βιομηχανικών ατυχημάτων, υλοποιούνται από κώδικα ο οποίος έχει γραφεί σε γλώσσα προγραμματισμού JAVA2, χρησιμοποιώντας την έκδοση του JDΚ (Java Development Toolkit) (Sun, 1998). Το προϊόν αυτό δεν είναι απαραίτητο να αποκτηθεί από το εμπόριο για το λόγο ότι η ανάπτυξη της γλώσσας προγραμματισμού JAVA στηρίζεται στη δωρεάν παροχή του μεταγλωττιστή της (compiler), καθώς και της τεκμηρίωσης των λειτουργιών και των δυνατοτήτων της (documentation). Συνεπώς, οποιοσδήποτε χρήστης επιθυμεί, μπορεί χωρίς κανένα κόστος, να αποκτήσει τη JAVA και ο πιο απλός τρόπος για να γίνει αυτό είναι να την ανακτήσει (download) από την ειδική ιστοσελίδα που έχει αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό από την εταιρία συστημάτων πληροφορικής Sun (http://java.sun.com/). Οι κώδικες byte της JAVA έχουν δημιουργηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι ανεξάρτητοι πλατφόρμας (τύπου δηλαδή και λειτουργικού συστήματος του Η/Υ), προκειμένου να μπορούν να εκτελεστούν σε ένα πολύ μεγάλο φάσμα μηχανών. Οι κώδικες byte όπως φορτώνονται, εκτελούνται από το JVM (JAVA Virual Machine) το οποίο τους μετατρέπει κάθε φορά σε γλώσσα μηχανής, ανάλογα με την πλατφόρμα στην οποία πρόκειται να εκτελεστεί η εφαρμογή. Αυτός είναι και ο λόγος που οι εφαρμογές JAVA μπορούν να εκτελούνται σε οποιοδήποτε Η/Υ. Το JVM υπάρχει σε κάθε σύγχρονο πρόγραμμα ανάγνωσης ιστοσελίδων (π.χ. Netscape, MSExplorer), τα οποία υπάρχουν σε κάθε Η/Υ ή μπορούν να αποκτηθούν χωρίς κανένα κόστος (Sun, 1998). H JAVA2 είναι μία αντικειμενοστραφής γλώσσα προγραμματισμού. O αντικειμενοστραφής προγραμματισμός (Object Oriented Programming) χαρακτηρίζεται από τα "αντικείμενα" (objects) και τις "κλάσεις" (calsses), τα οποία ευνοούν την ανάπτυξη μεγάλων προγραμμάτων. Η JAVA2 παρέχει επίσης ένα πολύ 49

57 μεγάλο αριθμό από βιβλιοθήκες (packages), που είναι προκαθορισμένα πακέτα κλάσεων, οι οποίες μπορούν να ενσωματωθούν σε μία εφαρμογή. Η δημιουργία και η διατήρηση του κώδικα ενός προγράμματος έχει πολλές απαιτήσεις και είναι αρκετά επίπονη. O αντικειμενοστραφής προγραμματισμός μπορεί να διασπάσει σε επιμέρους ενότητες ένα μεγάλο πρόγραμμα, προκειμένου η προετοιμασία του κώδικα να γίνεται πιο άνετα και με μεγαλύτερη ασφάλεια. Ο προγραμματιστής μπορεί να χωρίσει το πρόγραμμα σε διάφορα μέρη, καθένα από τα οποία διαμορφώνεται με τέτοιο τρόπο, ώστε να εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία. Αυτά τα επιμέρους τμήματα του προγράμματος είναι τα αντικείμενα. Τα αντικείμενα είναι πιο δυναμικά από τις απλές συναρτήσεις ή τα σύνολα μεταβλητών, αφού ένα αντικείμενο μπορεί να έχει ενσωματωμένες συναρτήσεις και μεταβλητές. Η κλάση αποτελεί τη γενίκευση ενός αντικειμένου και είναι το πρότυπο δημιουργίας του. Είναι δηλαδή, ένα μέρος του προγράμματος το οποίο λειτουργεί σαν φόρμα για την παραγωγή αντικειμένων. Το αντικείμενο είναι εκείνο που δρα στα δεδομένα, στα σημεία του προγράμματος που ο προγραμματιστής επιθυμεί την επεξεργασία τους. Η ίδια η κλάση δεν κρατά καθόλου δεδομένα, αλλά απλώς περιγράφει πως ένα αντικείμενό της θα πρέπει να έχει διαμορφωθεί, ώστε να επεξεργαστεί αυτά τα δεδομένα. Βασικό χαρακτηριστικό επίσης του αντικειμενοστραφή προγραμματισμού είναι η κληρονομικότητα (inheritance). Με τον τρόπο αυτό μπορεί μια κλάση να παράγεται από μία άλλη κλάση (βασική κλάση) και να κληρονομεί τη δομή και τη λειτουργικότητα της κλάσης από την οποία προέρχεται, αποκτώντας έτσι επιπλέον χαρακτηριστικά (Holzner, 1998). Το σύστημα συντεταγμένων (x, y) που χρησιμοποιείται για τη διαχείριση εικόνων σε ένα πρόγραμμα της JAVA2 διαμορφώνεται με αρχική θέση στην πάνω αριστερή γωνία (0, 0) όπου οι τιμές του άξονα x αυξάνουν οριζοντίως προς τα δεξιά και οι τιμές του άξονα y αυξάνουν κατακόρυφα προς τα κάτω. Ως μονάδα μέτρησης χρησιμοποιείται το εικονοστοιχείο της οθόνης. Το σύνολο των αλγορίθμων που χρησιμοποιεί η JAVA2 για την επεξεργασία εικόνας είναι γνωστό ως μοντέλο "Ιmmediate Μode". Με βάση την τεχνική αυτή, δίνεται η δυνατότητα στον προγραμματιστή, να έχει άμεση πρόσβαση στα εικονοστοιχεία 50

58 εικόνων προκαθορισμένης διαμόρφωσης (format), όπως είναι για παράδειγμα οι εικόνες.jpg και να προχωρήσει στην επεξεργασία τους χρησιμοποιώντας προκαθορισμένα φίλτρα και αλγορίθμους που παρέχονται, ή να αναπτύξει δικούς του αλγορίθμους σε πιο εξειδικευμένες περιπτώσεις. Αν η εικόνα δεν έχει διαμόρφωση που να υποστηρίζεται από τη διαδικασία αυτή, όπως για παράδειγμα συμβαίνει με τις εικόνες NOAA/AVHRR, είναι αναγκαίο, η εικόνα να διαβαστεί ως ψηφιακό αρχείο δεδομένων και έπειτα να δημιουργηθεί δυναμικά στη μνήμη, με βάση τις τιμές των εικονοστοιχείων που διαβάστηκαν. Απαιτείται δηλαδή η ανάπτυξη, κατά περίπτωση, επιπλέον κώδικα για την πρόσβαση τέτοιων ψηφιακών αρχείων εικόνων. Οι αλγόριθμοι του μοντέλου "Ιmmediate Μode" που χρησιμοποιεί η JAVA2 για την επεξεργασία εικόνας μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε 5 ομάδες. Οι ομάδες αυτές παρατίθενται για λόγους δομής στην ενοποιημένη μορφή που δίνονται στην τεκμηρίωση του JDK 1.2.2, χωρίς να γίνεται λεπτομερής ανάλυση της λειτουργίας του κάθε στοιχείου. Η λειτουργία όσων στοιχείων από αυτά χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή, περιγράφεται αναλυτικά στην ανάλυση των αντίστοιχων προγραμμάτων στα Παραρτήματα Ι και ΙΙ. Στους πίνακες παρουσιάζονται αναλυτικά οι αλγόριθμοι αυτοί, τα χαρακτηριστικά τους και ο τρόπος λειτουργίας τους. 51

59 1. Imaging Interfaces. Είναι τα στοιχεία διασύνδεσης και αλληλεπίδρασης των κλάσεων που χρησιμοποιούνται στη διαχείριση των εικόνων με το σύστημα και το λειτουργικό του. Δίνουν επίσης την κατάσταση της εικόνας και τον τρόπο που θα γίνει η επεξεργασία, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.4 όπου παρουσιάζεται κάθε στοιχείο με την περιγραφή της λειτουργίας του. Πίνακας 2.4. Imaging Interfaces. Interface Description BufferedImageOp RasterOp RenderedImage WritableRenderedImage TileObserver Describes single-input/single-output operations performed on BufferedImage objects. Implemented by AffineTransformOp, ColorConvertOp, ConvolveOp, LookupOp, and RescaleOp. Defines single-input/single-output operations performed on Raster objects. Implemented by AffineTransformOp, BandCombineOp, ColorConvertOp, ConvolveOp, LookupOp, and Re scaleop. Defines a common protocol for objects that contain or can produce image data in the form of Rasters. Extends: RenderedImage Defines a common protocol for objects that contain or can produce image data in the form of Rasters which can be modified. Defines a protocol for objects that want to be notified when the modification state of a WritableRenderedImage changes. 52

60 2. Image Data Classes. Όλες οι προκαθορισμένες κλάσεις δεδομένων μιας εικόνας, φαίνονται στον Πίνακα 2.5 όπου παρουσιάζεται κάθε κλάση με την περιγραφή της λειτουργίας της. Πίνακας 2.5. Image Data Classes. Class BufferedImage ByteLookupTable DataBuffer DataBufferByte DataBufferInt DataBufferShort DataBufferUShort Kernel LookupTable Raster ShortLookupTable WritableRaster Description Extends: Image Implements: WriteableRenderedImage An image with an accessible data buffer. A BufferedImage has a ColorModel and a Raster of image data. Extends: LookupTable A LookupTable that contains byte data. Wraps one or more data arrays holding pixel data. Each data array is called a bank. Extends: DataBuffer (Final) A data buffer that stores bytes of data. (Used in Java Advanced Imaging API) Extends: DataBuffer (Final)) A data buffer that stores integer data.(used in Java Advanced Imaging API) Extends: DataBuffer (Final) A data buffer that stores short data.(used in Java Advanced Imaging API) Extends: DataBuffer (Final) A data buffer that stores unsigned short data. A matrix that describes how an input pixel and its surrounding pixels affect the value of an output pixel in a ConvolveOp filtering operation. Extends: Object A table that maps values from single-banded pixel data to color values. A rectangular array of pixels from which you can retrieve image data. A Raster contains a DataBuffer and a SampleModel. Extends: LookupTable A lookup table that contains short data. Extends: Raster A Raster that you can modify. 53

61 3. Image Operation Classes. Όλες οι προκαθορισμένες κλάσεις για το μετασχηματισμό μιας εικόνας, φαίνονται στον Πίνακα 2.6 όπου παρουσιάζεται κάθε κλάση με την περιγραφή της λειτουργίας της. Πίνακας 2.6. Image Operation Classes. Class AffineTransformOp BandCombineOp BufferedImageFilter ColorConvertOp ConvolveOp LookupOp RescaleOp Description Implements: BufferedImageOp, RasterOp A class that defines an affine transform to perform a linear mapping from 2D coordinates in a source Image or Raster to 2D coordinates in the destination image or Raster. This class can perform either bilinear or nearest neighbor affine transform operations. Implements: RasterOp Using a specified matrix, this operation performs an arbitrary linear combination of bands in a Raster. Extends: ImageFilter An ImageFilter that provides a simple means of using a BufferedImageOp (a single-source/single-destination image operator) to filter a BufferedImage or Raster. Implements: BufferedImageOp, RasterOp Performs a pixel-by-pixel color conversion of the data in the source image. Implements: BufferedImageOp, RasterOp Uses a Kernel to perform a convolution on the source image. A convolution is a spatial operation where the pixels surrounding the input pixel are multiplied by a kernel value to generate the value of the output pixel. The Kernel mathematically defines the relationship between the pixels in the immediate neighborhood of the input pixel and the output pixel. Implements: BufferedImageOp, RasterOp Performs a lookup operation from the source to the destination. For Rasters, the lookup operates on sample values. For BufferedImages, the lookup operates on color and alpha components. Implements: BufferedImageOp, RasterOp Performs a pixel-by-pixel rescaling of the data in the source image by multiplying each pixel value by a scale factor and then adding an offset. 54

62 4. Sample Model Classes. Είναι οι προκαθορισμένες κλάσεις για τον τρόπο πρόσβασης στα εικονοστοιχεία μιας εικόνας, καθώς και για τον καθορισμό του τρόπου με τον οποίο μια εικόνα δομείται σε επίπεδο εικοστοιχείου, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.7 όπου παρουσιάζεται κάθε στοιχείο με την περιγραφή της λειτουργίας του. Πίνακας 2.7. Sample Model Classes. Class Description BandedSampleModel ComponentSampleModel MultiPixelPackedSampl emodel PixelInterleavedSampl emodel SampleModel SinglePixelPackedSamp lemodel Extends: ComponentSampleModel (Final) Provides access to image data stored with like samples stored as bands in separate banks of a DataBuffer. A pixel consists of one sample from each band. Extends: SampleModel Provides access to image data stored with each sample of a pixel residing in a separate element of a DataBuffer. Different types of pixel interleaving are supported. Extends: SampleModel Provides access to image data stored with multiple one-sample pixels packed into one element of a DataBuffer. Extends: ComponentSampleModel Provides access to image data stored with the sample data for each pixel in adjacent elements of the data array, and all elements in a single bank of a DataBuffer. An abstract class that defines a mechanism for extracting sample data from an image without knowing how the underlying data is stored in a DataBuffer. Extends: SampleModel Provides access to image data stored with all the samples belonging to an individual pixel packed into one element of a DataBuffer. 55

63 5. Color Model Classes. Είναι οι προκαθορισμένες κλάσεις για τον τρόπο πρoβολής των εικονοστοιχείων μιας εικόνας στην οθόνη και του καθορισμού των χρωματικών συντεταγμένων κάθε εικονοστοιχείου, όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.8 όπου παρουσιάζεται κάθε στοιχείο με την περιγραφή της λειτουργίας του. Πίνακας 2.8. Color Model Classes. Class Description ColorModel ComponentColorModel DirectColorModel IndexColorModel PackedColorModel Implements: Transparency JDK1.1 class. An abstract class that defines methods for translating from image pixel values to color components such as red, green, and blue. Extends: ColorModel A ColorModel that can handle an arbitrary ColorSpace and an array of color components to match the ColorSpace. This class can be used to represent most color models on most types of GraphicsDevices. Extends: PackedColorModel JDK1.1 class. A ColorModel that represents pixel values that have RGB color components embedded directly in the bits of the pixel. This color model is similar to an X11 TrueColor visual. The default RGB ColorModel returned by ColorModel.getRGBdefault is a DirectColorModel. Extends: ColorModel JDK1.1 class. A ColorModel that represents pixel values that are indices into a fixed color map in the srgb ColorSpace. Extends: ColorModel An abstract ColorModel that represents pixel values that have color components embedded directly in the bits of a pixel. DirectColorModel extends PackedColorModel to support pixels that contain RGB color components. 56

64 Η κλάση Buffered Image της JAVA2 δίνει τη δυνατότητα αποθήκευσης μιας εικόνας σε μία περιοχή της μνήμης (buffer). Η εικόνα διαβάζεται από το αντίστοιχο αρχείο που υπάρχει στο σκληρό δίσκο. Έτσι, η εικόνα αποθηκεύεται προσωρινά στη μνήμη σε ένα αντικείμενο της κλάσης Buffered Image και με την τεχνική αυτή, γίνεται η επεξεργασία στο αντικείμενο αυτό και τα τελικά αποτελέσματα αποθηκεύονται, αν αυτό είναι επιθυμητό, σε ένα νεό αρχείο εικόνας στο σκληρό δίσκο. Δηλαδή, μία εικόνα που έχει φορτωθεί στη μνήμη, μπορεί να αντιμετωπιστεί από τη JAVA2 σαν αντικείμενο Buffered Image. Η εικόνα αυτή τοποθετείται στο σύστημα συντεταγμένων της JAVA που έχει προαναφερθεί. Τα δεδομένα (εικονοστοιχεία) που κρατούνται στο αντικείμενο αυτό προβάλλονται στην οθόνη χρησιμοποιώντας αντικείμενα των κλάσεων γραφικών της JAVA2. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται για την προβολή αντικείμενα της κλάσης Graphics 2D του πακέτου JAVA 2D. To JAVA 2D είναι ένα σύνολο κλάσεων για προχωρημένα γραφικά δύο διαστάσεων και εικόνες. Περιλαμβάνει υποστήριξη για γραμμικό σχέδιο, κείμενο και εικόνες. Παρέχει επίσης υποστήριξη για τη σύνθεση εικόνων και εικόνων Alpha καναλιού (στοιχείο που καθορίζει τη διαφάνεια των εικονοστοιχείων), καθώς και ένα σύνολο τελεστών εικόνας σχετικών με την προβολή (Holzner, 1998). Μία εικόνα ως αντικείμενο Buffered Image, όπως παρουσιάζεται σχηματικά στην Εικόνα 2.21, αποτελείται από δύο βασικά στοιχεία: Ένα αντικείμενο της κλάσης Raster και ένα αντικείμενο της κλάσης Color Model, (Sun, 1998). Εικόνα Βασικά στοιχεία ενός αντικειμένου Buffered Image. 57

65 Το αντικείμενο Raster διαχειρίζεται τα δεδομένα που αντιπροσωπεύουν τις ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων. Παρέχει την δυνατότητα αναπαράστασης της εικόνας σε ορθογώνιες συντεταγμένες, καθώς και τους μηχανισμούς με τους οποίους μπορούν να παραχθούν αντίγραφα της εικόνας ή ενός τμήματός της. Παρέχει επίσης, τους μηχανισμούς εκείνους με τη βοήθεια των οποίων ο προγραμματιστής αποκτά άμεση πρόσβαση στα εικονοστοιχεία της εικόνας. Το αντικείμενο Raster συνίσταται από δύο επιμέρους στοιχεία: ένα αντικείμενο της κλάσης Data Buffer και ένα αντικείμενο της κλάσης Sample Model. Το αντικείμενο Data Buffer είναι υπεύθυνο για την αποθήκευση των ψηφιακών τιμών των εικονοστοιχείων στη μνήμη. Η JAVA2 υποστηρίζει δύο τρόπους οργάνωσης των εικονοστοιχείων μιας εικόνας μέσα στο Data Buffer: α) "Banded", β) "Pixel Interleaved". Ακολουθώντας τον πρώτο τρόπο τα δεδομένα αποθηκεύονται χωριστά για κάθε κανάλι (band). Ακολουθώντας το δεύτερο τρόπο, τα δεδομένα από κάθε κανάλι για ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο, αποθηκεύονται μαζί σε γειτονικά bytes, ακολουθούν τα bytes που αντιστοιχούν στο επόμενο εικονοστοιχείο κ.ο.κ.. Το αντικείμενο Sample Model είναι υπεύθυνο για την οργάνωση των τιμών αυτών μέσα στο αντικείμενο Data Buffer, καθώς και για την πρόσβαση σε ένα συγκεκριμένο ειοκονοστοιχείο ή σε μια ομάδα εικονοστοιχείων που αντιπροσωπεύουν μια ορθογώνια περιοχή της εικόνας. Ο τύπος μιας εικόνας καθορίζεται από τον τύπο αποθήκευσης των δεδομένων που αναπαριστούν τις ψηφιακές τιμές των εικοστοιχείων της. Οι τύποι δεδομένων που υποστηρίζονται από τη JAVA2 είναι οι ακόλουθοι (Sun, 1998): TYPE_3BYTE_BGR TYPE_4BYTE_ABGR TYPE_4BYTE_ABGR_PRE TYPE_BYTE_BINARY TYPE_BYTE_GRAY TYPE_BYTE_INDEXED TYPE_CUSTOM TYPE_INT_ARGB_PRE 58

66 TYPE_INT_ARGB TYPE_INT_BGR TYPE_INT_RGB TYPE_USHORT_555_RGB TYPE_USHORT_565_RGB TYPE_INT_GRAY Για την υποστήριξη όλων των παραπάνω τύπων έχουν δημιουργηθεί 4 πιο εξειδικευμένες κλάσεις οι οποίες κληρονομούν τα χαρακτηριστικά της κλάσης Data Buffer όπως έχει περιγραφεί. Οι κλάσεις αυτές είναι (Sun, 1998): Data Buffer Byte (για τιμές εικονοστοιχείων 8 bit). Data Buffer Int (για τιμές εικονοστοιχείων 32 bit). Data Buffer Short (για τιμές εικονοστοιχείων 16 bit). Data Buffer Ushort (για τιμές εικονοστοιχείων 16 bit χωρίς bit προσήμου). Η τελευταία εξειδικευμένη κλάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση των δεδομένων ενός καναλιού AVHRR σε ένα αντικείμενο Data Buffer. Εφόσον η πρόσβαση στα δεδομένα της εικόνας πραγματοποιείται σε επίπεδο byte, λαμβάνοντας υπόψη ότι για κάθε κανάλι του AVHRR ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο έχει ψηφιακή τιμή η οποία απαιτεί 10 bits (1024 επίπεδα γκρι) για την αναπαράστασή της, είναι προφανές ότι για κάθε εικονοστοιχείο χρησιμοποιούνται 2 bytes. Επομένως, η εικόνα ενός καναλιού AVHRR θα αναγνωρίζεται από τη JAVA2 ως εικόνα τύπου 16 bit, στην οποία όμως μόνο τα 10 πρώτα bits χρησιμοποιούνται, διότι οι ψηφιακές τιμές έχουν άνω φράγμα το Συνεπώς, οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων μιας τέτοιας εικόνας θα τηρούνται στη μνήμη του Η/Υ είτε μέσω ενός αντικειμένου της κλάσης Data Buffered Ushort, είτε μέσω ενός αντικειμένου της κλάσης Data Buffered Int η οποία είναι υπερσύνολο της προηγούμενης. 59

67 Τα αντικείμενα Data Buffer που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή έχουν παραμέτρους: α) το όνομα του μονοδιάστατου πίνακα που έχει τα δεδομένα της εικόνας (ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων), β) το εύρος του πίνακα αυτού. Κάθε φορά καλείται ένα αντικείμενο Data Buffer ανάλογα με την εικόνα που έχει διαβαστεί. Για παράδειγμα για το κανάλι 1 καλείται το αντικείμενο ch1db με τον εξής τρόπο. ch1db = new DataBufferInt(ch1array, ch1array.length) Τα αντικείμενα Sample Model που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή προέρχονται από την κλάση Component Sample Model και έχουν παραμέτρους: α) τη μεταβλητή DataBuffer.TYPE_USHORT που εκφράζει τον τύπο των δεδομένων (ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων), β) τη μεταβλητή W που εκφράζει τον αριθμό των στηλών της εικόνας, γ) τη μεταβλητή Η εκφράζει τον αριθμό των γραμμών της εικόνας, δ) την τιμή 1 που εκφράζει ότι οι ψηφιακές τιμές κάθε εικονοστοιχείου αποθηκεύονται χωριστά σε κάθε κανάλι (αν η εικόνα έχει πολλά κανάλια), ε) τη μεταβλητή bandoffsets που εκφράζει την αρχή των τιμών του συγκεκριμένου καναλιού αν η εικόνα έχει πολλά κανάλια. Κάθε φορά καλείται ένα αντικείμενο Sample Model το neksample με τον εξής τρόπο. neksample = new ComponentSampleModel(DataBuffer.TYPE_USHORT, W, Η, 1, W, bandoffsets) Στην ειδική περίπτωση της εφαρμογής που έχει δημιουργηθεί για την απεικόνιση των πλουμίων, λόγω του ότι η εικόνα που τελικά παράγεται είναι μία ψευδόχρωμη RGB εικόνα με 3 κανάλια (bands), απαιτείται η δημιουργία ενός διαφορετικού αντικειμένου της κλάσης Sample Model για την εικόνα αυτή. Το αντικείμενο αυτό δημιουργείται με τον εξής τρόπο: neksample2 = new ComponentSampleModel(DataBuffer.TYPE_USHORT, W, Η, 1, W, bandoffsets2) 60

68 Ο πίνακας bandoffsets2 περιέχει την θέση την αρχικής ψηφιακής τιμής κάθε καναλιού μέσα στο αντικείμενο Data Buffer. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο πίνακας αυτός είναι: int bandoffsets2[] = {0, W*H, 2*W*H Τα αντικείμενα Raster που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή προέρχονται από την κλάση Writable Raster και έχουν παραμέτρους: α) το neksample αντικείμενο της κλάσης Sample Model, β) ένα αντικείμενο της κλάσης Databuffer ανάλογα με την εικόνα που θα προβληθεί, γ) το αντικείμενο nekpoint της κλάσης Point που δημιουργείται με τις συντεταγμένες x=0 και y=0 για να οριστεί η αρχή προβολής της εικόνας (πάνω αριστερή γωνία) στο σύστημα ορθογωνίων συντεταγμένων της JAVA2. Η ψηφιακή τιμή DN του i στοιχείου του Data Buffer (DN(i)) αποδίδεται στο εικονοστοιχείο με συντεταγμένες (x, y) του Raster με τη βοήθεια της φόρμουλας: DN(i) = DN( y * W + x) όπου W είναι ο αριθμός των στηλών της εικόνας. Κάθε φορά καλείται ένα αντικείμενο Raster ανάλογα με την εικόνα που έχει διαβαστεί. Για παράδειγμα για το κανάλι 1 καλείται το αντικείμενο ch1raster με τον εξής τρόπο. ch1raster = Raster.createWritableRaster(neksample, ch1db, nekpoint) Στην περίπτωση της ψευδόχρωμης εικόνας που αναφέρθηκε προηγουμένως, αν θεωρηθεί ότι αυτή βρίσκεται στο αντικείμενο bimabe της κλάσης Bufferd Image, χρησιμοποιείται το αντικείμενο neksample2, επομένως στην περίπτωση αυτή το αντικείμενο bimageraster δημιουργείται με τον εξής τρόπο bimageraster = Raster.createWritableRaster(neksample2, bimagedb, nekpoint) 61

69 Το αντικείμενο Cοlor Model είναι υπεύθυνο για την προβολή κάθε εικονοστοιχείου στην οθόνη, αποδίδοντάς του μία συγκεκριμένη τιμή από το χώρο των χρωματικών συντεταγμένων που εμπεριέχει. Η τιμή αυτή είναι συνάρτηση της ψηφιακής τιμής του συγκεκριμένου εικονοστοιχείου που ανακτάται από το Data Buffer μέσω του αντικειμένου Sample Model. Η διαδικασία αυτή φαίνεται παραστατικά στην Εικόνα 2.22 (Pantham, 2000). Εικόνα Μηχανισμός προβολής ενός εικονοστοιχείου στην οθόνη. Ο χώρος των χρωματικών συντεταγμένων που εμπεριέχεται στο αντικείμενο Color Model, είναι απλά ένα αντικείμενο της κλάσης Color Space η οποία παρέχει προκαθορισμένα αντικείμενα σε κάθε τύπο εικόνας. Ο χώρος των χρωματικών συντεταγμένων, είναι ένας χώρος αριθμού διαστάσεων που καθορίζεται από τον αριθμό των βασικών χρωμάτων που χρησιμοποιούνται σαν συνιστώσες για την υλοποίησή του. Κάθε άλλο χρώμα προκύπτει λαμβάνοντας μία τιμή μέσα στο χώρο αυτό η οποία είναι αποτέλεσμα της σύνθεσης των βασικών χρωμάτων του χώρου σε συγκεκριμένη αναλογία. Για παράδειγμα με χρήση των κόκκινου, πράσινου και μπλέ ως βασικά χρώματα, παράγεται ο γνωστός τρισδιάστατος RGB χώρος. Στο χώρο αυτόν κάθε ένα από τα βασικά χρώματα αναπαριστάται με 1 byte, επομένως μπορεί να πάρει 2 8 = 256 τιμές (αποχρώσεις). Συνεπώς στο χώρο αυτόν μπορούν να υλοποιηθούν 3*2 8 = 2 24 = διαφορετικά χρώματα. Οι προκαθορισμένοι χώροι χρωματικών συντεταγμένων που υποστηρίζονται από τη JAVA2, ανάλογα με τον 62

70 αριθμό και τον τύπο των βασικών χρωμάτων που χρησιμοποιούνται, είναι οι ακόλουθοι (Sun, 1998): TYPE_XYZ TYPE_Lab TYPE_Luv TYPE_YCbCr TYPE_Yxy TYPE_RGB TYPE_GRAY TYPE_HSV TYPE_HLS TYPE_CMYK TYPE_CMY TYPE_2CLR TYPE_3CLR TYPE_4CLR TYPE_5CLR TYPE_6CLR TYPE_7CLR TYPE_8CLR TYPE_9CLR TYPE_ACLR TYPE_BCLR TYPE_CCLR TYPE_DCLR TYPE_ECLR TYPE_FCLR CS_sRGB CS_LINEAR_RGB CS_CIEXYZ CS_PYCC CS_GRAY CS_GRAY Ο χώρος χρωματικών συντεταγμένων που χρησιμοποιείται στην παρούσα διατριβή είναι ο CS_GRAY από τον οποίο κάθε φορά καλείται ένα αντικείμενο cs με τον εξής τρόπο: cs = ColorSpace.getInstance(ColorSpace.CS_GRAY) 63

71 Στην ειδική περίπτωση της εφαρμογής που έχει δημιουργηθεί για την απεικόνιση των λοφίων, λόγω του ότι η εικόνα που τελικά παράγεται είναι μία ψευδόχρωμη RGB εικόνα, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ένας χώρος χρωματικών συντεταγμένων τριών διαστάσεων. Έτσι χρησιμοποιείται ο χώρος ο CS_sRGB του οποίου καλείται ένα αντικείμενο cs2 με τον εξής τρόπο: cs2 = ColorSpace.getInstance(ColorSpace.CS_sRGB) Τα αντικείμενα Color Model που χρησιμοποιούνται στην παρούσα διατριβή προέρχονται από την κλάση Component Color Model με παραμέτρους: α) το αντικείμενο cs, β) το αντικείμενο bits που ορίζεται κάθε φορά σαν πίνακας και δείχνει τον αριθμό των bits που θα θεωρηθούν σημαντικά από το Color Model για την προβολή (στην περίπτωση του AVHHR ο αριθμός των bits είναι 10), γ) η boolean τιμή false για να δείξει ότι δεν υπάρχει Alpha κανάλι στην εικόνα (δηλαδή ότι όλα τα εικονοστοιχεία της είναι αδιαφανή), δ) η boolean τιμή false για να δείξει ότι δεν έχει συνυπολογιστεί στην ψηφιακή τιμή των εικονοστοιχείων η διάσταση του Alpha καναλιού), ε) ο αριθμός 1 που εκφράζει ότι οι ψηφιακές τιμές κάθε εικονοστοιχείου αποθηκεύονται χωριστά σε κάθε κανάλι (αν η εικόνα έχει πολλά κανάλια), στ) η μεταβλητή DataBuffer.TYPE_USHORT για να δηλώσει τον τύπο των δεδομένων που υπάρχουν στο αρχείο της εικόνας. Κάθε φορά καλείται ένα αντικείμενο Color Model το nekcolormodel με τον εξής τρόπο. nekcolormodel = new ComponentColorModel(cs, bits, false, false, 1, DataBuffer.TYPE_USHORT) Στην περίπτωση της ψευδόχρωμης εικόνας που αναφέρθηκε προηγουμένως, χρησιμοποιείται ένα αντικείμενο της ίδιας κλάσης, το nekcolormodel2 με διαφορετικές παραμέτρους στις δύο πρώτες θέσεις. Επομένως στην περίπτωση αυτή το αντικείμενο nekcolormodel καλείται με τον εξής τρόπο: nekcolormodel2 = new ComponentColorModel(cs2, bits2, false, false, 1, DataBuffer.TYPE_USHORT) 64

72 όπου cs2 είναι το αντικείμενο της κλάσης του τρισδιάστατου χώρου χρωματικών συντεταγμένων που έχει αναφερθεί πιο πάνω και ο πίνακας bits2 στην περίπτωση αυτή παίρνει τις τιμές: int bits2[] = {9, 10, 10 Οι τιμές αυτές σημαίνουν ότι κατά την προβολή της εικόνας τα σημαντικά bits για το κανάλι 1 της εικόνας (κόκκινο) θα είναι 9 και όχι 10 όπως στα άλλα δύο κανάλια. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα οι ψηφιακές τιμές του καναλιού αυτού να έχουν μικρότερο εύρος με συνέπεια να μην τονίζονται εικονοστοιχεία στα οποία το κανάλι αυτό δεν έχει υψηλές ψηφιακές τιμές. Η τεχνική αυτή είναι στην ουσία μία γραμμική ενίσχυση που προκαλεί το ίδιο το αντικείμενο nekcolormodel2 μόνο στο κανάλι του κόκκινου, και έχει σκοπό, όπως αποτυπώνεται στο παράρτημα ΙΙΙ.ΙΣΤ, τη μεγιστοποίηση της αντίθεσης μεταξύ εικονοστοιχείων που αντιπροσωπεύουν ένα λοφίο και εικονοστοιχείων του περιβάλλοντος. Το αντικείμενο Buffered Image που χρησιμοποιείται στην παρούσα διατριβή έχει παραμέτρους: α) το αντικείμενο nekcolormodel, β) ένα αντικείμενο της κλάσης Raster ανάλογα με την εικόνα, γ) η boolean τιμή true για να δείξει ότι δεν υπάρχει Alpha κανάλι στην εικόνα (δηλαδή ότι όλα τα εικονοστοιχεία της είναι αδιαφανή), δ) η παράμετρος null για να δείξει ότι δεν υπάρχουν άλλες ιδιότητες της εικόνας που πρέπει να ληφθούν υπόψη. Κάθε φορά καλείται ένα αντικείμενο Buffered Image ανάλογα με την εικόνα που έχει διαβαστεί. Για παράδειγμα για το αντικείμενο bimage καλείται με τον εξής τρόπο. bimage = new BufferedImage(nekcolormodel, bimageraster, true, null) Ο προγραμματιστής έχει τη δυνατότητα να πραγματοποιήσει απ' ευθείας μετασχηματισμούς σε ένα αντικείμενο Bufferd Image ή να χρησιμοποιήσει προκαθορισμένα φίλτρα ή να δημιουργήσει φίλτρα ανάλογα με τις ανάγκες του καλώντας τα αντικείμενα της κλάσης Buffered Image Op. Ένας τέτοιος χρήσιμος μετασχηματισμός είναι η δράση ενός πίνακα αντιστοίχησης (Lookup Table). Για την 65

73 υλοποίηση ενός τέτοιου μετασχηματισμού πρέπει να υπάρχει ένας πίνακας αντιστοίχησης μεταξύ των ψηφιακών τιμών που έχουν των εικονοστοιχείων μιας εικόνας και των ψηφιακών τιμών που είναι επιθυμητό να έχουν μετά το μετασχηματισμό. Δηλαδή, ένας τέτοιος πίνακας έχει δύο στήλες. Στην πρώτη στήλη απεικονίζεται το εύρος των ψηφιακών τιμών που έχουν τα εικονοστοιχεία. Στη δεύτερη στήλη απεικονίζονται οι τιμές που θα αποκτήσουν τα εικονοστοιχεία μετά το μετασχηματισμό. Μεταξύ των δύο στηλών υπάρχει ένα προς ένα αντιστοιχία η οποία υλοποιείται για τις τιμές που καταλαμβάνουν την ίδια γραμμή του πίνακα. Για την πραγματοποίηση ενός τέτοιου μετασχηματισμού χρησιμοποιούνται αντικείμενα της κλάσης Look Up Table σε συνδυασμό με αντικείμενα της κλάσης Buffered Image Op. Ο μηχανισμός του μετασχηματισμού αυτού παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.23 (Pantham, 2000). Αρχικά, για κάθε εικονοστοιχείο, διαβάζεται η ψηφιακή του τιμή, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται σαν δείκτης στον πίνακα αντιστοίχησης για τον προσδιορισμό της νέας τιμής μέσω της ένα προς ένα αντιστοιχίας. Η νέα τιμή που προκύπτει από τον πίνακα, αποδίδεται στο εικονοστοιχείο μιας νέας εικόνας, ίδιων διαστάσεων με την αρχική και στη θέση (x, y) που καταλάμβανε το εικονοστοιχείο της αρχικής εικόνας, του οποίου η ψηφιακή τιμή χρησιμοποιήθηκε ως δείκτης στον πίνακα του μετασχηματισμού. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για όλα τα εικονοστοιχεία της αρχικής εικόνας και τελικά προκύπτει μια νέα εικόνα η οποία είναι και αυτή αντικείμενο της κλάσης Buffered Image. 66

74 Εικόνα Μηχανισμός ενός μετασχηματισμού με πίνακα αντιστοίχησης (Lookup Table), Ο λόγος για τη λεπτομερή αναφορά που έγινε επιλεκτικά στον παραπάνω μετασχηματισμό, είναι ότι αυτός χρησιμοποιείται στα πλαίσια της παρούσας εργασίας για τη βαθμονόμηση εικόνων των φασματικών καναλιών του AVHRR. Στην πράξη, για τη βαθμονόμηση, χρησιμοποιείται ένας πίνακας αντιστοίχησης, στην πρώτη στήλη του οποίου υπάρχουν οι ψηφιακές τιμές που μπορεί να έχει ένα εικονοστοιχείο ενός καναλιού του AVHRR με εύρος των τιμών είναι από 0 έως Συνεπώς, ένας τέτοιος πίνακας έχει 1024 γραμμές και δύο στήλες. Στη δεύτερη στήλη υπάρχουν οι τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας (αν πρόκειται για τα κανάλια 3, 4 ή 5) ή ανακλαστικότητας (αν πρόκειται για τα κανάλια 1 ή 2) οι οποίες αντιστοιχούν σε κάθε μία από της ψηφιακές τιμές της πρώτης στήλης του πίνακα. Οι τιμές της δεύτερης στήλης έχουν προκύψει από τις εξισώσεις βαθμονόμησης οι οποίες θα παρουσιαστούν αναλυτικά σε επόμενο κεφάλαιο. Οι πίνακες αυτοί είναι διαφορετικοί για κάθε δορυφόρο ΝΟΑΑ. 67

75 3. ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΝΟΑΑ/AVHRR. Α. Γενικές απαιτήσεις. Λόγω της ιδιομορφίας της γήινης επιφάνειας, των παραμέτρων - μετασχηματισμών που επηρεάζουν τη μετάδοσης της ακτινοβολίας και των τεχνικών προδιαγραφών των δεκτών ακτινοβολίας και των αντίστοιχων δορυφορικών συστημάτων υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί που επηρεάζουν την ακρίβεια και την πιστότητα της δορυφορικής εικόνας. Σκοπός της προεπεξεργασίας εικόνας είναι να διορθωθούν τα σφάλματα τα οποία προέρχονται από εξωγενείς παράγοντες ή από τον ίδιο τον δέκτη ακτινοβολίας. Ο δέκτης ακτινοβολίας είναι υπεύθυνος για συστηματικά και σταθερά σφάλματα τα οποία υπολογίζονται με τη σωστή ρύθμιση του δέκτη πρiν ή κατά τη διάρκεια της πτήσης. Τα εξωγενή σφάλματα προέρχονται από την μεταβολή της κίνησης του δορυφόρου και από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των στόχων. Τα σφάλματα αυτά διορθώνονται συσχετίζοντας σημεία της επιφάνειας του εδάφους με τις δορυφορικές εικόνες κατά τη διαδικασία της γεωμετρικής διόρθωσης (Σαρρής, 1994). Τα δεδομένα του AVHRR, στα οποία εφαρμόζονται οι αλγόριθμοι που έχουν αναπτυχθεί είτε για την ανίχνευση της φωτιάς είτε για την ανίχνευση και παρακολούθηση των λοφίων τα οποία προκαλούνται, είναι απαραίτητο να έχουν υποστεί αρχικά μια προεπεξεργασία στην πλειοψηφία των περιπτώσεων. Ωστόσο έχουν γίνει κάποιες εργασίες (π.χ. Pereira and Setzer, 1993α) στις οποίες συγκεκριμένοι αλγόριθμοι χρησιμοποιούν απ ευθείας τις ψηφιακές τιμές των ανεπεξέργαστων δεδομένων (raw data). Η προεπεξεργασία των δεδομένων AVHRR περιλαμβάνει και τις απαραίτητες διορθώσεις για τη μετατροπή των ψηφιακών τιμών που αντιστοιχούν στην ακτινοβολία που έχει καταγράψει ο δέκτης σε τιμές θερμοκρασία λαμπρότητας για τα κανάλια του υπέρυθρου και σε τιμές 68

76 ανακλαστικότητας για τα κανάλια του ορατού. Ο εντοπισμός και η απεικόνιση των νεφών είναι επίσης ένα πολύ σημαντικό βήμα, ιδιαίτερα δε στην περίπτωση κατά την οποία κάποια εικονοστοιχεία καλύπτονται μερικώς από νέφη. Οι απαραίτητες γεωμετρικές και ατμοσφαιρικές διορθώσεις συμπληρώνουν την διαδικασία της προεπεξεργασίας των δεδομένων. Παρόλο που τα βήματα της διαδικασίας αυτής είναι καθορισμένα, δεν υπάρχει γενικά αποδεκτή μέθοδος η οποία να αποδίδει συγκεκριμένο συντελεστή βαρύτητας σε καθένα από αυτά ανάλογα με τη σπουδαιότητά του ή να καθορίζει τη σειρά με την οποία τα βήματα αυτά θα εκτελούνται. Ιδιαίτερα στην περίπτωση ανίχνευσης θερμικών ανωμαλιών, το πόσο σημαντικό μπορεί να είναι ένα συγκεκριμένο βήμα της προεπεξεργασίας των δεδομένων εξαρτάται αποκλειστικά από τον αλγόριθμο που τελικά χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα κάποιοι αλγόριθμοι προαπαιτούν να έχει γίνει ατμοσφαιρική διόρθωση πριν χρησιμοποιηθούν, ενώ αντίθετα κάποιοι άλλοι δίνουν εσφαλμένα αποτελέσματα στην περίπτωση που έχει προηγηθεί η συγκεκριμένη προεπεξεργασία. Αλλοι αλγόριθμοι έχουν ενσωματωμένη την διαδικασία εντοπισμού και απεικόνισης των νεφών με συνέπεια να μην απαιτούν προεπεξεργασία των δεδομένων για το σκοπό αυτό (IGBP-DIS,1994). Β. Ραδιομετρικές και Γεωμετρικές διορθώσεις των εικόνων ΝΟΑΑ/AVHRR. Η εμπρόσθια κίνηση του δορυφόρου, η αλλαγή της ταχύτητας σάρωσης του δέκτη ακτινοβολίας, η αλλαγή της ταχύτητας και η παρέκκλιση της τροχιάς του δορυφόρου, η κίνηση της γης και η καμπυλότητα της γήινης επιφάνειας είναι μερικοί από τους λόγους στους οποίους οφείλονται οι περισσότερες συστηματικές γεωμετρικές παραμορφώσεις μιας δορυφορικής εικόνας. Μη συστηματικά σφάλματα οφείλονται στην αλλαγή του ύψους της τροχιάς του δορυφόρου (αλλαγή κλίμακας της δορυφορικής εικόνας), καθώς και στην αλλαγή της διεύθυνσης του άξονα του δέκτη ακτινοβολίας (Jensen, 1986, Σαρρής, 1994). 69

77 Οι γεωμετρικές διορθώσεις γίνονται με τη χαρτογραφική προβολή των δεδομένων ή χρησιμοποιώντας τα στοιχεία της τροχιάς του δορυφόρου, τα δεδομένα δηλαδή εφημερίδας δορυφόρου (Jensen, 1986, Κοντοές και Folving, 1990). Ειδικότερα, με τη χρησιμοποίηση γεωγραφικών σημείων ελέγχου (Ground Control Points: GCP) είναι δυνατή η διόρθωση των μη συστηματικών παραμορφώσεων, ενώ η ανάλυση των χαρακτηριστικών του δέκτη και του δορυφόρου διορθώνουν τα συστηματικά σφάλματα. Ακόμα, θα πρέπει να διακρίνουμε δύο είδη τεχνικών: την ανόρθωση εικόνας κατά την οποία γίνεται προβολή της εικόνας σε ένα καθορισμένο χαρτογραφικό σύστημα και την εγγραφή αυτής ως προς μία άλλη εικόνα. Οι τεχνικές αυτές χρειάζονται μια γεωμετρική συνάρτηση συσχέτισης μεταξύ των νέων (x,y ) και των αρχικών (x,y) συντεταγμένων (χωρική προσέγγιση), καθώς και έναν μηχανισμό επαναπροσδιορισμού των μετρήσεων (ραδιομετρική προσέγγιση) (Green, 1983). Πολυωνυμικές εξισώσεις χρησιμοποιούνται για τη συσχέτιση των συντεταγμένων των σημείων ελέγχου και των αντίστοιχων στοιχείων εικόνας της δορυφορικής απεικόνισης. Άλλες διορθώσεις περιλαμβάνουν εξισώσεις οι οποίες υπολογίζουν τις παραμέτρους τροχιάς, έτσι ώστε έχοντας δεδομένο ένα τουλάχιστον σημείο αναφοράς στην επιφάνεια της γης, να είναι δυνατό να διορθωθούν οι διακυμάνσεις του ύψους πτήσης (Σαρρής, 1994). Στο πεδίο του χώρου, η μετατροπή και η περιστροφή της δορυφορικής εικόνας επιτυγχάνεται με τον ανάλογο μετασχηματισμό σε κάθε εικονοστοιχείο. Οι μετασχηματισμοί αυτοί πραγματοποιούνται πολύ εύκολα με πράξεις πινάκων. Η γεωμετρική διόρθωση των δεδομένων μπορεί να γίνει με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων, χρησιμοποιώντας ένα δείγμα από γεωγραφικά σημεία ελέγχου (GCP s): X = a 0 + a 1 x +a 2 y + a 3 x 2 + a 4 xy Y = b 0 + b 1 x + b 2 y +b 3 x 2 + b 4 xy όπου: X, Y είναι οι τοπογραφικές συντεταγμένες του χάρτη, ενώ x, y είναι οι συντεταγμένες της δορυφορικής εικόνας στο Καρτεσιανό σύστημα αξόνων x, y (γραμμή στοιχείου εικόνας) (Megier, 1990). Η γεωμετρική διόρθωση μιας δορυφορικής εικόνας είναι 70

78 αναγκαία γιατί πολλές φορές γίνεται συσχέτιση της δορυφορικής απεικόνισης με άλλα γεωγραφικά στοιχεία, όπως η τοπογραφία, η ακτογραμμή κ. α. (Σαρρής, 1994). Για τον προσδιορισμό των ραδιομετρικών τιμών των γεωμετρικά διορθωμένων εικόνων ακολουθούνται τεχνικές παρόμοιες με αυτές της δειγματοληψίας. Η μέθοδος του πλησιέστερου γειτονικού εικονοστοιχείου (nearest neighbour) αποδίδει την τιμή του πλησιέστερου αρχικού εικονοστοιχείου. Η διγραμμική παρεμβολή (bilinear interpolation) χρησιμοποιεί τα τέσσερα πλησιέστερα εικονοστοιχεία λειτουργώντας σαν ένα έμμεσο φίλτρο χωρικής εξομάλυνσης. Τέλος, η παρεμβολή τρίτου βαθμού (cubic convolution) λειτουργεί όπως η διγραμμική παρεμβολή, χρησιμοποιώντας τα 16 πλησιέστερα εικονοστοιχεία (Jensen, 1986, Σαρρής, 1994). Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες AVHRR υψηλής ευκρίνειας (HRPT) από τους δορυφόρους NOAA 9, NOAA 11 και NOAA -14. Οι εικόνες αυτές έχουν ληφθεί στο δορυφορικό σταθμό του πανεπιστημίου του Dundee. Η διαμόρφωση των εικόνων (format Level 1-b σε λέξεις των 10 bit) εκτός από τις ψηφιακές τιμές της έντασης της ακτινοβολίας που έχουν καταγραφεί σε κάθε κανάλι εμπεριέχει και πρόσθετη πληροφορία που παρέχεται από τον ΝΟΑΑ για την πραγματοποίηση ραδιομετρικών διορθώσεων και μη συστηματικών σφαλμάτων τα οποία οφείλονται στην αλλαγή του ύψους της τροχιάς του δορυφόρου. Η πληροφορία που χρησιμοποιείται για τη διόρθωση αυτή είναι το μέσο ύψος πτήσης του δορυφόρου κατά τη διάρκεια της συγκεκριμένης λήψης, η οποία δίδεται επίσης από τον ΝΟΑΑ. Η γεωμετρική ανόρθωση των δεδομένων των δεδομένων γίνεται με χρήση συγκεκριμένων γεωγραφικών σημείων ελέγχου (GCP s) τα οποία δίδονται στο format level 1-b. Ο βαθμός των πολυωνυμικών εξισώσεων που χρησιμοποιούνται για τη συσχέτιση των συντεταγμένων των σημείων ελέγχου και των αντίστοιχων εικονοστοιχείων της δορυφορικής εικόνας καθορίζεται από το χρήστη. Επίσης υπάρχει η δυνατότητα επιλογής συγκεκριμένου χαρτογραφικού συστήματος προβολής της δορυφορικής εικόνας. Το σύστημα προβολής που επιλέγεται είναι το γεωγραφικό σύστημα συντεταγμένων με παραλλήλους γεωγραφικού πλάτους και μεσημβρινούς 71

79 γεωγραφικού μήκους. Το μοντέλο σφαιροειδούς που χρησιμοποιείται για την προβολή είναι μια τέλεια σφαίρα με ακτίνα Κm (όσο περίπου η μέση ακτίνα της γης). Με βάση τις παραμέτρους του συστήματος αυτού χρησιμοποιώντας τα γεωγραφικά σημεία ελέγχου που δίδονται, πραγματοποιείται τελικά η συγκεκριμένη χαρτογραφική προβολή των εικόνων AVHRR. Η πραγματοποίηση της προβολής αυτής παρέχει την δυνατότητα απευθείας μετρήσεων της επιφάνειας συγκεκριμένων στόχων οι οποίοι έχουν εντοπιστεί πάνω στη δορυφορική εικόνα, γιατί οι μετρήσεις αυτές γίνονται πάνω στην επιφάνεια του σφαιροειδούς. Στην Εικόνα 3.1 φαίνεται η περιοχή που καλύπτεται από τις εικόνες NOAA/AVHRR που λαμβάνονται στο δορυφορικό σταθμό του πανεπιστημίου του Dundee όπως προβάλλονται στο χαρτογραφικό σύστημα που περιγράφτηκε. Στην εικόνα 3.2 φαίνονται παραδείγματα περιοχών που καλύπτονται από ένα πέρασμα του ζεύγους των δορυφόρων ΝΟΑΑ, στο ίδιο χαρτογραφικό σύστημα προβολής. Μία δορυφορική εικόνα παίρνει τελικά μετά την πραγματοποίηση των γεωμετρικών διορθώσεων τη μορφή που παρουσιάζεται στην εικόνα 3.2. Εικόνα 3.1. Περιοχή που καλύπτεται από τις εικόνες NOAA/AVHRR που λαμβάνονται στο δορυφορικό σταθμό του πανεπιστημίου του Dundee. 72

80 Εικόνα 3.2. Περιοχές που καλύπτονται από ένα πέρασμα του ζεύγους των δορυφόρων ΝΟΑΑ. Γ. Βαθμονόμηση των εικόνων ΝΟΑΑ/AVHRR. Υπολογισμός της θερμοκρασίας λαμπρότητητας (brightness temperature) για τα κανάλια του υπέρυθρου και της ανακλαστικότητας (reflectance) για τα κανάλια του ορατού. Το Ινστιτούτο για τις Εφαρμογές της Τηλεπισκόπησης (Institute for Remote Sensing Applications, IRSA) του Κοινού Κέντρου Ερευνών (Joint Research Centre, JRC) της Ευρωπαϊκής Ένωσης έχει προτείνει μια συγκεκριμένη διαδικασία βαθμονόμησης για τα δεδομένα AVHRR. Σύμφωνα με τη διαδικασία αυτή οι αρχικές ψηφιακές τιμές που έχουν καταγραφεί από τον δορυφορικό δέκτη για κάθε εικονοστοιχείο μετατρέπονται πρώτα σε τιμές έντασης της ακτινοβολίας (spectral radiances L i ) και κατόπιν σε τιμές θερμοκρασίας (IGBP-DIS,1994). 73

81 i) Υπολογισμός των τιμών ακτινοβολίας Η ένταση της ακτινοβολίας (L i ) που καταγράφεται σε ένα συγκεκριμένο κανάλι i ενός δορυφορικού δέκτη, μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση: όπου, i DN i Α i(j) Β i(j) L i L i = Α i(j) DN i + Β i(j) είναι το αντίστοιχο φασματικό κανάλι, είναι οι ψηφιακές τιμές για το συγκεκριμένο φασματικό κανάλι, Οι τιμές αυτές κυμαίνονται από 0 έως 1023 (ακρίβεια 10-bit), είναι η τιμή κλίσης για το συγκεκριμένο κανάλι για τη γραμμή σάρωσης j του δορυφορικού δέκτη (mwm -2 sr -1 cm), είναι η τιμή μηδενισμού για το συγκεκριμένο κανάλι για τη γραμμή σάρωσης j του δορυφορικού δέκτη (mwm -2 sr -1 cm), είναι η ένταση της ακτινοβολίας που καταγράφεται στο συγκεκριμένο κανάλι (mwm -2 sr -1 cm). Οι τιμές των Α i(j) και Β i(j) προκύπτουν από τη βαθμονόμηση που κάνει κατά τη διάρκεια της σάρωσης ο ίδιος ο δέκτης σύμφωνα με τη διαδικασία που έχει καθοριστεί από τον ΝΟΑΑ - NESDIS. Οι τιμές αυτές υπάρχουν για κάθε γραμμή σάρωσης και δίδονται μαζί με τα δεδομένα της εικόνας, στη διαμόρφωση level 1-b (IGBP- DIS,1994). ii) Υπολογισμός της θερμοκρασίας λαμπρότητας Η θερμοκρασία λαμπρότητας ΒΤ i για τα κανάλια 3, 4 και 5 υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση καθώς και τις διορθώσεις λόγω μη γραμμικότητας στην ανταπόκριση των καναλιών 4 και 5 (Weinreb et αl., 1990). Για το κανάλι 3 οι διορθώσεις αυτές δεν είναι απαραίτητες. 74

82 C2v BTi = C ln[1 + ( L όπου, i είναι το αντίστοιχο φασματικό κανάλι, ΒΤ i είναι η θερμοκρασία λαμπρότητας για το φασματικό κανάλι i ( Κ), L i ν i C 1 C 2 1 i i ) v 3 i είναι η ακτινοβολία που έχει υπολογιστεί για το συγκεκριμένο κανάλι (mwm -2 sr -1 cm), είναι ο κυματαριθμός που αντιστοιχεί στο μέσο μήκος κύματος για το συγκεκριμένο κανάλι (cm -1 ), σταθερά ( mwm -2 sr -1 cm), σταθερά ( cm Κ). ] Οι κυματαριθμοί (cm -1 ) που αντιστοιχούν στα μέσα μήκη κύματος για τους δορυφόρους ΝΟΑΑ -7, -9, -10, -11 και -12 είναι: ΝΟΑΑ ΚΑΝΑΛΙ - 3 ΚΑΝΑΛΙ - 4 ΚΑΝΑΛΙ , , , , , , , , , , , , , ,5612 Για τους ΝΟΑΑ-7, -9, -10 και -11, οι κυματαριθμοί αυτοί αντιστοιχούν στο εύρος θερμοκρασιών Κ ενώ για τον ΝΟΑΑ -12 για το εύρος θερμοκρασιών Κ (IGBP-DIS,1994). Στη συνέχεια οι τιμές της θερμοκρασίας λαμπρότητας που υπολογίζονται για τα κανάλια 4 και 5 του AVHRR, θα πρέπει να διορθωθούν λόγω της μη γραμμικής ανταπόκρισης των καναλιών αυτών η οποία μπορεί να επιφέρει σφάλμα της τάξης των 2 Κ. Οι όροι διόρθωσης (ΔΤ i ) δίνονται για κάθε κανάλι για τρεις με τέσσερις 75

83 διαφορετικές τιμές της θερμοκρασίας αναφοράς μέλανος σώματος του εσωτερικού στόχου που υπάρχει στο δορυφόρο και της θερμοκρασίας που υπολογίζεται για κάποια εικονοστοιχεία. Ο αντίστοιχος όρος διόρθωσης προκύπτει με γραμμική παρεμβολή των τιμών θερμοκρασίας λαμπρότητας των εικονοστοιχείων, επιλέγοντας από τις τιμές θερμοκρασίας μέλανος σώματος που υπάρχουν, εκείνες που συγκλίνουν στις τιμές των θερμοκρασιών του στόχου (Weinreb et αl., 1990). Οι όροι διόρθωσης χρησιμοποιούνται στην παρακάτω εξίσωση: ΒΤ i (cor.) = ΒΤ i + ΔΤ i όπου, ΒΤ i (cor.) είναι η διορθωμένη τιμή της θερμοκρασία λαμπρότητας για το φασματικό κανάλι i ( Κ), ΒΤ i είναι η θερμοκρασία λαμπρότητας που έχει υπολογιστεί για το φασματικό κανάλι i ( Κ), ΔΤ i είναι ο όρος διόρθωσης για το κανάλι i. Για τις διορθώσεις αυτές θεωρείται ότι η επιφάνεια της γης που σαρώνεται από τον δορυφόρο ακτινοβολεί σαν μέλαν σώμα στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Με βάση τη μέθοδο που περιγράφεται παραπάνω και τις τιμές που συνοδεύουν τα ψηφιακά δεδομένα στο format level 1-b, δημιουργούνται πίνακες αντιστοίχησης (lookup tables) που συνδέουν την ψηφιακή τιμή (0-1023) που μπορεί να έχει ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο με μια τιμή θερμοκρασίας λαμπρότητας. Ανάλογοι πίνακες αντιστοίχησης δημιουργούνται για τον υπολογισμό των τιμών ανακλαστικότητας από τις ψηφιακές τιμές που έχουν καταγραφεί στα κανάλια του ορατού, με κάθε ψηφιακή τιμή να συνδέεται με μια τιμή ανακλαστικότητας. Οι πίνακες αυτοί δημιουργούνται για καθένα από τους δορυφόρους ΝΟΑΑ των οποίων τα δεδομένα χρησιμοποιούνται, δηλαδή για τον ΝΟΑΑ - 9 και για τον ΝΟΑΑ 11 και ΝΟΑΑ 14. Με βάση τους πίνακες αυτούς παράγονται τα διαγράμματα που φαίνονται στις Εικόνες 3.3, 3.4, 3.5 και 3.6, τα οποία παρουσιάζουν γραφικά τη 76

84 μέθοδο βαθμονόμησης των δεδομένων και την απόκριση του κάθε καναλιού για κάθε δορυφόρο. Στην πράξη, για την βαθμονόμηση των εικόνων του AVHRR, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο βασισμένο στη μέθοδο Look-up Table της JAVA2, το οποίο παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 2. Το μοντέλο υλοποιήθηκε με τη δημιουργία κατάλληλου προγράμματος σε JAVA2. Το πρόγραμμα αυτό υπάρχει ως ξεχωριστή κλάση ενσωματωμένη στις εφαρμογές που δημιουργήθηκαν τελικά για την ανίχνευση των μετώπων της φωτιάς και των λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα και έχει το ρόλο της αυτόματης βαθμονόμησης μίας εικόνας AVHRR στα πλαίσια των εφαρμογών αυτών. Στο Παράρτημα Ι παρουσιάζεται το πρόγραμμα για τη βαθμονόμηση των καναλιών 1, 3, 4, και 5 του AVHRR, ενώ στο Παράρτημα II παρουσιάζεται το πρόγραμμα για τη βαθμονόμηση του καναλιού 2. Σε κάθε περίπτωση το πρόγραμμα αυτό αφού διαβάσει τις αρχικές ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων της δορυφορικής εικόνας για ένα συγκεκριμένο κανάλι, με βάση τα διαγράμματα βαθμονόμησης και τις τιμές των πινάκων αντιστοίχησης δίνει στην έξοδό του μια νέα εικόνα του συγκεκριμένου καναλιού, με τη διαφορά ότι τώρα κάθε εικονοστοιχείο έχει μια τιμή ανακλαστικότητας ή μια τιμή θερμοκρασίας. 77

85 Εικόνα 3.3. Βαθμονόμηση των καναλιών 1 και 2 του AVHRR για τον δορυφόρο ΝΟΑΑ

86 Εικόνα 3.4. Βαθμονόμηση των καναλιών 3,4 και 5 του AVHRR για τον δορυφόρο ΝΟΑΑ

87 Εικόνα 3.5. Βαθμονόμηση των καναλιών 1 και 2 του AVHRR για τον δορυφόρο ΝΟΑΑ

88 Εικόνα 3.6. Βαθμονόμηση των καναλιών 3,4 και 5 του AVHRR για τον δορυφόρο ΝΟΑΑ

89 Δ. Αποτελέσματα της προεπεξεργασίας των δεδομένων AVHRR. Οι μέθοδοι που περιγράφηκαν στις προηγούμενες παραγράφους για τη γεωμετρική διόρθωση και την βαθμονόμηση των δεδομένων ακολουθούνται κατά την επεξεργασία όλων των εικόνων ΝΟΑΑ/AVHRR που χρησιμοποιούνται. Ενδεικτικά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της γεωμετρικής διόρθωσης και της βαθμονόμησης για μία εικόνα NOAA/AVHRR της περιοχής της Ευρώπης, με ημερομηνία λήψης 2 Ιουνίου 1987 και ώρα 13:55 UTC. Η εικόνα αυτή θα χρησιμοποιηθεί σε επόμενο στάδιο για την ανίχνευση του μετώπου της φωτιάς στο ατύχημα που εκδηλώθηκε την ημέρα εκείνη στη Λυών της Γαλλίας, καθώς και στην ανίχνευση και απεικόνιση του λοφίου που προκλήθηκε. Στην Εικόνα 3.7 παρουσιάζεται μια ψευδόχρωμη σύνθεση των καναλιών 1,2 και 4 του AVHRR (RGB: ). Η εικόνα αυτή δεν έχει υποστεί καμία παρέμβαση και οι ψηφιακές τιμές του κάθε εικονοστοιχείου σε κάθε καναλιού είναι όπως έχουν σταλεί από τον δορυφόρο. Είναι προφανής τόσο η παραμόρφωση της εικόνας στις άκρες λόγω της καμπυλότητας της γήινης επιφάνειας, όσο και η μείωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας του οργάνου. Στην Εικόνα 3.8 παρουσιάζεται η ίδια δορυφορική εικόνα, έχοντας όμως υποστεί γεωμετρική διόρθωση. Επίσης έχει προστεθεί το πλέγμα με τις τιμές του γεωγραφικού μήκους και πλάτους. Στην εικόνα 3.9 παρουσιάζεται η ίδια δορυφορική εικόνα, έχοντας υποστεί γεωμετρική διόρθωση και βαθμονόμηση. Στην απεικόνιση αυτή χρησιμοποιείται ο συνδυασμός των καναλιών του AVHRR στο ορατό (RGB: ). 82

90 Εικόνα 3.7. Ψευδόχρωμη σύνθεση των καναλιών 1,2 και 4 του AVHRR (RGB: )στις 2 Ιουνίου 1987 (13:55 UTC), χωρίς καμία προεπεξεργασία. 83

91 Εικόνα 3.8. Ψευδόχρωμη σύνθεση των καναλιών 1,2 και 4 του AVHRR (RGB: )στις 2 Ιουνίου 1987 (13:55 UTC), έχοντας υποστεί γεωμετρική διόρθωση. 84

92 Εικόνα 3.9. Ψευδόχρωμη σύνθεση των καναλιών 1 και 2 του AVHRR (RGB: )στις 2 Ιουνίου 1987 (13:55 UTC), έχοντας υποστεί γεωμετρική διόρθωση και βαθμονόμηση. 85

93 4. ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΙΣ ΚΑΤΑΓΡΑΦΕΣ ΤΟΥ AVHRR. Η ανάπτυξη αλγορίθμου για τον εντοπισμό των νεφών κρίνεται απαραίτητη, ώστε να είναι δυνατή η διάκριση τους από τυχόν λοφία που έχουν προκληθεί από βιομηχανικά ατυχήματα σε μία περιοχή και αποτυπώνονται στη δορυφορική εικόνα. Επίσης, όπως γίνεται φανερό στο Κεφάλαιο 5, ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό μετώπων φωτιάς, στηρίζεται στη μεγιστοποίηση της διαφοράς θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 του AVHRR. Η μεγιστοποίηση αυτή είναι συνέπεια της αύξησης της θερμοκρασίας λαμπρότητας του καναλιού 3 στην περίπτωση ύπαρξης φωτιάς, λόγω του ότι στην φασματική αυτή περιοχή καταγράφεται η ακτινοβολία που εκπέμπεται από σώματα με τιμές θερμοκρασία όπως αυτές που εμφανίζονται στα μέτωπα φωτιάς. Συνεπώς αν για κάποιο εικονοστοιχείο της δορυφορικής εικόνας μεγιστοποιείται η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4, το εικονοστοιχείο αυτό είναι πιθανό να αντιπροσωπεύει μέτωπο φωτιάς. Όμως, για το συγκεκριμένο εικονοστοιχείο υπάρχει πιθανότητα η αύξηση της θερμοκρασίας λαμπρότητας του καναλιού 3 να μην οφείλεται στην καταγραφή εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από κάποιο μέτωπο φωτιάς, αλλά στην καταγραφή ανακλώμενης από τα νέφη ηλιακής ακτινοβολίας. Για το λόγο αυτό, ο εντοπισμός και το φιλτάρισμα των νεφών είναι καθοριστικής σημασίας για τη λειτουργία του αλγορίθμου που αναπτύσσεται για την ανίχνευση των μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Ο αλγόριθμος εντοπισμού των νεφών θα ενσωματωθεί στους αλγορίθμους για την ανίχνευση των μετώπων φωτιάς και των λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα (Κεφάλαια 5 και 6 αντίστοιχα), ώστε να είναι δυνατό να πραγματοποιείται άμεσα το φιλτράρισμα των νεφών στη δορυφορική εικόνα πριν την εκτέλεση των κυρίων βημάτων των αλγορίθμων αυτών. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες NOAA/AVHRR υψηλής ευκρίνειας (HRPT) που έχουν ληφθεί από το σταθμό του Πανεπιστημίου του Dundee. Στη 86

94 συγκεκριμένη περίπτωση έχουν επιλεγεί οι εικόνες που έχουν ληφθεί από τους δορυφόρους ΝΟΑΑ 9, NOAA 11 και NOAA 14, στις ημερομηνίες 24 Φεβρουαρίου 1986, 2 Ιουνίου 1987, 6 Ιουλίου του 1988, 13 Απριλίου του 1991 και 13 Μαίου Οι ημερομηνίες αυτές επιλέγονται, για το λόγο ότι οι εικόνες αυτές θα χρησιμοποιηθούν σε επόμενο στάδιο για την ανίχνευση των μετώπου της φωτιάς στα ατυχήματα που εκδηλώθηκαν τις ημέρες εκείνες στη Λυών της Γαλλίας, στη Γένοβα της Ιταλίας, στο Καλοχώρι Θεσσαλονίκης, στη Βόρεια Θάλασσα και στο Ενσέντε της Ολλανδίας, καθώς και στην ανίχνευση και απεικόνιση των λοφίων που προκλήθηκαν. Ακολουθείται κοινή μεθοδολογία για όλες τις εικόνες, όμως στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται ενδεικτικά η δημιουργία του αλγορίθμου που εφαρμόζεται για τον εντοπισμό των νεφών και τα αποτελέσματα που προκύπτουν για την εικόνα AVHRR στις 2 Ιουνίου Οι εικόνες που χρησιμοποιούνται έχουν τη διαμόρφωση (format) NOAA Level 1-b και είναι δομημένες σε λέξεις των 10 bit (1024 gray levels). Η επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης του Τομέα Φυσικής Εφαρμογών του Πανεπιστημίου Αθηνών. Αρχικά οι εικόνες υφίστανται τις κατάλληλες γεωμετρικές διορθώσεις με βάση την πληροφορία που εμπεριέχεται στο format Level 1-b και κατόπιν μετατρέπονται οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων σε τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας για τα κανάλια του υπέρυθρου και σε τιμές ανακλαστικότητας για τα κανάλια του ορατού. Η διαδικασία της γεωμετρικής διόρθωσης και της βαθμονόμησης έχει περιγραφεί εκτενώς στη σχετική ενότητα. H μεθοδολογία που ακολουθείται κατόπιν για τον εντοπισμό των νεφών χρησιμοποιεί τη διφασματική μέθοδο που έχει αναφερθεί στο Κεφάλαιο 2, για τα κανάλια 1 και 5 του AVHRR. Λόγω της υψηλής μεταβλητότητας της λευκαύγειας (20 ως 50 %) των νεφικών συστημάτων παρουσιάζεται μεγάλη διασπορά των σημείων που αντιστοιχούν σε εικονοστοιχεία που καλύπτονται από νέφη στο χώρο των χαρακτηριστικών (feature space) των δύο αυτών καναλιών. Ο χώρος των χαρακτηριστικών δημιουργείται στην 87

95 πράξη από το διάγραμμα διασποράς δύο διαστάσεων που στον έναν άξονα έχει τις τιμές ανακλαστικότητας όπως προκύπτουν από τις καταγραφές του καναλιού 1 και στον άλλον άξονα τις τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας όπως προκύπτουν από τις καταγραφές του καναλιού 5. Στην Εικόνα 4.1 φαίνεται ο χώρος των χαρακτηριστικών για τα κανάλια 1 και 5 του AVHRR για την εικόνα που έχει ληφθεί στις 2 Ιουνίου Εικόνα 4.1. Χώρος των χαρακτηριστικών για τα κανάλια 1 και 5 του AVHRR για την εικόνα που έχει ληφθεί στις 2 Ιουνίου 1987 (13:55 UTC). Όπως είναι φανερό στην Εικόνα 4.1, τα σημεία εκείνα που αντιστοιχούν σε εικονοστοιχεία τα οποία περιέχουν νέφη (μικρές τιμές στο κανάλι 5 και ταυτόχρονα μεγάλες τιμές στο κανάλι 1) παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά. Οι περιορισμοί της παραπάνω μεθόδου κάνουν δύσκολο το χειρισμό των εικονοστοιχείων των νεφών στους ποσοτικούς υπολογισμούς που απαιτούνται για την ανίχνευση και τον εντοπισμό των μετώπων φωτιάς και των λοφίων στα επόμενα στάδια της επεξεργασίας, ιδιαίτερα στην περίπτωση που απαιτείται να δημιουργηθεί φίλτρο για τα νέφη για την εφαρμογή 88

96 μάσκας νεφών στη δορυφορική εικόνα. Συνεπώς, είναι στην πράξη προτιμότερο η διαχείριση των εικονοστοιχείων των νεφών να πραγματοποιείται μονοδιάστατα (με τη χρήση ενός καναλιού) έχοντας όμως διατηρήσει τα πλεονεκτήματα του δισδιάστατου χώρου των χαρακτηριστικών (δύο κανάλια). Για το λόγο αυτό δημιουργείται ο κανονικοποιημένος λόγος του γραμμικού συνδυασμού των καναλιών 1 και 5 του AVHRR (ο οποίος συμβολίζεται ως CLD): CLD = Channel5 Channel 1 Channel5+ Channel 1 Στην Εικόνα 4.2 παρουσιάζεται το ψευδοκανάλι που προκύπτει από τον παραπάνω συνδυασμό των καναλιών του AVHRR και είναι το κανάλι του κανονικοποιημένου λόγου CLD. Λόγω της κανονικοποίησης οι ψηφιακές στην εικόνα που προκύπτει από το λόγο αυτόν κυμαίνονται από 0 έως 1. Στην Εικόνα 4.3 που παρουσιάζεται το ιστόγραμμα των ψηφιακών τιμών της Εικόνας 4.2 φαίνεται καθαρά η κατανομή αυτή. Το ιστόγραμμα παρουσιάζει τον αριθμό των εικονοστοιχείων που έχουν μια δεδομένη ψηφιακή τιμή (κατακόρυφος άξονας). Στον οριζόντιο άξονα βρίσκονται οι ψηφιακές τιμές που μπορεί να λάβει ένα εικονοστοιχείο. Eικόνα 4.2. Ψευδοκανάλι του κανονικοποιημένου λόγου καναλιών CLD. 89

97 Εικόνα 4.3. Ιστόγραμμα των ψηφιακών τιμών της εικόνας 5.9. Ανάλυση του ιστογράμματος των εικόνων του λόγου CLD οδηγεί στο συμπέρασμα ότι στις περιοχές που υπάρχει νέφωση (οι περιοχές αυτές ποιοτικά χαρακτηρίζονται από σκουρόχρωμους τόνους) οι ψηφιακές τιμές των εικονοστοιχείων είναι μικρότερες του 0,85. Για παράδειγμα στην Εικόνα 4.4 παρουσιάζεται η ευθεία ΑΒ πάνω στην εικόνα CLD η οποία συνδέει δύο σημεία στην εικόνα που απέχουν περίπου 700 Km ξεκινώντας από περιοχή με πυκνή νέφωση (Α), περνώντας από περιοχή χωρίς καθόλου νέφωση και καταλήγοντας σε περιοχή με αραιή κατακερματισμένη νέφωση (Β). Στην Εικόνα 4.5 παρουσιάζεται η μεταβολή του λόγου CLD κατά μήκος της ευθείας ΑΒ. Είναι προφανείς οι χαμηλές τιμές που λαμβάνει ο CLD στις περιοχές όπου υπάρχουν νέφη. 90

98 Εικόνα 4.4. Ευθεία (ΑΒ) που συνδέει δύο σημεία στην εικόνα που απέχουν περίπου 700 Km σε περιοχές με διαφορετικό βαθμό νεφοκάλυψης. Εικόνα 4.5. Μεταβολή του λόγου CLD κατά μήκος της ευθείας ΑΒ που παρουσιάζεται στην Εικόνα

99 Με βάση την τιμή 0,85 για το λόγο CLD πραγματοποιείται μετασχηματισμός του ιστογράμματος που εμφανίζεται στην Εικόνα 4.3. Ο μετασχηματισμός αυτός αποτελεί μια ειδική διαδικασία ενίσχυσης ιστογράμματος (histogram enhancement), ο οποίος λαμβάνει χώρα θέτοντας τις ψηφιακές τιμές που είναι μικρότερες του 0,85 ίσες με μηδέν. Το αποτέλεσμα του μετασχηματισμού φαίνεται στην Εικόνα 4.5. Με κίτρινο φαίνεται το νέο ιστόγραμμα των ψηφιακών τιμών που απομένουν ενώ στο υπόβαθρο υπάρχει το αρχικό ιστόγραμμα. Στην Εικόνα 4.6 παρουσιάζεται η εικόνα του λόγου CLD η οποία αντιστοιχεί στο νέο ιστόγραμμα. Η εικόνα αυτή είναι προφανώς μετασχηματισμένη με βάση το νέο ιστόγραμμα ώστε τα εικονοστοιχεία εκείνα τα οποία περιείχαν νέφη να έχουν την ψηφιακή τιμή μηδέν (εμφανίζονται με μαύρο χρώμα). Εικόνα 4.5. Μετασχηματισμός του ιστογράμματος του λόγου CLD της Εικόνας 4.3. Με κίτρινο φαίνεται το νέο ιστόγραμμα ενώ στο υπόβαθρο υπάρχει το αρχικό ιστόγραμμα. 92

100 Εικόνα 4.6. Εικόνα του λόγου CLD η οποία αντιστοιχεί στο νέο ιστόγραμμα. Με βάση τη διαδικασία που περιγράφηκε, ο κανονικοποιημένος λόγος CLD δημιουργείται για κάθε δορυφορική εικόνα την οποία θέλουμε να αναλύσουμε ως προς τον εντοπισμό των νεφών. Συνεπώς με τη χρήση της τιμής κατωφλίου του CLD πραγματοποιείται φιλτράρισμα των εικόνων AVHRR για τα νέφη. Δημιουργείται με τον τρόπο αυτό μια μάσκα νεφών στην κάθε εικόνα η οποία είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική λειτουργία των αλγορίθμων που εφαρμόζονται σε επόμενα στάδια για την ανίχνευση και τον εντοπισμό μετώπων φωτιάς και λοφίων που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Το φιλτράρισμα των δορυφορικών εικόνων είναι μία διαδικασία ενσωματωμένη στους αλγορίθμους που αναπτύχθηκαν για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς και λοφίων. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στο μετασχηματισμό του ιστογράμματος του ψευδοκαναλιού του CLD που περιγράφηκε, και λειτουργεί ως αυτόνομη κλάση προγραμματισμένη σε JAVA2, όπως φαίνεται στα Παραρτήματα Ι και ΙΙ όπου παρουσιάζονται τα προγράμματα των εφαρμογών. 93

101 5. ΑΝΙΧΝΕΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΩΠΩΝ ΦΩΤΙΑΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΩΝ ΤΟΥ ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΟΥ AVHRR ΤΩΝ ΔΟΡΥΦΟΡΩΝ ΝΟΑΑ. A. Εισαγωγή. Η ανάπτυξη μίας πυρκαγιάς που προέρχεται από βιομηχανικό ατύχημα ολοκληρώνεται σε τρεις φάσεις όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.1 (Market, 1996). Το στάδιο της διάσπασης των αρχικών συστατικών των ουσιών που απελευθερώνονται (φάση Ι), το στάδιο της ανάπτυξης της φωτιάς (φάση ΙΙ), και το στάδιο της πυργκαγιάς σε πλήρη εξέλιξη (φάση ΙΙΙ), όπου συντελείται και η ανάπτυξη του λοφίου. Στην ίδια Εικόνα φαίνεται ποιοτικά η μεταβολή της θερμοκρασίας με το χρόνο. Εικόνα 5.1. Φάσεις ανάπτυξης μιας πυρκαγιάς που προέρχεται από βιομηχανικό ατύχημα. 94

102 Όλα τα σώματα που έχουν θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η θερμοκρασία καθορίζει το ποσό της ενέργειας που εκπέμπεται σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Σύμφωνα με τους νόμους της ακτινοβολίας των Stefan-Boltzmann και Wien η ενέργεια που εκπέμπεται αυξάνεται όταν η θερμοκρασία μέλανος σώματος ενός αντικειμένου αυξάνεται και το μέγιστο ποσό της ακτινοβολούμενης από αυτό ενέργειας εκπέμπεται σε μικρότερα μήκη κύματος. Στην φασματική περιοχή του εγγύς υπερύθρου (near infrared) κυριαρχεί η ακτινοβολία που προέρχεται από τον ήλιο ενώ αντίθετα στο θερμικό υπέρυθρο (thermal infrared) κυριαρχεί η ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης ή από την θερμική πηγή. Στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου (mid infrared) τόσο η ηλιακή όσο και η γήινη ακτινοβολία δίνουν ασθενές σήμα. Το μέγιστο της ακτινοβολούμενης ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο (θερμοκρασία περίπου 6000 Κ) παρουσιάζεται στη φασματική περιοχή των 0,5 μm στο μέσο περίπου του ορατού. Για τη γη (θερμοκρασία περίπου 300 Κ) το μέγιστο της ακτινοβολούμενης ενέργειας παρουσιάζεται στη φασματική περιοχή των 9,7 μm στο μέσο περίπου του θερμικού υπέρυθρου (Iqbal, 1983). Στην Εικόνα 5.2 (Robinson, 1991), φαίνεται η ένταση της ακτινοβολίας η οποία εκπέμπεται από σώμα με θερμοκρασία Τ που καταγράfει ένας ανιχνευτής σε σχέση με το μήκος κύματος της (λ),. Το εύρος θερμοκρασιών που εμφανίζονται στην εικόνα εκφράζει τα όρια θερμοκρασιών που εμφανίζονται σε μια πυρκαγιά στην επιφάνεια της γης. Είναι φανερό ότι όσο ισχυρότερη είναι η φωτιά (μεγαλύτερη θερμοκρασία), το μέγιστο της καμπύλης εκπομπής της (φασματική περιοχή στην οποία ο δορυφορικός ανιχνευτής θα καταγράψει το φαινόμενο) μετατοπίζεται σε μικρότερα μήκη κύματος. 95

103 Εικόνα 5.2. Ένταση της ακτινοβολίας σε σχέση με το μήκος κύματος (λ), η οποία εκπέμπεται από σώμα με θερμοκρασία Τ. Η ακτινοβολία η οποία προέρχεται από την περιοχή εκδήλωσης ενός βιομηχανικού ατυχήματος και φτάνει στο δορυφορικό ανιχνευτή, είναι επαλληλία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που εκπέμπονται από το μέτωπο της φωτιάς, από τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια της γης και από τη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία η οποία σκεδάζεται από την επιφάνεια της γης και την ατμόσφαιρα κατά τη διάρκεια της ημέρας. Σύμφωνα με τα παραπάνω όταν εκδηλώνεται μια φωτιά σε ένα συγκεκριμένο σημείο, ανάλογα με την ισχύ της, δηλαδή ανάλογα με τη θερμοκρασία της θα έχει μια διαφορετική φασματική υπογραφή, με συνέπεια την καταγραφή της από το δορυφορικό ανιχνευτή σε συγκεκριμένη φασματική περιοχή. Η ανίχνευση ενός συμβάντος με βάση τη διαφορετική θερμοκρασία της περιοχής ενδιαφέροντος από τον περιβάλλοντα χώρο είναι πρακτικά αποτέλεσμα της διαφοροποίησης ορισμένων εικονοστοιχείων της δορυφορικής εικόνας από τα 96

104 γειτονικά τους, σε ένα συγκεκριμένο φασματικό κανάλι. Συνεπώς, όσο μεγαλύτερη θερμοκρασία υπάρχει στην περιοχή που αντιπροσωπεύεται από ένα εικονοστοιχείο, τόσο αυτό θα εμφανίζει διαφορετική φωτεινότητα, γεγονός που θα το διαχωρίζει από τα γειτονικά του εικονοστοιχεία όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.3 (Harris, et. al., 1995). Εικόνα 5.3. Διαβάθμιση της φωτεινότητας των pixels μιας εικόνας στο θερμικό υπέρυθρο ανάλογα με τη θερμοκρασία τους. Η εκτίμηση της θερμοκρασίας σύμφωνα με τα παραπάνω γίνεται έχοντας θεωρήσει ότι η περιοχή που αντιπροσωπεύεται από ολόκληρο το εικονοστοιχείο ακτινοβολεί ομοιόμορφα, επομένως σε ολόκληρη την περιοχή αυτή αντιστοιχεί μία συγκεκριμένη τιμή θερμοκρασίας (Rothery et. al., 1988). Ωστόσο, μόνο ένα μικρό τμήμα της περιοχής αυτής μπορεί να έχει θερμοκρασία αρκετά υψηλότερη από τον περιβάλλοντα χώρο και η ακτινοβολία που καταγράφει ο δορυφορικός ανιχνευτής από τη συγκεκριμένη περιοχή αποδίδει μεγαλύτερη τιμή λαμπρότητας σε ολόκληρο το εικονοστοιχείο. Ετσι σε περιπτώσεις που έχουμε μέτωπο φωτιάς σε περιοχή μικρότερη από την περιοχή που αντιπροσωπεύεται σε ένα εικονοστοιχείο θα υπάρχει υποεκτίμηση της θερμοκρασίας. Επομένως η χωρική διακριτική ικανότητα του δορυφορικού ανιχνευτή είναι πολύ σημαντικός παράγοντας για την ανίχνευση τέτοιας κλίμακας φαινομένων. Εκτίμηση της 97

105 έκτασης της φωτιάς σε κλίμακες μικρότερες του εικονοστοιχείου μπορεί να γίνει με πολυφασματική μέθοδο, χρησιμοποιώντας δηλαδή την ίδια εικόνα σε διαφορετικά φασματικά κανάλια (Dozier, 1981, Matson and Dozier, 1981). Β. Ανίχνευση μετώπων φωτιάς με χρήση του AVHRR - Η αποκτηθείσα εμπειρία. Το κανάλι 3 του AVHRR των δορυφόρων ΝΟΑΑ βρίσκεται στην φασματική περιοχή στην οποία εμφανίζεται μέγιστο της ακτινοβολούμενης ενέργειας η οποία προέρχεται από σώματα με θερμοκρασίες περίπου 800 Κ, τυπική περίπτωση για πυρκαγιά (Kennedy et al., 1994). Τα κανάλια 4 (10,3 μm - 11,3 μm) και 5 (11,5 μm - 12,5 μm) βρίσκονται στην φασματική περιοχή στην οποία εμφανίζεται μέγιστο της ακτινοβολούμενης ενέργειας η οποία προέρχεται από σώματα που έχουν τυπικές θερμοκρασίες στην επιφάνεια της γης, περίπου 300 Κ. Στην Εικόνα 5.4 (Matson et. al., 1987), απεικονίζεται σχηματικά η επιδεκτικότητα των καναλιών 3 και 4 του AVHRR στην καταγραφή της έντασης της ακτινοβολίας η οποία προέρχεται από μέλανα σώματα με θερμοκρασίες από 200 Κ ως 500 Κ, όπως δίδονται από την καμπύλη του Planck. Αν και το κανάλι 4 έχει μεγαλύτερο εύρος, για μια δεδομένη αύξηση της θερμοκρασίας, λόγω της ασυμμετρίας των καμπυλών η περιοχή της καμπύλης που αντιστοιχεί στο κανάλι 3 είναι μεγαλύτερη από αυτήν για το κανάλι 4. Ετσι, για παράδειγμα το κανάλι 4 είναι περισσότερο ευαίσθητο στο να καταγράφει την ένταση της ακτινοβολίας που προέρχεται από σώματα θερμοκρασίας 350 Κ, ενώ για την καταγραφή της αντίστοιχης έντασης από σώματα με θερμοκρασία 500 Κ, περισσότερο ευαίσθητο είναι το κανάλι 3. 98

106 Εικόνα 5.4. Σχηματική απεικόνιση της επιδεκτικότητας των καναλιών 3 και 4 του AVHRR στην καταγραφή της έντασης της ακτινοβολίας η οποία προέρχεται από μέλλανα σώματα με θερμοκρασίες από 200 Κ ως 500 Κ. Αν θεωρηθεί ότι μία περιοχή η οποία αντιπροσωπεύεται από ένα εικονοστοιχείο του AVHRR (διαστάσεις 1,1 Km x 1,1 Km) καλύπτεται από μία επιφάνεια με ομοιόμορφη θερμοκρασία 300 Κ, η μέση ένταση της ακτινοβολίας που καταγράφεται στα κανάλια 3 και 4 είναι 0,442 Wm -2 μm -1 sr -1 και 9,68 Wm -2 μm -1 sr - 1 αντίστοιχα, με την προϋπόθεση ότι ο συντελεστής εκπομπής για την επιφάνεια αυτή είναι μονάδα και ότι δεν υπάρχει εξασθένιση του σήματος από την ατμόσφαιρα. Αν θεωρηθεί ότι η περιοχή αυτή καλύπτεται από δύο επιφάνειες ίδιου εμβαδού αλλά με διαφορετικές θερμοκρασίες, μια επιφάνεια με φωτιά (περίπου 800 Κ) και μία επιφάνεια με ομοιόμορφη θερμοκρασία 300 Κ, η μέση ένταση της ακτινοβολίας που καταγράφεται στα κανάλια 3 και 4 είναι 670 Wm -2 μm -1 sr -1 και 49,92 Wm -2 μm -1 sr -1 αντίστοιχα. Επομένως, η ενέργεια που καταγράφεται στο κανάλι 3 αυξάνεται 1516 φορές ενώ η ενέργεια που καταγράφεται στο κανάλι 4 99

107 αυξάνεται μόνο 5 (Kennedy et. al, 1994). Αυτή η διαφορετική απόκριση του ραδιομέτρου AVHRR στην αύξηση της θερμοκρασίας, είναι πρακτικά η βάση για την ανίχνευση θερμικών ανωμαλιών στην επιφάνεια της γης όπως είναι οι εστίες βιομηχανικών ατυχημάτων. Στην Εικόνα 5.5 (Kennedy et. al, 1994) φαίνεται η κατανομή της καταγραφόμενης έντασης της ακτινοβολίας από τα κανάλια 3 και 4 για εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 300 Κ και 800 Κ. Για να μπορεί να διακριθεί ένα μέτωπο φωτιάς σαν μια θερμική ανωμαλία με τη βοήθεια του καναλιού 3 συγκεκριμένου ανιχνευτή θα πρέπει να καταλαμβάνει περιοχή με διαστάσεις 40 x 40 m 2 ή περισσότερο. Μία θερμή περιοχή που καταλαμβάνει ολόκληρο εικονοστοιχείο μπορεί να διακριθεί από το κανάλι 4 το οπoίο έχει σχεδιαστεί για το διαχωρισμό περιοχών οι οποίες διαφέρουν κατά 1-2 C από τις γειτονικές τους (Scorer, 1987b). Εικόνα 5.5. Κατανομή της καταγραφόμενης έντασης της ακτινοβολίας από τα κανάλια 3 και 4 για εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 300 Κ και 800 Κ. 100

108 Στην Εικόνα 5.6 (Dousset et al., 1993) παρουσιάζεται σχηματικά το δυναμικό του AVHRR για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς διαστάσεων μικρότερων από τις διαστάσεις του εικονοστοιχείου του. Η λεπτή καμπύλη Α παριστάνει τη φασματική απόκριση του δέκτη για ένα εικονοστοιχείο της επιφάνειας του εδάφους με κανονική θερμοκρασία (13 C). Η καμπύλη αυτή παρουσιάζει μέγιστο στην περιοχή των 10 μm. Οι τρεις ανεξάρτητες μετρήσεις για τη θερμοκρασία λαμπρότητας του παραπάνω εικονοστοιχείου που μπορούν να ληφθούν από τα κανάλια 3,4 και 5, θα έχουν σαν αποτέλεσμα την ίδια τιμή αν έχουν γίνει διορθώσεις για τον θόρυβο και για τις ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Οι καμπύλες Β και C παριστάνουν τη φασματική απόκριση του δέκτη για ένα εικονοστοιχείο της επιφάνειας του εδάφους στο οποίο υπάρχει μέτωπο φωτιάς το οποίο καταλαμβάνει επιφάνεια 0,1% του εικονοστοιχείου με θερμοκρασία 250 C και 425 C αντίστοιχα. Οι καμπύλες αυτές παρουσιάζουν μέγιστο στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου. Τέλος στην περίπτωση που υπάρχουν στο εικονοστοιχείο μερικά μέτωπα φωτιάς, η φασματική απόκριση του δέκτη για το εικονοστοιχείο αυτό θα παριστάνεται από μία καμπύλη η οποία θα είναι συνδυασμός των καμπυλών Α και Β ή C, όπως η έντονη καμπύλη που φαίνεται στην εικόνα. Οι φασματικές ζώνες στις οποίες είναι ενεργά τα κανάλια 3,4 και 5 του AVHRR απεικονίζονται επίσης στο ίδιο σχήμα. 101

109 Εικόνα 5.6. Καμπύλες φασματικής απόκρισης των υπέρυθρων καναλιών του AVHRR για στόχους διαφορετικών θερμοκρασιών και διαστάσεων: εικονοστοιχείο με θερμοκρασία 13 C (Α), μέτωπο φωτιάς διαστάσεων 0,1% του εικονοστοιχείου με θερμοκρασία 250 C (Β), μέτωπο φωτιάς διαστάσεων 0,1% του εικονοστοιχείου με 425 C. Η έντονη καμπύλη αποτελεί συνδυασμό των καμπυλών Α και Β ή C. Ένας περιορισμός της δυνατότητας του AVHRR για την ανίχνευση θερμικών ανωμαλιών είναι η μικρή θερμοκρασία κορεσμού (saturation temperature) του καναλιού 3 που είναι 321 Κ (Matson and Holben, 1987). Μία θερμική ανωμαλία προκαλεί κορεσμό στο κανάλι 3 αν η ακτινοβολία που εκπέμπεται από αυτήν και την περιοχή γύρω της υπερβαίνει την ενέργεια που απαιτείται για τον κορεσμό του. Στο κανάλι 3 επέρχεται κορεσμός όταν η ένταση της ακτινοβολίας υπερβαίνει τα 0,988 Wm -2 μm -1 sr -1 (Kennedy et. al, 1994) γεγονός που σημαίνει ότι μια φωτιά με θερμοκρασία πάνω από 500 Κ η οποία προκαλεί κορεσμό θα πρέπει να 102

110 καταλαμβάνει επιφάνεια ίση με 0,01-0,1 % της επιφάνειας του εικονοστοιχείου του AVHRR. Κατά συνέπεια, μια φωτιά η οποία καταλαμβάνει περίπου 100 m 2 (0.01 % του εικονοστοιχείου του AVHRR) σε υπόβαθρο που δημιουργείται από μια επιφάνεια με θερμοκρασία 300 Κ, θα πρέπει να έχει θερμοκρασία πάνω από 1000 Κ για να προκαλέσει κορεσμό στο κανάλι 3. Μια φωτιά με θερμοκρασία 800 Κ θα πρέπει να καταλαμβάνει 400 m 2 (0,04 % του εικονοστοιχείου του AVHRR) για να προκαλέσει κορεσμό. Σε περίπτωση που η θερμοκρασία του υπόβαθρου είναι μικρότερη (285 Κ για παράδειγμα), μια φωτιά με την ίδια θερμοκρασία (800 Κ) θα πρέπει να καταλαμβάνει επιφάνεια 500 m 2 ώστε να είναι σε θέση να προκαλέσει κορεσμό (Kennedy et. al, 1994). Η ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία στη φασματική περιοχή του καναλιού 3 μπορεί να λειτουργήσει ως ανασταλτικός παράγοντας για την ανίχνευση θερμικών ανωμαλιών στην επιφάνεια της γης ιδιαίτερα στα μικρά γεωγραφικά πλάτη όπου το σήμα είναι ισχυρότερο (Gregoire et. al., 1993). Αντίθετα σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη όπου το σήμα της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας είναι ασθενέστερο, τα σφάλματα που υπεισέρχονται στους ποσοτικούς υπολογισμούς λόγω της ύπαρξης της συνιστώσας της ηλιακής ακτινοβολίας στο σήμα που καταγράφεται στο κανάλι 3 είναι ασήμαντα (Matson and Dosier, 1981, Flanning and Vonder-Haar, 1996). Ο Dosier (1981) πρότεινε μια θεωρητική προσέγγιση για τη μελέτη θερμοκρασιακών ανωμαλιών χωρικής διάστασης μικρότερης από το εικονοστοιχείο του AVHRR. Σύμφωνα με την προσέγγιση αυτή, κάθε εικονοστοιχείο αποτελείται από δύο τμήματα με ομοιόμορφη θερμοκρασία: το τμήμα που αντιστοιχεί στην περιοχή του μετώπου της φωτιάς και το τμήμα που αντιστοιχεί στον περιβάλλοντα χώρο που απομένει στο εικονοστοιχείο. Καθένα 103

111 από τα δύο αυτά τμήματα μπορεί να καταλαμβάνει επιφάνεια από 0% έως 100% του εικονοστοιχείου. Ο Dosier με τη μέθοδο αυτή έδειξε ότι θερμικές ανωμαλίες οι οποίες μπορεί να καταλαμβάνουν περιοχή μικρότερης χωρικής διάστασης από το εικονοστοιχείο του AVHRR, μπορούν να ανιχνευτούν από τον συγκεκριμένο δέκτη λόγω της διαφοράς στην καταγραφή του εκπεμπόμενου από αυτές σήματος από τα κανάλια 3 και 4. Η μέθοδος αυτή καταλήγει σε ένα ζεύγος μη γραμμικών εξισώσεων οι οποίες μπορούν να δώσουν αποτελέσματα για τη θερμοκρασία που παρουσιάζει η θερμική ανωμαλία καθώς και για την επιφάνεια που αυτή καταλαμβάνει. Προϋπόθεση για τη λύση των εξισώσεων αυτών είναι να είναι γνωστή αφ ενός η θερμοκρασία του χώρου που περιβάλλει τη θερμική ανωμαλία μέσα στο ίδιο εικονοστοιχείο (θερμοκρασία η οποία μπορεί να υπολογιστεί μέσω των γειτονικών εικονοστοιχείων με χρήση Split Window αλγορίθμου για τη διόρθωση της επίδρασης του ατμοσφαιρικού υδρατμού στο σήμα) και αφ ετέρου οι θερμοκρασίες λαμπρότητας στα κανάλια 3 και 4. Η μέθοδος αυτή έχει τον περιορισμό να μην υπάρχει κορεσμός και στα δύο κανάλια για το εικονοστοιχείο στο οποίο περιέχεται η θερμική ανωμαλία. Το μοντέλο Dosier Η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από ένα τμήμα της γήινης επιφάνειας με σταθερή θερμοκρασία η οποία καταγράφεται σε ένα κανάλι του AVHRR είναι δυνατό να υπολογιστεί από το ολοκλήρωμα του γινομένου της συνάρτησης του Planck επί τη φασματική απόκριση του συγκεκριμένου καναλιού θεωρώντας την επίδραση της ατμόσφαιρας αμελητέα (Dosier, 1981): 104

112 όπου, λ είναι το μήκος κύματος, Τ είναι η θερμοκρασία της επιφάνειας σε Κ, ε λ Φ(λ) Β(λ,Τ) 1 π L( λ, Τ) = 0 ε Β( λ, Τ) Φ( λ.) dλ λ 0 Φ( λ.) dλ είναι ο συντελεστής εκπομπής της επιφάνειας ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί σταθερός για όλα τα κανάλια του AVHRR και να μετατοπιστεί έξω από το ολοκλήρωμα στην πιο πάνω σχέση, είναι η φασματική απόκριση του καναλιού στο συγκεκριμένο μήκος κύματος, είναι η συνάρτηση του Planck, η οποία καθορίζει την ένταση της ακτινοβολίας μήκους κύματος λ, η οποία εκπέμπεται από μέλλαν σώμα το οποίο έχει θερμοκρασία Τ και δίδεται από τη σχέση: Β( λ, Τ) = c 5 λ ( e 2 c2 λτ 1) όπου, c 1 c 2 είναι η πρώτη σταθερά του Planck ( *10-5 mwm -2 sr -1 cm). είναι η δεύτερη σταθερά του Planck ( *10-5 cm Κ). 105

113 Θεωρώντας την επιφάνεια της γης σαν μέλαν σώμα ο συντελεστής εκπομπής γίνεται μονάδα. Στην περίπτωση αυτή είναι δυνατό να εξαχθεί η θερμοκρασία της επιφάνειας μέσω αντιστροφής της πρώτης σχέσης (L - 1 (λ,τ)): T = c 2 5 λ λ ln(1+ c 1 B) Κάθε εικονοστοιχείο θεωρείται ότι αποτελείται από δύο τμήματα με ομοιόμορφη θερμοκρασία: το τμήμα που αντιστοιχεί στην περιοχή του μετώπου της φωτιάς το οποίο καταλαμβάνει ποσοστό p (0 p 1) της έκτασης του εικονοστοιχείου και έχει θερμοκρασία Τ t και το τμήμα που αντιστοιχεί στον συμπληρωματικό χώρο το οποίο καταλαμβάνει ποσοστό 1-p της έκτασης του εικονοστοιχείου και έχει θερμοκρασία Τ b. Αν L j (T) με j [3,4], είναι η ένταση της ακτινοβολίας που καταγράφεται στο κανάλι 3 ή 4 του AVHRR, θεωρώντας αμελητέα την επίδραση της ατμόσφαιρας, η θερμοκρασία λαμπρότητας (T j ) για το συγκεκριμένο εικονοστοιχείο δίδεται από τη σχέση: T 1 j = L j [ pl j ( T ) + (1 p) L t j ( T b )] Αν η θερμοκρασία Τ b εκτιμηθεί με βάση τα γειτονικά εικονοστοιχεία στα οποία δεν υπάρχει μέτωπο φωτιάς, το ζεύγος των εξισώσεων (j=3 ή 4) έχει δύο αγνώστους: την θερμοκρασία του μετώπου της φωτιάς (Τ t ) και την έκταση (p) που αυτό καταλαμβάνει. Συνεπώς η κατάληξη είναι το παρακάτω σύστημα των μη γραμικών εξισώσεων το οποίο μπορεί να επιλυθεί αριθμητικά (Dosier, 1981, Flannigan and Vonder Haar, 1986): L ( T ) [ pl ( T ) + (1 p) L ( T )] = 0 j j j t j b 106

114 Η πρώτη εφαρμογή ανίχνευσης φωτιάς με τη χρήση του AVHRR είχε να κάνει με σταθερά σημεία σε γνωστές θέσεις. Οι Matson and Dosier (1981) χρησιμοποίησαν δεδομένα του δορυφόρου NOAA-6 για την απεικόνιση περιοχών υψηλών θερμοκρασιών από βιομηχανικές πηγές στο Detroit καθώς και μετώπων φωτιάς σε απόβλητα επεξεργασίας πετρελαιοειδών στον Περσικό Κόλπο. Οι Muirhead και Cracknell (1984) με χρήση δεδομένων από τον ίδιο δορυφόρο προχώρησαν στην ανίχνευση φωτιάς σε πετρελαιοπηγές στην Βόρεια Θάλασσα. Η βασική διαφορά στις δύο παραπάνω περιπτώσεις είναι ότι οι Muirhead και Cracknell (1984) χρησιμοποίησαν ημερήσιες εικόνες στις οποίες το ποσοστό της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας που καταγράφεται στο κανάλι 3 πρέπει να ληφθεί υπόψη, ενώ οι Matson and Dosier (1981) χρησιμοποίησαν νυχτερινές εικόνες στις οποίες δεν υπάρχει ηλιακό σήμα. Σε επόμενες εργασίες το AVHRR χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση πυρκαγιών σε περιοχές με βλάστηση. Οι Matson et al. (1984) χρησιμοποίησαν ημερήσια δεδομένα του δορυφόρου NOAA-7 για την απεικόνιση πυρκαγιών στις Ηνωμένες Πολιτείες και στη Βραζιλία. Στις περιπτώσεις αυτές υπήρχε η επιβεβαίωση για τις φωτιές από δασικές υπηρεσίες, από υλοτομικές εταιρίες και από τις αστυνομικές αρχές. Οι Muirhead και Cracknell (1985) χρησιμοποίησαν ημερήσια δεδομένα του δορυφόρου NOAA-7 για την απεικόνιση της καύσης υπολειμμάτων σε καλλιέργειες σιτηρών στη Μεγάλη Βρετανία. Στις εργασίες των Flannigan και Vonder Haar (1986) και Flannigan (1985) παρουσιάζεται για πρώτη φορά η προσπάθεια αυτοματοποίησης μιας πολυκριτηριακής διαδικασίας ανίχνευσης των μετώπων φωτιάς. Χρησιμοποιούνται ημερήσια και νυχτερινά δεδομένα από τον δορυφόρο NOAA-7, για την απεικόνιση δασικών πυρκαγιών στην βόρεια - κεντρική Alberta στον Καναδά. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή γίνεται έλεγχος των κριτηρίων ανίχνευσης 107

115 με βάση ένα υποσύνολο των δεδομένων και έπειτα η αυτόματη εφαρμογή τους σε όλο το σύνολο των δεδομένων. Η ανίχνευση ενός μετώπου φωτιάς γίνεται εξετάζοντας αν η διαφορά των θερμοκρασιών ακτινοβολίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 του AVHRR υπερβαίνει το κατώφλι των 8 Κ για τις νυχτερινές εικόνες και το κατώφλι των 10 Κ για τις ημερήσιες εικόνες. Στις περιπτώσεις αυτές υπήρχε επίσης η επιβεβαίωση για τις φωτιές από τις αναφορές της δασικής υπηρεσίας της Alberta. Σε ποσοστό 41% οι φωτιές είχαν καταγραφεί από τον δορυφορικό ανιχνευτή (δεν υπήρχε νέφωση, ούτε το παραγόμενο λοφίο ήταν σε θέση να αποκρύψει το μέτωπο της φωτιάς). Από τις περιπτώσεις αυτές το 80% μπόρεσαν να ανιχνευτούν με βάση τη μέθοδο των Flannigan και Vonder Haar (1986). Η επιτυχία του AVHRR στην απεικόνιση της χωρικής έκτασης των μετώπων της φωτιάς ήταν 70% για μικρά μέτωπα και 50% για μεγάλα μέτωπα. Με βάση την αποκτηθείσα εμπειρία, προέκυψε ένας αριθμός εργασιών στις οποίες εφαρμόστηκαν παρόμοιες μέθοδοι σε διάφορες περιοχές (Matson et al., 1987; Matson and Holben, 1987; Stephens and Matson, 1989; Langaas and Muirhead, 1989). Παρόλο που οι εργασίες αυτές δεν εστιάζουν στα κριτήρια ανίχνευσης των μετώπων της φωτιάς από το AVHRR αλλά εκμεταλλεύονται κυρίως πληροφορίες από διάφορες πηγές για τα συμβάντα, ωστόσο συμβάλλουν σημαντικά στην εξέλιξη της μεθόδου λόγω του γεγονότος ότι πραγματεύονται θέματα όπως οι περιορισμοί και τα προβλήματα του συγκεκριμένου δορυφορικού δέκτη για την ανίχνευση της φωτιάς. Μεταξύ άλλων εξετάζονται: η παραπλάνηση από σταθερές πηγές μεγάλων θερμοκρασιών στην επιφάνεια του εδάφους που δεν έχουν σχέση με φωτιά (Stephens and Matson, 1989), η απόκρυψη του μετώπου της φωτιάς από το λοφίο που δημιουργείται (Matson et al. 1987, Matson and Holben 1987), καθώς και προβλήματα που σχετίζονται με την ικανότητα εκπομπής και την ανακλαστικότητα της επιφάνειας, την επικάλυψη των εικονοστοιχείων μιας εικόνας τα οποία δεν αποτυπώνονται από τον δορυφορικό δέκτη σε κατακόρυφη 108

116 διεύθυνση και η παρεμβολή τιμών θερμοκρασιών από εικονοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν πρόσφατα κατεστραμμένες από φωτιά θερμές περιοχές στο μοντέλο των εξισώσεων του Dosier (Langaas and Muirhead, 1989). Οι Lee και Tag (1990) παρουσίασαν μια εναλλακτική μέθοδο για την ανίχνευση της φωτιάς. Ουσιαστικά χρησιμοποίησαν ένα υποκειμενικό κατώφλι για τη θερμοκρασία του μετώπου της φωτιάς και με βάση το μοντέλο του Dozier ανέπτυξαν έναν συμβουλευτικό πίνακα αντιστοίχησης με τη βοήθεια του οποίου διαχωρίστηκαν οι συνδυασμοί εκείνοι των δορυφορικών μετρήσεων οι οποίες έδιναν θετικό αποτέλεσμα ανίχνευσης. Παράλληλα χρησιμοποίησαν ατμοσφαιρικές διορθώσεις για την εκτίμηση της θερμοκρασίας των γειτονικών του μετώπου εικονοστοιχείων με βάση το μοντέλο των McClain et al. (1985). Εφαρμογή της μεθόδου γίνεται για τις περιοχές του San Francisco και του Περσικού Κόλπου με βάση νυχτερινές απεικονίσεις του AVHRR. Οι Kaufman et al. (1990a,b) εφάρμοσαν τις μεθόδους ανίχνευσης φωτιάς σε δεδομένα του δορυφόρου NOAA-9 για την εκτίμηση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από την καύση βιομάζας. Μέτωπα φωτιάς ανιχνεύτηκαν σε εικονοστοιχεία τα οποία πληρούσαν τα παρακάτω τρία κριτήρια: Το πρώτο κριτήριο εξετάζει το αν η θερμοκρασία ακτινοβολίας στο κανάλι 3 παίρνει τέτοιες υψηλές τιμές ώστε να δικαιολογείται η ύπαρξη φωτιάς στην επιφάνεια. Το δεύτερο κριτήριο εξετάζει αν η διαφορά στη θερμοκρασία ακτινοβολίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 είναι μεγαλύτερη από 10 Κ. Το τρίτο κριτήριο ελέγχει την ύπαρξη υψηλών νεφών. Οι Setzer και Pereira (1991a) χρησιμοποίησαν δεδομένα από τον δορυφόρο NOAA-11 για την ανίχνευση δασικών πυρκαγιών στη Βραζιλία. Η ανίχνευση ήταν επιτυχής κατά 96% σύμφωνα με επίγειες αναφορές. Επίσης, οι Setzer και Pereira 109

117 (1991b) χρησιμοποίησαν ένα σταθερό κατώφλι για τη θερμοκρασία ακτινοβολίας στο κανάλι 3 με σκοπό τον εντοπισμό εικονοστοιχείων που πιθανόν αντιστοιχούσαν σε μέτωπα φωτιάς. Από τα εικονοστοιχεία που εντοπίστηκαν επελέγησαν τελικά αυτά στην περιοχή των οποίων παρουσιάστηκε λοφίο στο κανάλι 1. Για την εκτίμηση της έκτασης των περιοχών οι οποίες έχουν καταστραφεί από τη φωτιά γίνεται συνδυασμένη χρήση εικόνων NOAA/AVHRR και LANDSAT/TM. Οι Pereira et al. (1991) χρησιμοποιούν δεδομένα AVHRR από πέντε συνολικά ημέρες και δεδομένα LANDSAT/TM από την έκτη ημέρα για την αξιολόγηση της ανίχνευσης των μετώπων της φωτιάς καθώς και για την εκτίμηση της έκτασης των καμένων περιοχών. Οι Bruster et al. (1991a) ανίχνευσαν όμοια συμβάντα στην περιοχή της Δυτικής Αφρικής. Σε μερικές περιπτώσεις η ανίχνευση ήταν επιτυχής με τη χρήση ενός μόνο κατωφλίου για τη θερμοκρασία λαμπρότητας του καναλιού 3. Σε άλλες περιπτώσεις όπου υπήρχε ξηρή βλάστηση ή γυμνές θερμές επιφάνειες με μεγάλη ανακλαστικότητα, ήταν απαραίτητη η χρήση και ενός δεύτερου κατωφλίου για το κανάλι 4. Οι Gregoire et al. (1993) έδειξαν ότι εκτεταμένες περιοχές στη Δυτική Αφρική την ξηρή περίοδο μπορούν να δώσουν αναληθές σήμα φωτιάς στο κανάλι 3 λόγω της ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία είναι σε θέση να προκαλέσει τον κορεσμό του συγκεκριμένου καναλιού. Οι Cahoon et al. (1991) εφήρμοσαν με επιτυχία τις μεθόδους ανίχνευσης σε εκτεταμένες φωτιές στην περιοχή της Κίνας χρησιμοποιώντας εικόνες από τον δορυφόρο NOAA-9. H Robinson (1991) παρέθεσε μία επισκόπηση των μεθόδων ανίχνευσης φωτιάς από δορυφορικούς ανιχνευτές, τα προβλήματα που παρουσιάζονται, καθώς και τους περιορισμούς που υπάρχουν. 110

118 Ο Kennedy (1992) έδωσε επίσης μια επισκόπηση των μεθόδων, των περιορισμών και των προβλημάτων. Οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για πυρκαγιές από καύση βιομάζας μπορούν να εφαρμοστούν και σε περιπτώσεις φωτιάς σε αστικό περιβάλλον όπως έδειξαν οι Doussett et al. (1993). Οι Pereira Setzer και (1993a) ανίχνευσαν δασικές πυρκαγιές στην Βραζιλία χρησιμοποιώντας ένα κατώφλι για το κανάλι 3 το οποίο εφαρμόστηκε απευθείας στις ψηφιακές τιμές του καναλιού χωρίς να απαιτείται η μετατροπή τους σε τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας. Eίναι απαραίτητο να τονιστεί ότι η ανίχνευση και η παρακολούθηση ενεργών μετώπων φωτιάς απαιτεί απουσία νέφωσης στην περιοχή του μετώπου. Επίσης, το κανάλι 3 που κυρίως χρησιμοποιείται στην ανίχνευση της φωτιάς είναι ευαίσθητο και στην ακτινοβολία που εκπέμπεται από επιφάνειες με ξηρό έδαφος καθώς και από επιφάνειες που έχουν καταστραφεί από τη φωτιά, λόγω του ότι οι επιφάνειες αυτές έχουν την ιδιότητα να ανακλούν ποσοστά ηλιακής ακτινοβολίας τέτοια που να είναι σε θέση να προκαλέσουν κορεσμό του καναλιού 3 (Cass et al., 1984, Bruster et al., 1991b). Το λοφίο που παράγεται από τη φωτιά είναι σε θέση να απορροφά και να ανακλά την ακτινοβολία που προέρχεται από το μέτωπο της φωτιάς. Η εξασθένιση του σήματος που προκαλείται εξαρτάται από τη θέση και τη γεωμετρία του λοφίου, το ρυθμό εκπομπής, το πεδίο του ανέμου, την ευστάθεια της ατμόσφαιρας και την υγρασία. Κατά τη διάρκεια ενός συμβάντος πυρκαγιάς απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα σωματίδια και αέρια από την καιόμενη ύλη. Ένα μεγάλο ποσοστό από τα σωματίδια αυτά είναι υγροσκοπικά συμβάλλοντας ακόμα περισσότερο στην εξασθένιση του σήματος λόγω της συμπύκνωσης των υδρατμών που προκαλείται. 111

119 Τα περισσότερα από τα αερολύματα που απελευθερώνουν στην ατμόσφαιρα οι φωτιές έχουν διάμετρο της τάξης των 0,1-0,5 μm (McMahon, 1983), με ισχυρή τάση συγκέντρωσης στην περιοχή 0,3-0,5 μm. Επειδή η σκέδαση λόγω αερολυμάτων είναι περισσότερο ισχυρή στα μήκη κύματος που είναι της τάξης μεγέθους της διαμέτρου των σωματιδίων, η απόκρυψη του μετώπου της φωτιάς από το αερολύματα του λοφίου είναι ισχυρότερη στην περιοχή του ορατού, πιο ασθενής στην περιοχή του μέσου υπέρυθρου και ανύπαρκτη στην περιοχή του θερμικού υπέρυθρου (Robinson, 1991, Matson et al., 1987). Τα αερολύματα που συνιστούν το λοφίο λόγω της υγροσκοπικότητάς τους παίζουν το ρόλο πυρήνων συμπύκνωσης για τον ατμοσφαιρικό υδρατμό. Η συμπύκνωση των υδρατμών στην περιοχή του λοφίου έχει σαν αποτέλεσμα το σχηματισμό νέφους (Van Dinh et al., 1992). Με χρήση ενός μοντέλου διάδοσης ακτινοβολίας (Tanre et al., 1990), μέσω του υπολογισμού του οπτικού βάθους των αερολυμάτων, είναι δυνατόν να εντοπισθεί ένας αριθμός ενεργών μετώπων φωτιάς που αποκρύπτονται από λοφία. Γ. Ανάλυση της μεθοδολογίας ανίχνευσης μετώπων φωτιάς στις εικόνες του AVHRR. Για τον εντοπισμό ενός ενεργού μετώπου φωτιάς στην επιφάνεια της γης, με βάση τις καταγραφές του AVHRR είναι απαραίτητη η χρήση ενός αλγορίθμου ο οποίος να λαμβάνει υπόψη του συγκεκριμένα κριτήρια ανίχνευσης τα οποία συνήθως είναι πολυφασματικά. Ο αλγόριθμος δηλαδή θα πρέπει να είναι σε θέση να διαχωρίζει ένα σήμα φωτιάς από την υποκείμενη επιφάνεια καθώς και να μην επηρεάζεται από άλλα σήματα με παρόμοια φασματικά χαρακτηριστικά. Σε 112

120 γενικές γραμμές οι αλγόριθμοι που έχουν αναπτυχθεί χρησιμοποιούν τη θερμοκρασία λαμπρότητας στο κανάλι 3 (Τ 3 ) ή στο κανάλι 4 (Τ 4 ) ή τη διαφορά τους (ΔΤ 34 =Τ 3 -Τ 4 ), καθώς και πληροφορία η οποία λαμβάνεται από τα γειτονικά εικονοστοιχεία του εικονοστοιχείου που αντιστοιχεί στο μέτωπο της φωτιάς. Σαν σήμα φωτιάς μπορεί γενικά να θεωρηθεί η καταγραφή υψηλών ψηφιακών τιμών για ένα εικονοστοιχείο σε σχέση με τα γειτονικά του στο κανάλι 3. Οι ψηφιακές τιμές των γειτονικών εικονοστοιχείων τα οποία συνιστούν την υποκείμενη επιφάνεια παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις όπως καταγράφονται στο κανάλι 3. Κατά συνέπεια, σε μικρής έκτασης φωτιές με χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες, είναι δύσκολος ο διαχωρισμός των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο μέτωπο από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στην υποκείμενη επιφάνεια με βάση μόνο τις καταγραφές του καναλιού 3. Θεωρητικά υπάρχει ένα κατώτατο όριο ανίχνευσης το οποίο είναι εφαρμόσιμο σε όλους τους αλγόριθμους και είναι συνάρτηση του πλάτους διακύμανσης των ψηφιακών τιμών των εικονοστοιχείων της επιφάνειας. Στην πράξη ο κάθε αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιεί κατώτατα όρια τα οποία διαφέρουν από το θεωρητικό όριο, ανάλογα με τη δομή του και την ικανότητά του στην διάκριση του σήματος της φωτιάς. Όμοια, οι αλγόριθμοι που βασίζονται στην διαφορά των θερμοκρασιών λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 θα πρέπει να έχουν ένα ανώτατο όριο ανίχνευσης. Μέτωπα φωτιάς τα οποία δίνουν σήμα πιο ισχυρό από το ανώτατο αυτό όριο, τείνουν να προκαλέσουν κορεσμό και κατά συνέπεια μείωση της τιμής της διαφοράς ΔΤ 34. Θεωρητικές προσομοιώσεις έχουν δείξει ότι τόσο το κατώτατο όσο και το ανώτατο όριο ανίχνευσης μπορούν να πάρουν τιμές οι οποίες εξαρτώνται από την εκάστοτε τεχνική που εφαρμόζεται για τον εντοπισμό των μετώπων (Dowty, 1993). 113

121 Είναι επίσης σημαντικό να εντοπίζονται οι παράγοντες εκείνοι οι οποίοι χωρίς να έχουν σχέση με φωτιά, δίνουν υψηλές ψηφιακές τιμές σε κάποια εικονοστοιχεία όπως καταγράφονται από τα υπέρυθρα κανάλια του AVHRR και ιδιαίτερα από το κανάλι 3 στο μέσο υπέρυθρο. Οι Cooper and Asrar (1989) έδειξαν ότι απουσία φωτιάς υπάρχει μια πραγματική διαφορά στη θερμοκρασία λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 η οποία είναι της τάξης των 5 με 6 Κ. Θεωρητικές προσομοιώσεις έχουν δείξει ότι η διαφορά αυτή μπορεί να είναι της τάξης των 15 Κ σε ακραίες περιπτώσεις (Dowty, 1993). Οι παράγοντες που μπορεί να είναι υπεύθυνοι για την αύξηση της διαφοράς αυτής μπορεί να είναι: η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς, η ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία η οποία καταγράφεται στο κανάλι 3, η επίδραση των μικρών διαστάσεων (μικρότερων του εικονοστοιχείου) ανωμαλιών της επιφάνειας με διαφορετικά χαρακτηριστικά εκπομπής και ανάκλασης, καθώς και η παρουσία νεφών με χωρικές διαστάσεις μικρότερες του εικονοστοιχείου. Κάποιοι από του παράγοντες αυτούς, όπως η περιεκτικότητα της ατμόσφαιρας σε υδρατμούς, έχουν ομοιόμορφη δράση σε μια μεγάλη περιοχή με συνέπεια η επίδρασή τους να μπορεί σχετικά εύκολα να εκτιμηθεί. Κάποιοι άλλοι όπως τα μικρών διαστάσεων νέφη, έχουν τοπική δράση με συνέπεια η επίδρασή τους να εντοπίζεται δύσκολα. Για παράδειγμα κάποιοι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούν μόνο τη διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4, δίνουν πολλές φορές λανθασμένο σήμα για την ύπαρξη φωτιάς σε κάποια εικονοστοιχεία τα οποία καλύπτονται μερικά από τις άκρες των νεφών. Κατά τη διάρκεια της ημέρας οι ψηφιακές τιμές του καναλιού 3 μπορεί να είναι αρκετά υψηλές λόγω της καταγραφής της απευθείας ανακλώμενης στην επιφάνεια ηλιακής ακτινοβολίας (sun glint). Αυτό μπορεί να γίνει στην περίπτωση που η γεωμετρία του συστήματος ήλιος-γη-δορυφόρος είναι τέτοια που η γωνία 114

122 πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια να ισούται με τη γωνία ανάκλασης της καταγραφόμενης από το δορυφόρο ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο πάνω από τις εκτεταμένες θαλάσσιες επιφάνειες (Nath et al., 1993, Cracknell, 1993). Τέλος, η επικάλυψη των εικονοστοιχείων που λαμβάνει χώρα όταν η σάρωση γίνεται σε μεγάλες γωνίες από το ναδίρ του δορυφόρου έχει σημαντική επίδραση στην ανίχνευση μετώπων φωτιάς στην επιφάνεια. Για μεγάλες γωνίες σάρωσης, πάνω από 60% της περιοχής που απεικονίζεται σε ένα εικονοστοιχείο, απεικονίζεται επίσης και στα γειτονικά εικονοστοιχεία (Cahoon et al., 1992a). Το γεγονός αυτό μπορεί να οδηγήσει στην υπερεκτίμηση του αριθμού των μετώπων της φωτιάς. Ταξινόμηση των κυριοτέρων μεθόδων ανίχνευσης φωτιάς. Οι κυριότεροι αλγόριθμοι για την ανίχνευση των μετώπων φωτιάς μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: Ι) αλγόριθμοι σταθερού κατωφλίου, ΙΙ) αλγόριθμος των Lee and Tag, ΙΙΙ) αλγόριθμοι χωρικής ανάλυσης. Οι κατηγορίες αυτές παρουσιάζονται αναλυτικά παρακάτω χωρίς να δίδεται έμφαση στις διαδικασίες εντοπισμού των νεφών που ούτως ή άλλως περιλαμβάνονται σε κάθε αλγόριθμο εντοπισμού φωτιάς. Ι) Αλγόριθμοι σταθερού κατωφλίου. Σύμφωνα με τις τεχνικές αυτές συγκρίνονται οι τιμές των εικονοστοιχείων του AVHRR με συγκεκριμένες σταθερές τιμές (κατώφλια) και ανάλογα με αν τις υπερβαίνουν ή όχι, τα εικονοστοιχεία αυτά μπορούν να ταξινομηθούν σαν 115

123 δυνητικά μέτωπα φωτιάς. Συνήθως χρησιμοποιείται ένα κατώφλι για τη διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 (ΔΤ 34 ), μερικές φορές σε συνδυασμό με ένα κατώφλι για τη θερμοκρασία λαμπρότητας του καναλιού 3 (Τ 3 ) ή του καναλιού 4 (Τ 4 ). Η μέθοδος των Flannigan and Vonder Haar (1986) περιλαμβάνει τους ελέγχους: α) Τ 3 > Τ 3b β) Τ 4 > Τ 4b γ) ΔΤ 34 > 8 Κ (νύχτα) ΔΤ 34 > 10 Κ (ημέρα) όπου: Τ 3b και Τ 4b είναι οι μέσες τιμές των θερμοκρασιών Τ 3 και Τ 4 αντίστοιχα που υπολογίζονται από τα γειτονικά εικονοστοιχεία. Οι δύο πρώτοι έλεγχοι εξασφαλίζουν ότι ένα εικονοστοιχείο έχει θερμοκρασία μεγαλύτερη από τον περιβάλλοντα χώρο, ενώ ο τρίτος συγκρίνει την τιμή της διαφοράς ΔΤ 34 με ένα δεδομένο κατώφλι για το συγκεκριμένο εικονοστοιχείο. Το κατώφλι που χρησιμοποιείται για την ημέρα είναι μεγαλύτερο λόγω της ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θέρμανσης του εδάφους. Η προσέγγιση αυτή χρησιμοποιεί χωρική ανάλυση για τον υπολογισμό των τιμών των Τ 3b και Τ 4b αλλά κατατάσσεται εδώ σαν αλγόριθμος σταθερού κατωφλίου γιατί ο τρίτος έλεγχος είναι περισσότερο σημαντικός. Ο εντοπισμός των νεφών γίνεται ξεχωριστά με βάση τη μέθοδο των Coakley and Bretherton (1982). Οι Kaufman et al. (1990a, b) χρησιμοποίησαν τρεις ελέγχους για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς σε δασικές πυρκαγιές στη Βραζιλία: α) Τ Κ β) ΔΤ 34 > 10 Κ γ) Τ 4 > 250 Κ 116

124 Ο πρώτος έλεγχος εξασφαλίζει ότι το εικονοστοιχείο παρουσιάζει υψηλή θερμοκρασία. Ο δεύτερος έλεγχος χρησιμοποιείται με τον ίδιο τρόπο όπως στη μέθοδο των Flannigan and Vonder Haar (1986), ενώ ο τρίτος έλεγχος έχει σκοπό τον εντοπισμό των νεφών τα οποία παρουσιάζουν ισχυρή ανάκλαση στο κανάλι 3 αλλά χαμηλή θερμοκρασία λαμπρότητας στο κανάλι 4. Παρόμοιες εργασίες στην ίδια περιοχή βασίζονται στη χρήση μόνο ενός κατωφλίου στο κανάλι 3 με την προϋπόθεση ότι το λοφίο που σχηματίζεται από τη φωτιά έχει ανιχνευτεί στο κανάλι 1. Οι Setzer and Pereira (1991b) χρησιμοποιούν τους ελέγχους: α) Τ Κ β) Ανίχνευση λοφίου στο κανάλι 1 Οι Kaufman et al. (1992) χρησιμοποίησαν μόνο το κριτήριο Τ Κ για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς πάνω από περιοχές σαβάνας. Οι Pereira et al. (1991) και οι Pereira and Setzer (1993a) χρησιμοποιούν μόνο ένα κατώφλι στο κανάλι 3 με τη διαφορά ότι το κατώφλι αυτό εφαρμόζεται απευθείας στις ψηφιακές τιμές που έχουν καταγραφεί για το συγκεκριμένο κανάλι και όχι στις τιμές της θερμοκρασίας λαμπρότητας. Οι Franca et al. (1993b, 1995) χρησιμοποίησαν τους ακόλουθους ελέγχους για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς κατά τη διάρκεια της ημέρας: α) Τ Κ β) ΔΤ 34 > 15 Κ γ) Τ 4 > 287 Κ δ) 0 ΔΤ 45 5 Κ ε) Α 1 < 9% 117

125 όπου Α 1 είναι η ανακλαστικότητα στο κανάλι 1 και ΔΤ 45 είναι η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 4 και 5. Οι πρώτοι τρείς έλεγχοι χρησιμοποιούνται με τον ίδιο τρόπο όπως στη μέθοδο των Kaufman et al. (1990a, b), ενώ οι δύο τελευταίοι αυξάνουν την ικανότητα του αλγορίθμου στον εντοπισμό των νεφών ιδιαίτερα στην περίπτωση που έχουν διαστάσεις μικρότερες του εικονοστοιχείου. Οι Kennedy et al. (1994) χρησιμοποιούν τους ακόλουθους ελέγχους για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς: α) Τ Κ β) ΔΤ 34 > 15 Κ γ) Α 2 16% όπου Α 2 είναι η ανακλαστικότητα στο επίπεδο της κορυφής της ατμόσφαιρας που καταγράφεται στο κανάλι 2. Οι έλεγχοι χρησιμοπούνται με τον ίδιο τρόπο όπως στη μέθοδο των Kaufman et al. (1990a, b) με τη διαφορά ότι οι τιμές των κατωφλίων έχουν μεταβληθεί για να περιλάβουν μια πιο ευρεία κλίμακα υποκείμενων επιφανειών. Οι αλγόριθμοι σταθερού κατωφλίου όπως έχει διαπιστωθεί δίνουν πολύ καλά αποτελέσματα σε συγκεκριμένες περιοχές για τις οποίες έχουν αναπτυχθεί. Σε πολλές περιπτώσεις οι αλγόριθμοι αυτοί είναι λειτουργικοί σε συγκεκριμένες περιόδους του έτους. Εφαρμογή ενός τέτοιου αλγορίθμου σε διαφορετική περιοχή και σε διαφορετική περίοδο του έτους είναι πιθανό να απαιτεί σημαντικές τροποποιήσεις στις τιμές των κατωφλίων που χρησιμοποιεί. 118

126 ΙΙ) Αλγόριθμος των Lee and Tag. Οι Lee and Tag (1990) συγκρίνουν μια προσαρμοσμένη τιμή θερμοκρασίας λαμπρότητας στο κανάλι 3 με την τιμή ενός κατωφλίου η οποία επιλέγεται με βάση τις υπάρχουσες τιμές των εικονοστοιχείων. Πιο συγκεκριμένα η τιμή του κατωφλίου καθορίζεται σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας της υποκείμενης επιφάνειας και μιας προσαρμοσμένης τιμής θερμοκρασίας λαμπρότητας στο κανάλι 4 χρησιμοποιώντας το μοντέλο του Dosier. Η μέθοδος των Lee and Tag ολοκληρώνεται σε τρία βήματα: Βήμα 1 ο : Εκτιμάται η θερμοκρασία της υποκείμενης επιφάνειας και υπολογίζονται οι προσαρμοσμένες τιμές των θερμοκρασιών λαμπρότητας. α) Υπολογίζεται η μέση τιμή των θερμοκρασιών λαμπρότητας των εικονοστοιχείων που είναι γειτονικά του εικονοστοιχείου που εξετάζεται για την ανίχνευση του μετώπου της φωτιάς. Η διαδικασία αυτή γίνεται δύο φορές, μία για τα τέσσερα διαγώνια εικονοστοιχεία και μία για τα τέσσερα εικονοστοιχεία πάνω, κάτω, αριστερά και δεξιά και συγκρίνονται τα αποτελέσματα. Έτσι για καθένα από τα κανάλια 3, 4 και 5 υπολογίζεται μια θερμοκρασία λαμπρότητας για την υποκείμενη επιφάνεια Τ 3b, T 4b και T 5b αντίστοιχα. β) Με βάση τις παραπάνω τιμές θερμοκρασιών λαμπρότητας και τους αλγόριθμους ατμοσφαιρικών διορθώσεων των McClain et al. (1985) γίνεται εκτίμηση της θερμοκρασίας της υποκείμενης επιφάνειας Τ b. γ) Τρεις διορθωτικοί παράγοντες υπολογίζονται με αφαίρεση των Τ 3b, T 4b και T 5b από την Τ b. 119

127 δ) Οι διορθωτικοί αυτοί παράγοντες προστίθενται στις αντίστοιχες τιμές των θερμοκρασιών λαμπρότητας για κάθε κανάλι οι οποίες έχουν καταγραφεί για το εικονοστοιχείο που ενδιαφέρει. Με τον τρόπο αυτόν υπολογίζονται οι προσαρμοσμένες τιμές θερμοκρασιών λαμπρότητας για τα κανάλια 3 και 4, T * 3 και T * 4 αντίστοιχα. Η βασική ιδέα στην εφαρμογή του συγκεκριμένου αλγόριθμου είναι ότι η θερμοκρασία λαμπρότητας των γειτονικών εικονοστοιχείων τα οποία δεν περιέχουν μέτωπο φωτιάς θα πρέπει να συγκλίνει στην θερμοκρασία που έχει υπολογιστεί για την υποκείμενη επιφάνεια. Κάθε απόκλιση που παρατηρείται μπορεί να αποδοθεί σε παραμέτρους που επηρεάζουν με τον ίδιο τρόπο και το εικονοστοιχείο που ενδιαφέρει, όπως είναι οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις, οι επιδράσεις της ανάκλασης της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του εδάφους κ. α. Βήμα 2 ο : Υπολογίζεται η τιμή του κατωφλίου για τη θερμοκρασία λαμπρότητας του καναλιού 3. Χρησιμοποιείται το μοντέλο του Dosier για τη συσχέτιση των χαρακτηριστικών της επιφάνειας (έκταση και θερμοκρασία του μετώπου της φωτιάς, θερμοκρασία υποκείμενης επιφάνειας) με τις παρατηρήσεις του AVHRR. Καθορίζεται μια τιμή κατωφλίου Τ min για τη θερμοκρασία του μετώπου της φωτιάς, η οποία αντιπροσωπεύει την ελάχιστη θερμοκρασία μετώπου φωτιάς που ενδιαφέρει. Υπολογίζεται η έκταση που πρέπει να καταλαμβάνει το μέτωπο της φωτιάς ώστε η θερμοκρασία λαμπρότητας που καταγράφεται στο κανάλι 4 να συγκλίνει στην προσαρμοσμένη παρατηρούμενη τιμή T * 4. Βήμα 3 ο : Ελέγχεται το αν η προσαρμοσμένη τιμή της θερμοκρασίας λαμπρότητας του καναλιού 3 (T * 3 ) για το συγκεκριμένο εικονοστοιχείο υπερβαίνει την τιμή του κατωφλίου. Εάν το παραπάνω είναι αληθές, το εικονοστοιχείο ταξινομείται ως εικονοστοιχείο μετώπου φωτιάς. 120

128 ΙΙΙ) Αλγόριθμοι χωρικής ανάλυσης. Οι αλγόριθμοι αυτοί χρησιμοποιούν κατώφλια των οποίων οι τιμές προκύπτουν με βάση τις τιμές εικονοστοιχείων που είναι γειτονικά με το εικονοστοιχείο που ενδιαφέρει. Η μέθοδος αυτή διαφέρει από τη μέθοδο των Lee and Tag στο ότι οι τιμές των κατωφλίων υπολογίζονται εμπειρικά ή στατιστικά, ενώ οι Lee and Tag χρησιμοποιούν θεωρητικούς υπολογισμούς. Ένα σημαντικό στοιχείο των αλγορίθμων αυτών είναι η σύγκριση της τιμής της διαφοράς των θερμοκρασιών λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 (ΔΤ 34 ) ενός συγκεκριμένου εικονοστοιχείου με την τιμή ενός κατωφλίου η οποία καθορίζεται με βάση τις τιμές των γειτονικών του εικονοστοιχείων. Συνεπώς, τα κριτήρια ανίχνευσης των μετώπων φωτιάς στην περίπτωση αυτή είναι συνάρτηση της μεταβλητότητας των χαρακτηριστικών της υποκείμενης επιφάνειας. Σύμφωνα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται στο Goddard Space Flight Center της NASA ένα εικονοστοιχείο ταξινομείται σαν εικονοστοιχείο φωτιάς εάν ικανοποιούνται τα κριτήρια (NASA, 1986, 1990): α) Τ Κ β) Τ Κ γ) Τ 3 > Τ 4 Για κάθε πιθανό εικονοστοιχείο μετώπου, η τιμή της ΔΤ 34 συγκρίνεται κατόπιν με την τιμή ενός κατωφλίου η οποία υπολογίζεται από τα γειτονικά του εικονοστοιχεία. Η τιμή του κατωφλίου είναι ίση με τη μέση τιμή της ΔΤ 34 για τα γειτονικά εικονοστοιχεία συν δύο φορές την τιμή της τυπικής της απόκλισης. Υπάρχει και ένας πρόσθετος έλεγχος για τον αν η τιμή του κατωφλίου υπερβαίνει τους 3 Κ. Αν δεν υπερβαίνει την τιμή αυτή, τότε η τιμή του κατωφλίου τίθεται 121

129 ίση με 3 Κ. Αν η τιμή της ΔΤ 34 ενός εικονοστοιχείου υπερβαίνει την τιμή του κατωφλίου, τότε το εικονοστοιχείο αυτό ταξινομείται σαν εικονοστοιχείο μετώπου φωτιάς. Η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση που αναφέρονται παραπάνω υπολογίζονται ως εξής: Τα εικονοστοιχεία εκείνα που έχουν ταξινομηθεί σαν πιθανά εικονοστοιχεία μετώπων φωτιάς δεν λαμβάνονται υπόψη στους υπολογισμούς. Τα γειτονικά τους εικονοστοιχεία είναι δυνατό να περιλαμβάνονται σε ένα πλαίσιο διαστάσεων από 3x3 (8 εικονοστοιχεία) έως 21x21, μέχρι το 25% των γειτονικών εικονοστοιχείων να είναι σε θέση να συμμετέχει στους υπολογισμούς. Κατά συνέπεια, τουλάχιστον 3 εικονοστοιχεία χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της μέσης τιμής και της τυπικής απόκλισης. Ανεξάρτητα από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται κάθε φορά στην πράξη, το ραδιόμετρο AVHRR παρουσιάζει υψηλό δυναμικό στον εντοπισμό των μετώπων της φωτιάς. Παρ όλα αυτά υπάρχουν κάποια προβλήματα και κάποιοι περιορισμοί στην χρήση των καταγραφών του για το σκοπό αυτό. Ο πιο σημαντικός περιορισμός είναι η παρουσία εκτεταμένης νέφωσης. Επίσης η ύπαρξη απομονωμένων νεφών διαστάσεων μικρότερων του εικονοστοιχείου μπορεί να επιφέρει σύγχυση, δίνοντας αναληθές σήμα για την ύπαρξη φωτιάς. Άλλοι περιορισμοί που υπάρχουν έχουν να κάνουν με την ανακλώμενη στην επιφάνεια του εδάφους ηλιακή ακτινοβολία η οποία καταγράφεται στο κανάλι 3, καθώς και με την επίδραση των υδρατμών. Τέλος, η γεωμετρία λήψης του AVHRR είναι αιτία για τη μεταβλητότητα στο μέγεθος των εικονοστοιχείων σε αρκετές περιπτώσεις καθώς και για την επικάλυψή τους η οποία δυσκολεύει την ανίχνευση των μετώπων. 122

130 Δ. Ανάπτυξη αλγορίθμου για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς τα οποία προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα με βάση τις καταγραφές του AVHRR. Δ.1. Δεδομένα και μεθοδολογία. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες NOAA/AVHRR υψηλής ευκρίνειας (HRPT) που έχουν ληφθεί από το σταθμό του Πανεπιστημίου του Dundee. Στη συγκεκριμένη περίπτωση έχουν επιλεγεί οι εικόνες που έχουν ληφθεί από τους δορυφόρους ΝΟΑΑ 9, NOAA 11 και NOAA 14 στις ημερομηνίες 24 Φεβρουαρίου 1986, 2 Ιουνίου 1987, 6 Ιουλίου του 1988, 13 Απριλίου του 1991 και 13 Μαΐου Οι ημερομηνίες αυτές επιλέγονται για το λόγο ότι στην πρώτη περίπτωση εκδηλώθηκε βιομηχανικό ατύχημα στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας πετρελαιοειδών της Jet Oil στο Καλοχώρι Θεσσαλονίκης, στη δεύτερη περίπτωση εκδηλώθηκε μεγάλη πυρκαγιά στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας πετρελαιοειδών της Shell στη Λυών της Γαλλίας, στην τρίτη περίπτωση είχαμε μεγάλη έκρηξη και πυρκαγιά σε πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου και φυσικού αερίου της Occidental Piper Alpha στη Βόρεια Θάλασσα περίπου 190 Km Βορειοανατολικά του Aberdeen, στην τέταρτη περίπτωση εκδηλώθηκε μεγάλη πυρκαγιά στο δεξαμενόπλοιο Heaven στο σταθμό εκφόρτωσης πετρελαίου στο λιμάνι της Γένοβας στην Ιταλία (Chrysoulakis and Cartalis, 1998) και στην τελευταία περίπτωση εκδηλώθηκε ισχυρή έκρηξη η οποία επέφερε μεγάλη καταστροφή σε αποθήκη πυροτεχνημάτων στο Ενσέντε της Ολλανδίας. Οι εικόνες που χρησιμοποιούνται έχουν τη διαμόρφωση (format) NOAA Level 1-b και είναι δομημένες σε λέξεις των 10 bit (1024 gray levels). Η επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης του Τομέα Φυσικής Εφαρμογών του Πανεπιστημίου Αθηνών. Η εικόνα NOAA/AVHRR με 123

131 ημερομηνία λήψης 13 Μαίου 2000 (14.44 UTC) χρησιμοποιήθηκε ως εικόνα αναφοράς για την ανάπτυξη και τη βαθμονόμηση του αλγορίθμου, ενώ οι υπόλοιπες εικόνες χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή του αλγορίθμου και τον έλεγχο της αξιοπιστίας του. Στην Εικόνα 5.7 παρουσιάζεται η περιοχή εκδήλωσης του ατυχήματος στο Ενσέντε της Ολλανδίας στις 13 Μαΐου 2000, καθώς και το λοφίου που έχει προκληθεί κατά τα πρώτα στάδια εξέλιξής του, ενώ στην Εικόνα 5.8 παρουσιάζεται η δορυφορική καταγραφή του γεγονότος: Ψευδόχρωμη σύνθεση των καναλιών 1, 2 και 4 του ΑVHRR (RGB: 1 2 4) εικόνας με ημερομηνία λήψης 13 Μαϊου 2000 (14.44 UTC). Το κόκκινο βέλος στην εικόνα υποδεικνύει το σημείο εκδήλωσης του ατυχήματος και το λοφίο που έχει προκληθεί Εικόνα 5.7. Έκρηξη και πυρκαγιά σε αποθήκη πυροτεχνημάτων στο Ενσέντε της Ολλανδίας στις 13 Μαΐου 2000: Χάρτης της περιοχής και λοφίο που έχει σχηματιστεί κατά τα πρώτα στάδια της εξέλιξης του ατυχήματος. 124

132 Εικόνα 5.8. Δορυφορική καταγραφή του βιομηχανικού ατυχήματος στο Ενσέντε: Ψευδόχρωμη σύνθεση των καναλιών 1, 2 και 4 του ΑVHRR (RGB: 1 2 4) εικόνας με ημερομηνία λήψης 13 Μαΐου 2000 (14.44 UTC). Το κόκκινο βέλος στην εικόνα υποδεικνύει το σημείο εκδήλωσης του ατυχήματος και το λοφίο που έχει προκληθεί Αρχικά οι εικόνα AVHRR με ημερομηνία λήψης 13 Μαΐου 2000 (14.44 UTC) υφίσταται τις κατάλληλες γεωμετρικές διορθώσεις με βάση την πληροφορία που εμπεριέχεται στο format Level 1-b και κατόπιν εφαρμόζεται η μετατροπή των ψηφιακών τιμών των εικονοστοιχείων της σε τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας για τα κανάλια του υπέρυθρου και σε τιμές ανακλαστικότητας για τα κανάλια του ορατού. Η διαδικασία της γεωμετρικής διόρθωσης και της βαθμονόμησης έχει περιγραφεί εκτενώς στη σχετική ενότητα. Στη συνέχεια δημιουργείται ένα μοντέλο που χρησιμοποιεί αλγόριθμο με δύο κριτήρια για το φιλτράρισμα των νεφών που 125

133 υπάρχουν και ένα κριτήριο για τον έλεγχο του κατά πόσον η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 (ΔΤ 34 ) υπερβαίνει ένα ορισμένο κατώφλι. Το φιλτράρισμα των νεφών (μάσκα) είναι απαραίτητο γιατί στα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν σε νέφη, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 παίρνει μεγάλες τιμές με αποτέλεσμα να συγχέονται τα εικονοστοιχεία αυτά με εικονοστοιχεία που πιθανόν αντιστοιχούν σε περιοχές πολύ υψηλών θερμοκρασιών στην επιφάνεια της γης. Ο λόγος για τον οποίο η διαφορά (ΔΤ 34 ) παίρνει μεγάλες τιμές για τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στα νέφη είναι το γεγονός ότι τα νέφη ανακλούν πολύ ισχυρά την ηλιακή ακτινοβολία. Ένα ποσοστό της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας καταγράφεται στο κανάλι 3. Ο υπολογισμός της θερμοκρασίας λαμπρότητας για το κανάλι 3 μέσω της αντιστροφής της συνάρτησης Planck όπως έχει αναλυτικά περιγραφεί, δεν είναι σε θέση να διακρίνει το αν το μέγεθος της ψηφιακής τιμής η οποία έχει καταγραφεί για κάποιο εικονοστοιχείο στο συγκεκριμένο κανάλι οφείλεται στην ανακλώμενη ηλιακή ή στην μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία. Το γεγονός αυτό έχει σαν συνέπεια οι υψηλές ψηφιακές τιμές ανεξάρτητα από την προέλευσή τους, να αντιστοιχούνται σε υψηλές θερμοκρασίες λαμπρότητας. Το πρώτο κριτήριο για το φιλτράρισμα των νεφών χρησιμοποιεί τον κανονικοποιημένο λόγο του γραμμικού συνδυασμού των καναλιών 1 και 5 του AVHRR όπως έχει περιγραφεί αναλυτικά στην σχετική ενότητα: CLD = Channel5 Channel 1 Channel5+ Channel 1 126

134 Λόγω της κανονικοποίησης οι ψηφιακές στην εικόνα που προκύπτει από το λόγο αυτόν κυμαίνονται από 0 έως 1. Ανάλυση του ιστογράμματος των εικόνων του λόγου CLD οδηγεί στο συμπέρασμα ότι στις περιοχές που υπάρχει νέφωση οι ψηφιακές τιμές είναι μικρότερες του 0,85. Η χρήση της τιμής αυτής ως κατώφλι δίνει το πρώτο φίλτρο για τα νέφη. Το δεύτερο φίλτρο χρησιμοποιεί το κανάλι 4 και εξετάζει αν η θερμοκρασία που αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο ξεπερνά μια δεδομένη τιμή. Η τιμή αυτή δεν είναι σταθερή αλλά μπορεί να εκτιμηθεί προσεγγιστικά ανάλογα με το γεωγραφικό πλάτος και την εποχή. Στη συγκεκριμένη περίπτωση χρησιμοποιείται η τιμή 280 Κ (θερμοκρασία που αντιστοιχεί σε χαμηλά νέφη). Μετά την εφαρμογή της μάσκας των νεφών ενεργοποιείται το κριτήριο που εξετάζει τις τιμές της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 και που στην ουσία είναι το κριτήριο εντοπισμού των περιοχών πολύ υψηλών θερμοκρασιών που πιθανόν να οφείλονται σε βιομηχανικά ατυχήματα. Η διαφορά αυτή συγκρίνεται με το κατώφλι των 20 K. Στην περίπτωση που υπάρχει στην επιφάνεια της γης μια πολύ ισχυρή φωτιά όπως συμβαίνει στην περίπτωση σφοδρών βιομηχανικών ατυχημάτων η διαφορά των θερμοκρασιών λαμπρότητας ΔΤ 34 υπερβαίνει το κατώφλι αυτό. Στην Εικόνα 5.9 παρουσιάζονται τα βήματα του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα με βάση τις εικόνες του AVHRR και στη συνέχεια αναλύεται η λειτουργία και η φυσική σημασία κάθε βήματος. 127

135 Εικόνα 5.9. Διάγραμμα ροής του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε για την ανίχνευση μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα με βάση τις εικόνες του AVHRR. Στο σημείο 1 έχουμε την αρχική εικόνα AVHRR. Στο σημείο 2 γίνεται ο διαχωρισμός των καναλιών και η επιλογή αυτών που θα χρησιμοποιηθούν στο σημείο 3 (3a: κανάλι 1, 3b: κανάλι 5, 3c: κανάλι 3, 3d: κανάλι 4). Παράλληλα γίνονται στις εικόνες αυτές οι κατάλληλες γεωμετρικές διορθώσεις με βάση την πληροφορία που εμπεριέχεται στο format level -1b της κάθε εικόνας όπως έχει περιγραφεί στο Κεφάλαιο

136 Στο σημείο 4 γίνεται η βαθμονόμηση που έχει σαν αποτέλεσμα οι ψηφιακές τιμές των καναλιών να μετατρέπονται σε τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας ή τιμές ανακλαστικότητας στο σημείο 5 (5a: κανάλι 1, 5b: κανάλι 5, 5c: κανάλι 3, 5d: κανάλι 4). Οι αρχικές ψηφιακές τιμές που έχουν καταγραφεί από τον δορυφορικό δέκτη για κάθε εικονοστοιχείο μετατρέπονται πρώτα σε τιμές έντασης της ακτινοβολίας (spectral radiances L i ) και κατόπιν σε τιμές θερμοκρασίας με βάση τις εξισώσεις βαθμονόμησης που έχουν αναφερθεί αναλυτικά στο Κεφάλαιο 3. Στη συνέχεια οι τιμές της θερμοκρασίας λαμπρότητας που υπολογίζονται για τα κανάλια 4 και 5 του AVHRR, θα πρέπει να διορθωθούν λόγω της μη γραμμικής ανταπόκρισης των καναλιών αυτών η οποία μπορεί να επιφέρει σφάλμα της τάξης των 2 Κ. Οι όροι διόρθωσης (ΔΤ i ) δίνονται για κάθε κανάλι για τρεις με τέσσερις διαφορετικές τιμές της θερμοκρασίας αναφοράς μέλανος σώματος του εσωτερικού στόχου που υπάρχει στο δορυφόρο και της θερμοκρασίας που υπολογίζεται για κάποια εικονοστοιχεία. Ο αντίστοιχος όρος διόρθωσης προκύπτει με γραμμική παρεμβολή των τιμών θερμοκρασίας λαμπρότητας των εικονοστοιχείων, επιλέγοντας από τις τιμές θερμοκρασίας μέλανος σώματος που υπάρχουν, εκείνες που συγκλίνουν στις τιμές των θερμοκρασιών του στόχου. Με βάση τη μέθοδο που περιγράφεται παραπάνω και τις τιμές που συνοδεύουν τα ψηφιακά δεδομένα στο format level 1-b, δημιουργούνται πίνακες αντιστοίχησης (lookup tables) που συνδέουν την ψηφιακή τιμή (0-1023) που μπορεί να έχει ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο με μια τιμή θερμοκρασίας λαμπρότητας. Ανάλογοι πίνακες αντιστοίχησης δημιουργούνται για τον υπολογισμό των τιμών ανακλαστικότητας από τις ψηφιακές τιμές που έχουν καταγραφεί στα κανάλια του ορατού, με κάθε ψηφιακή τιμή να συνδέεται με μια τιμή ανακλαστικότητας. Στην πράξη, για την βαθμονόμηση, δημιουργείται ένα μοντέλο βασισμένο στη μέθοδο Look-up Table της JAVA2, το οποίο παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 2. Σε κάθε περίπτωση χρησιμοποιείται ένας 129

137 πίνακας αντιστοίχησης, στην πρώτη στήλη του οποίου υπάρχουν οι ψηφιακές τιμές που μπορεί να έχει ένα εικονοστοιχείο ενός καναλιού του AVHRR με εύρος των τιμών είναι από 0 έως Συνεπώς, ένας τέτοιος πίνακας έχει 1024 γραμμές και δύο στήλες. Στη δεύτερη στήλη υπάρχουν οι τιμές θερμοκρασίας λαμπρότητας (αν πρόκειται για τα κανάλια 3, 4 ή 5) ή ανακλαστικότητας (αν πρόκειται για το κανάλι 1) οι οποίες αντιστοιχούν σε κάθε μία από της ψηφιακές τιμές της πρώτης στήλης του πίνακα. Οι τιμές της δεύτερης στήλης έχουν προκύψει από τις εξισώσεις βαθμονόμησης. Οι πίνακες αντιστοίχησης είναι διαφορετικοί για κάθε δορυφόρο ΝΟΑΑ. Στο σημείο 6 δημιουργείται ο λόγος CLD τον οποίο έχουμε τελικά στο σημείο 7. Όπως έχει αναφερθεί στο Κεφάλαιο 4 η χρήση του CLD κρίνεται απαραίτητη επειδή είναι προτιμότερο η διαχείριση των εικονοστοιχείων των νεφών να πραγματοποιείται μονοδιάστατα (με τη χρήση ενός καναλιού) έχοντας όμως διατηρήσει τα πλεονεκτήματα του δισδιάστατου χώρου των χαρακτηριστικών (δύο κανάλια). Η φυσική σημασία του CLD είναι η εξής: Παρουσία νέφωσης υπάρχει ισχυρή ανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας, συνεπώς αύξηση των ψηφιακών τιμών του καναλιού 1 (μεγαλύτερη ανακλαστικότητα από την υποκείμενη επιφάνεια) με ταυτόχρονη μείωση των ψηφιακών του καναλιού 5 (χαμηλότερες θερμοκρασίες από την υποκείμενη επιφάνεια). Το γεγονός αυτό, με βάση τον ορισμό του CLD, σημαίνει ότι παρουσία νέφωσης οι τιμές του CLD θα παρουσιάζουν κάποιο ανώτατο όριο. Το όριο αυτό εφόσον προσδιοριστεί θα μπορέσει να χρησιμοποιηθεί ως κατώφλι για το φιλτράρισμα των νεφών. Δηλαδή, εάν κάποιο εικονοστοιχείο της δορυφορικής εικόνας έχει τιμή μικρότερη ίση από όριο αυτό, τότε το εικονοστοιχείο αυτό θα αναγνωρίζεται ως εικονοστοιχείο νέφους και θα λαμβάνει την ψηφιακή τιμή μηδέν. Πειραματικά (Κεφάλαιο 4) προσδιορίζεται ότι η τιμή του κατωφλίου αυτού είναι 0,85. Συνεπώς με τη χρήση του κατωφλίου αυτού 130

138 πραγματοποιείται φιλτράρισμα των εικόνων AVHRR για τα νέφη. Δημιουργείται με τον τρόπο αυτό μια μάσκα νεφών στην κάθε εικόνα η οποία είναι απαραίτητη για την αποτελεσματική λειτουργία των αλγορίθμων για την ανίχνευση των μετώπων φωτιάς που προκαλούνται από βιομηχανικά ατυχήματα. Στο σημείο 8 χρησιμοποιείται το πρώτο φίλτρο για τα νέφη που έχει σαν αποτέλεσμα τη μάσκα νεφών για το κανάλι 3 στο σημείο 10. Στο σημείο 9 χρησιμοποιείται το πρώτο φίλτρο για τα νέφη που έχει σαν αποτέλεσμα τη μάσκα νεφών για το κανάλι 4 στο σημείο 11. Όπως έχει αναφερθεί, το φιλτράρισμα των νεφών είναι απαραίτητο γιατί στα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν σε νέφη, η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 παίρνει μεγάλες τιμές λόγω του ότι τα νέφη ανακλούν πολύ ισχυρά την ηλιακή ακτινοβολία με συνέπεια ένα ποσοστό της ανακλώμενης ηλιακής ακτινοβολίας καταγράφεται στο κανάλι 3. Στην περίπτωση αυτή, αν δεν εφαρμοστεί το φίλτρο στα εικονοστοιχεία αυτά, αναγνωρίζονται ως εικονοστοιχεία που αντιπροσωπεύουν περιοχές πολύ υψηλών θερμοκρασιών στην επιφάνεια της γης. Στο σημείο 12 χρησιμοποιείται το δεύτερο φίλτρο για τα νέφη που έχει σαν αποτέλεσμα την βελτίωση της μάσκας νεφών για το κανάλι 3 στο σημείο 14. Στο σημείο 13 χρησιμοποιείται το δεύτερο φίλτρο για τα νέφη που έχει σαν αποτέλεσμα την βελτίωση της μάσκας νεφών για το κανάλι 4 στο σημείο 15. Όπως έχει αναφερθεί, το δεύτερο φίλτρο χρησιμοποιεί το κανάλι 4 και εξετάζει αν η θερμοκρασία που αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο εικονοστοιχείο ξεπερνά μια δεδομένη τιμή. Για το φίλτρο αυτό χρησιμοποιείται η τιμή 280 Κ που είναι 131

139 μία τυπική θερμοκρασία που θα μπορούσε να έχει ένα χαμηλό νέφος, αν ληφθεί υπόψη ότι η ελάττωση της θερμοκρασίας με το ύψος στην ατμόσφαιρα είναι της τάξης των 6,5 7 Κ/Km (πραγματική θερμοβαθμίδα). Το δεύτερο φίλτρο λειτουργεί συμπληρωματικά ως προς το πρώτο ελέγχοντας την αξιοπιστία του. Στο σημείο 16 δημιουργείται η διαφορά των θερμοκρασιών που προκύπτουν από τα κανάλια 3 και 4 του AVHRR τα οποία έχουν φιλτραριστεί στα προηγούμενα βήματα. Ο λόγος που εξετάζεται η διαφορά των θερμοκρασιών αυτών είναι ο εξής: Όπως έχει αναφερθεί το κανάλι 3 βρίσκεται στην φασματική περιοχή στην οποία εμφανίζεται μέγιστο της ακτινοβολούμενης ενέργειας η οποία προέρχεται από σώματα με θερμοκρασίες περίπου 800 Κ, τυπική περίπτωση για μέτωπο φωτιάς. Τα κανάλια 4 και 5 βρίσκονται στην φασματική περιοχή στην οποία εμφανίζεται μέγιστο της ακτινοβολούμενης ενέργειας η για τις τυπικές θερμοκρασίες στην επιφάνεια της γης, περίπου 300 Κ. Αυτή η διαφορετική απόκριση του ραδιομέτρου AVHRR στην αύξηση της θερμοκρασίας, είναι πρακτικά η βάση για την ανίχνευση θερμικών ανωμαλιών όπως είναι οι εστίες βιομηχανικών ατυχημάτων. Η ύπαρξη φωτιάς στην περιοχή που αντιπροσωπεύεται από ένα δεδομένο εικονοστοιχείο εκφράζεται από την καταγραφή υψηλών ψηφιακών τιμών για το εικονοστοιχείο αυτό σε σχέση με τα γειτονικά του στο κανάλι 3. Οι ψηφιακές τιμές των γειτονικών εικονοστοιχείων τα οποία συνιστούν την υποκείμενη επιφάνεια παρουσιάζουν σημαντικές διακυμάνσεις όπως καταγράφονται στο κανάλι 3. Κατά συνέπεια, σε μικρής έκτασης φωτιές, είναι δύσκολος ο διαχωρισμός των εικονοστοιχείων που αντιστοιχούν στο μέτωπο από τα εικονοστοιχεία που αντιστοιχούν στην ακτινοβολούμενης ενέργειας η οποία προέρχεται από σώματα που έχουν υποκείμενη επιφάνεια με βάση μόνο τις καταγραφές του καναλιού 3. Για το λόγο αυτό, εξετάζεται η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των φασματικών καναλιών 3 και 4 για δεδομένο εικονοστοιχείο. 132

140 Στο σημείο 17 προκύπτει το τελικό αποτέλεσμα που είναι μια εικόνα στην οποία παρουσιάζεται η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4. Στην εικόνα αυτή αναζητούνται τα εικονοστοιχεία εκείνα των οποίων η διαφορά θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη από 20 C. Τα εικονοστοιχεία αυτά αντιπροσωπεύουν πηγές πολύ υψηλών θερμοκρασιών στην επιφάνεια της γης οι οποίες είναι χαρακτηριστικές των μετώπων φωτιάς που οφείλονται σε βιομηχανικά ατυχήματα. Το κατώφλι των 20 C έχει προσδιορισθεί πειραμα-τικά ως εξής: Στην εικόνα AVHRR με ημερομηνία λήψης 13 Μαϊου 2000 (14.44 UTC), όπου εμφανίζεται η περιοχή εκδήλωσης του ατυχήματος στο Ενσέντε της Ολλανδίας, προσδιορίζονται τα εικονοστοιχεία της δορυφορικής εικόνας που αντιπροσωπεύουν το μέτωπο φωτιάς που έχει προκληθεί από το βιομηχανικό ατύχημα. Οι συντεταγμένες της θέσης του μετώπου είναι γνωστές εφόσον έχει προηγηθεί γεωμετρική διόρθωση της εικόνας. Για καθένα από τα εικονοστοιχεία αυτά υπολογίζεται η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των φασματικών καναλιών 3 και 4. Σε όλες τις περιπτώσεις η διαφορά αυτή είναι μεγαλύτερη από 20 C. Συνεπώς η τιμή αυτή επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί ως κατώφλι του οποίου η λειτουργικότητα και η αξιοπιστία θα ελεγχθούν με την εφαρμογή του αλγορίθμου στις εικόνες AVHRR που υπάρχουν για τις υπόλοιπες περιπτώσεις βιομηχανικών ατυχημάτων. Για τις περιπτώσεις αυτές ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία: Αρχικά ο αλγόριθμος με βάση το κατώφλι που αναφέρθηκε εντοπίζει τα εικονοστοιχεία εκείνα των δορυφορικών εικόνων για τα οποία η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 είναι μεγαλύτερη από την τιμή του κατωφλίου. Στη συνέχεια εξετάζεται το αν οι συντεταγμένες των εικονοστοιχείων που εντοπίστηκαν από τον αλγόριθμο, ταυτίζονται με τις συντεταγμένες των θέσεων εκδήλωσης βιομηχανικών ατυχημάτων. 133

141 Στην επόμενη ενότητα (5.Δ.2) παρουσιάζεται βήμα προς βήμα η υλοποίηση του αλγορίθμου με προγραμματισμό του σε JAVA2. Δ.2. Προγραμματισμός του αλγορίθμου σε JAVA2 με χρήση της εικόνας AVHRR (13 Μαίου 2000, UTC) για τις απαραίτητες δοκιμές και τον έλεγχο της λειτουργίας του. Ανάπτυξη αυτόνομης (stand alone) εφαρμογής. Ο αλγόριθμος που παρουσιάστηκε στην ενότητα 5.Δ.1, προγραμματίστηκε σαν αυτόνομη εφαρμογή σε γλώσσα προγραμματισμού JAVA2. Η βάση για την ανάπτυξη του προγράμματος είναι το διάγραμμα ροής που παρουσιάστηκε στην Εικόνα 5.9. Η εικόνα AVHRR με ημερομηνία λήψης 13 Μαίου 2000 (14.44 UTC) χρησιμοποιείται για τις απαραίτητες δοκιμές και τον έλεγχο της λειτουργίας του αλγορίθμου. Η λειτουργία του αλγορίθμου έχει χωριστεί σε τμήματα και κάθε τμήμα έχει προγραμματιστεί να εκτελείται από συγκεκριμένη κλάση της οποίας το αντικείμενο καλείται την κατάλληλη χρονική στιγμή. Συνεπώς, η εφαρμογή αυτή μπορεί να εκτελεστεί από οποιοδήποτε Η/Υ και σε οποιοδήποτε λειτουργικό περιβάλλον. Είναι αυτονόητο, ότι εάν ο χρήστης έχει εμπειρία στην ανάπτυξη κώδικα JAVA2, θα έχει τη δυνατότητα να μεταβάλλει όποιες παραμέτρους επιθυμεί στον πηγαίο κώδικα της εφαρμογής, προσαρμόζοντάς την στις απαιτήσεις του. Με τη χρήση των στοιχείων ελέγχου τα οποία εμφανίζονται στα βασικό παράθυρο της εφαρμογής με μορφή κουμπιών, ο χρήστης μπορεί να εκτελέσει τον αλγόριθμο που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας βήμα προς βήμα, φτάνοντας τελικά στην ανίχνευση συμβάντων. Η εφαρμογή αυτή έχει το όνομα "Technological Accidents Detection" και για την εκκίνησή της ο χρήστης απλά 134

142 κάνει διπλό κλικ στο αρχείο HotSpotDetection.bat το οποίο βρίσκεται στον υποκατάλογο της εφαρμογής. Με την εκκίνηση, παρουσιάζεται στην οθόνη το βασικό της παράθυρο της εφαρμογής το οποίο φαίνεται στην Εικόνα Κάθε κουμπί που υπάρχει στο βασικό παράθυρο όταν ενεργοποιηθεί, καλεί ένα αντικείμενο από μία συγκεκριμένη κλάση η οποία υπάρχει στο υπόβαθρο για να εκτελέσει το τμήμα εκείνο του αλγορίθμου για το οποίο η κλάση έχει προγραμματιστεί. Εικόνα Το βασικό παράθυρο της εφαρμογής "Technological Accidents Detection". Η εικόνα στο δεξιό τμήμα του παραθύρου παρουσιάζει τα βήματα του αλγορίθμου τα οποία υλοποιεί ο χρήστης με τη χρήση των κουμπιών που υπάρχουν στην αριστερή στήλη. Ξεκινώντας από επάνω προς τα κάτω, το πρώτο κουμπί υλοποιεί 135

143 μία οθόνη (viewer) σε ξεχωριστό παράθυρο, ώστε ο χρήστης να μπορεί να δει τις αρχικές εικόνες, καθώς και τις εικόνες που προκύπτουν από τη βαθμονόμηση και το ψευδοκανάλι CLD που παράγεται αργότερα. Με το δεύτερο κουμπί, ο χρήστης πραγματοποιεί τη βαθμονόμηση των καναλιών. Με το τρίτο κουμπί, παράγεται το ψευδοκανάλι CLD. Με το τέταρτο κουμπί ενεργοποιούνται οι διαδικασίες φιλτραρίσματος, ώστε να προκύψει μάσκα για τα νέφη στα κανάλια 3 και 4 και τελικά παράγεται το ψευδοκανάλι Τ3-Τ4. Με το τελευταίο κουμπί υλοποιείται ένας δεύτερος viewer ειδικά σχεδιασμένος για την προβολή του ψευδοκαναλιού Τ3-Τ4, ο οποίος παρέχει επίσης τη δυνατότητα στο χρήστη (εφαρμόζοντας ειδική μη γραμμική ενίσχυση) να εντοπίσει τα εικονοστοιχεία εκείνα πάνω στην εικόνα για τα οποία η διαφορά θερμοκρασίας λαμπρότητας μεταξύ των καναλιών 3 και 4 υπερβαίνει τους 20 C και είναι ενδεικτικά της εκδήλωσης βιομηχανικών ατυχημάτων στην περιοχή που αντιπροσωπεύεται από τα συγκεκριμένα εικονοστοιχεία. Στον υποκατάλογο στον οποίο υπάρχει και εκτελείται η εφαρμογή θα πρέπει να υπάρχουν και τα αρχεία τα οποία θα διαβάσει. Πρόκειται για τα αρχεία των εικόνων κάθε καναλιού καθώς και τα αρχεία που περιέχουν τους πίνακες για τη βαθμονόμηση των καναλιών, δηλαδή σύνολο 8 αρχεία. Τα αρχεία των εικόνων που πρόκειται να διαβαστούν πρέπει να δίδονται με το όνομα του καναλιού και την κατάληξη.nek για να μπορούν να διαβαστούν από το πρόγραμμα. Η κατάληξη.nek δηλώνει ότι η κάθε εικόνα πρέπει να έχει συγκεκριμένη διαμόρφωση (format). Η διαμόρφωση αυτή δεν περιγράφει τίποτα άλλο παρά ένα αρχείο σε μορφή binary που περιέχει το σύνολο των εικονοστοιχείων της εικόνας ως πρωτογενή δεδομένα, χωρίς καμία άλλη πρόσθετη πληροφορία (metadata) και χωρίς καμία συμπίεση. Μία τέτοια εικόνα μπορεί να προκύψει είτε ζητώντας την σε αυτή τη μορφή για κάθε κανάλι χωριστά από το Δορυφορικό Σταθμό από τον οποίο παρέχονται οι εικόνες στο χρήστη, είτε μπορεί να εξαχθεί από μία εικόνα 136

144 ΝΟΑΑ/AVHRR γνωστής διαμόρφωσης (πχ. ΝΟΑΑ Level 1b) με τη βοήθεια κάποιου εξειδικευμένου λογισμικού επεξεργασίας εικόνας το οποίο να υποστηρίζει τη συγκεκριμένη διαμόρφωση. Στη δεύτερη περίπτωση γίνεται ο διαχωρισμός των καναλιών και για κάθε κανάλι εξάγεται μία εικόνα δεδομένου αριθμού εικονοστοιχείων καθένα από τα οποία αντιπροσωπεύεται από 2 bytes ώστε να μεταφέρεται αυτούσια η πρωταρχική (raw), εύρους 10 bits, ψηφιακή τιμή κάθε εικονοστοιχείου χωρίς καμία αλλαγή. Με άλλα λόγια πρόκειται για το πρωτογενές "raster" κάθε καναλιού. Επομένως, το format.nek περιγράφει ένα binary αρχείο, το οποίο περιέχει την εικόνα ενός συγκεκριμένου καναλιού του AVHRR ως μία ορθογώνια περιοχή εικονοστοιχείων δεδομένου μήκους και πλάτους (αριθμός στηλών και γραμμών της εικόνας αντίστοιχα). Το κάθε εικονοστοιχείο αντιπροσωπεύεται από 2 bytes (εικόνα 16 bits) και η ψηφιακή του τιμή είναι η πρωταρχική (10 bits) χωρίς καμία ενίσχυση (stretching) και χωρίς καμία συμπίεση, δηλαδή, χωρίς καμία απώλεια ή μεταβολή της πληροφορίας η οποία υπάρχει στα πρωτογενή δεδομένα. Σύμφωνα με τα παραπάνω, για τη λειτουργία της εφαρμογής απαιτείται να υπάρχουν στον υποκατάλογό της τα εξής αρχεία: channel1.nek channel3.nek channel4.nek channel5.nek Επίσης τα αρχεία που περιέχουν τους πίνακες για τη βαθμονόμηση (ένα για κάθε κανάλι). Τα αρχεία αυτά έχουν τη μορφή απλών αρχείων κειμένου (.txt) το καθένα από τα οποία έχει 1024 γραμμές και σε κάθε γραμμή υπάρχει μία τιμή. Είναι η τιμή (θερμοκρασίας λαμπρότητας ή ανακλαστικότητας) που αντιστοιχεί σε 137

145 ψηφιακή τιμή ίση με τον αύξοντα αριθμό της γραμμής που βρίσκεται μέσα στο αρχείο. Τα αρχεία αυτά που θα χρησιμοποιηθούν από την εφαρμογή για τη βαθμονόμηση των εικόνων, ως πίνακες αντιστοίχησης (Lookup Tables) σύμφωνα με τη διαδικασία που περιγράφηκε στο Κεφάλαιο 2, είναι τα ακόλουθα: table1.txt table2.txt table3.txt table4.txt Τα αρχεία αυτά, όπως έχει αναφερθεί, προκύπτουν από τις εξισώσεις βαθμονόμησης που περιγράφονται στο Κεφάλαιο 3 ή μπορούν να ζητηθούν από το Δορυφορικό Σταθμό ΝΟΑΑ από τον οποίο παρέχονται οι εικόνες στο χρήστη. Επιστρέφοντας στην Εικόνα 5.10, θα περιγραφεί αναλυτικά η λειτουργία κάθε κουμπιού και θα παρουσιαστούν τα προγράμματα τα οποία έχουν δημιουργήσει τις κλάσεις που καλούνται στο υπόβαθρο, με το πάτημα του συγκεκριμένου κουμπιού, για την υλοποίηση του αντίστοιχου τμήματος του αλγορίθμου. Image Viewer: Με το πάτημα του κουμπιού αυτού, καλείται η κλάση select της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Β του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή εμφανίζει ένα νέο παράθυρο το οποίο παρουσιάζεται στην Εικόνα Είναι το παράθυρο από το οποίο ο χρήστης επιλέγει το κανάλι που θέλει να εμφανίσει στην οθόνη. 138

146 Εικόνα Παράθυρο επιλογής καναλιών του Image Viewer. Με το πάτημα του κουμπιού Channel1 καλείται η κλάση Avhrr1, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Γ του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 1. Με το πάτημα του κουμπιού Channel3 καλείται η κλάση Avhrr3, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Δ του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 3. Με το πάτημα του κουμπιού Channel4 καλείται η κλάση Avhrr4, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Ε του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 4. Με το πάτημα του κουμπιού Channel5 καλείται η κλάση Avhrr5, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα ΣΤ του 139

147 Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 5. Με το πάτημα του κουμπιού Channel1 Calibrated καλείται η κλάση Avhrr1calibr, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Z του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 1, όπως έχει διαμορφωθεί μετά τη βαθμονόμηση, επομένως πρέπει να έχει προηγηθεί η παραγωγή του από το κουμπί Calibration του βασικού παραθύρου. Με το πάτημα του κουμπιού Channel3 Calibrated καλείται η κλάση Avhrr3calibr, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Η του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 3, όπως έχει διαμορφωθεί μετά τη βαθμονόμηση, επομένως πρέπει να έχει προηγηθεί η παραγωγή του από το κουμπί Calibration του βασικού παραθύρου. Με το πάτημα του κουμπιού Channel4 Calibrated καλείται η κλάση Avhrr4calibr, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Θ του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 4, όπως έχει διαμορφωθεί μετά τη βαθμονόμηση, επομένως πρέπει να έχει προηγηθεί η παραγωγή του από το κουμπί Calibration του βασικού παραθύρου. Με το πάτημα του κουμπιού Channel5 Calibrated καλείται η κλάση Avhrr5calibr, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα Ι του Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του καναλιού 5, όπως έχει διαμορφωθεί μετά τη βαθμονόμηση, επομένως πρέπει να έχει προηγηθεί η παραγωγή του από το κουμπί Calibration του βασικού παραθύρου. Με το πάτημα του κουμπιού CLD καλείται η κλάση Avhrrcld, της οποίας ο πηγαίος κώδικας παρουσιάζεται και αναλύεται στην ενότητα ΙΑ του 140

148 Παραρτήματος Ι. Η κλάση αυτή είναι υπεύθυνη για την παρουσίαση του ψευδοκαναλιού CLD, όπως έχει δημιουργηθεί στο τρίτο βήμα του αλγορίθμου, επομένως πρέπει να έχει προηγηθεί η παραγωγή του από το κουμπί CLD του βασικού παραθύρου της εφαρμογής. Στην Εικόνα 5.12 παρουσιάζεται για παρά&d