ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΡΑΝΤΑΡ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΗΛΙ ΩΝ ΣΤΙΣ ΕΛΛΗΝΙΚΕΣ ΘΑΛΑΣΣΕΣ

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΡΑΝΤΑΡ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟ ΠΕΤΡΕΛΑΙΟΚΗΛΙ ΩΝ ΣΤΙΣ ΕΛΛΗΝΙΚΕΣ ΘΑΛΑΣΣΕΣ Τοπουζέλης Κ. 1, Καραθανάση Β. 1, Παυλάκης Π. 2, Ρόκος. 1 1 Εργαστήριο Τηλεπισκόπησης, Σχολή Αγρονόµων Τοπογράφων Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, 2 Ελληνικό Κέντρο Θαλασσίων Ερευνών KEYWORDS: ραντάρ, πετρελαιοκηλίδες, θάλασσα, παρακολούθηση, SAR ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σύµφωνα µε τη διεθνή συµφωνία MARPOL 73/78 απαγορεύεται οποιαδήποτε απόρριψη πετρελαίου στη θάλασσα σε όλη την έκταση της Μεσογείου. Η παράνοµη απόρριψη πετρελαίου αποτελεί σηµαντική αιτία υποβάθµισης των ελληνικών θαλασσών. Η Ελλάδα δεν διαθέτει συστηµατικό µηχανισµό παρακολούθησης της ρύπανσης από πετρέλαιο. Η εργασία αυτή προτείνει ένα αυτοµατοποιηµένο σύστηµα εντοπισµού πετρελαιοκηλίδων µε χρήση δορυφορικών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγµατος. Η ακρίβεια της µεθόδου εντοπισµού κηλίδων και διαχωρισµού τους από άλλους σχηµατισµούς ξεπέρασε το 95%. RADAR REMOTE SENSING SYSTEM DEVELOPMENT FOR OIL SPILL DETECTION IN THE GREEK SEAS Topouzelis Κ. 1, Karathanassi V. 1, Pavlakis P. 2, Rokos D. 1 1 Laboratory of Remote Sensing, School of Rural and Surveying Engineering, National Technical University of Athens, 2 Hellenic Centre of Marine Research KEYWORDS: radar, oil spills, sea, monitoring, SAR SUMMARY International convention MARPOL 73/78 prohibits ship discharges to the Mediterranean Sea. Illegal ship discharges are one of the major degradation causes for the Greek seas. Greece does not have an oil spill detection system to monitor illegal discharges. This paper presents an automated oil spill detection system using synthetic aperture radar images. The method accuracy for oil spills detection and discrimination from other natural phenomena is over 95%. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 1

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η υποβάθµιση της θάλασσας λόγω της ρύπανσης της από τις δραστηριότητες των πλοίων έχει αναγνωριστεί ως ένα βασικό πρόβληµα από τις αρχές του προηγούµενου αιώνα. Για πρώτη φορά στη δεκαετία του τριάντα η διεθνής κοινότητα εντόπισε το πρόβληµα, και επτά κύρια ναυτιλιακά κράτη πήραν εθελοντικά την πρωτοβουλία για να υιοθετήσουν µέτρα προστασίας του περιβάλλοντος κατά την εκφόρτωση πετρελαίου από τάνκερς. Επειδή όµως το διεθνές εµπόριο εξαρτάται ζωτικά από τις θαλάσσιες µεταφορές, τέτοιες συλλογικές προσπάθειες δεν ήταν εύκολο να τελεσφορήσουν. Χρειάστηκε να περάσουν τέσσερις δεκαετίες, από το αρχικό αυτό βήµα, µέχρι η διεθνής κοινότητα να πετύχει µια κοινά αποδεκτή συµφωνία, η οποία ονοµάζεται σύµβαση MARPOL 73/78 [1]. Η σύµβαση αυτή έθεσε επιτυχώς το νοµικό πλαίσιο που αφορούσε το µεγαλύτερο µέρος του παγκόσµιου εµπορικού στόλου καθορίζοντας τα όρια θαλάσσιας ρύπανσης από απόρριψη πλοίων, σε πολύ µικρές ποσότητες και αυστηρά πέρα από προκαθορισµένη απόσταση από την κοντινότερη ακτή. Μάλιστα σε µερικές περιοχές, οι οποίες καλούνται Ειδικές Περιοχές, οι κανονισµοί είναι πολύ πιο αυστηροί και απαγορεύουν σχεδόν οποιαδήποτε εκφόρτωση από τα πλοία. Για την Ευρωπαϊκή Ένωση η δυνατότητα αυτή αποτελεί µια ιδιαίτερη πρόκληση, αφού η πλειονότητα των θαλασσών που χαρακτηρίσθηκαν µέχρι τώρα ως Ειδικές Περιοχές, συνορεύουν µε την ακτογραµµή της. Έτσι στην περιοχή της Μεσογείου απαγορεύεται σχεδόν οποιαδήποτε απόρριψη πετρελαιοειδών στο θαλάσσιο περιβάλλον [2]. Η διασφάλιση αξιόπιστης εξακρίβωσης της ρύπανσης της θάλασσας από δραστηριότητες πλοίων καθιστά αναγκαία τη χρήση αποτελεσµατικών εργαλείων συστηµατικής παρακολούθησης και µεσολάβησης. Βασικός παράγοντας για την επιτυχή παρακολούθηση είναι η µεθοδική εξ αποστάσεως εποπτεία. Σε µεγάλο βαθµό αυτή µπορεί να επιτευχθεί µε τη χρήση αεροπορικών περιπολιών, είτε µε οπτική αναγνώριση ή µε χρήση τηλεπισκοπικών δεκτών στις περιοχές του µήκους κύµατος των µικροκυµάτων και του υπερύθρου. Τέτοιες εφαρµογές όµως είναι επιτυχείς µόνο σε θαλάσσιες περιοχές µε περιορισµένη έκταση, στο βαθµό που δεν είναι εφικτή, τεχνικά, και/ή οικονοµικά η αεροπορική εποπτεία πάνω από το σύνολο των Ευρωπαϊκών Θαλασσών. Έτσι, οι δορυφόροι που είναι εξοπλισµένοι µε Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγµατος (ΡΣΑ) [Synthetic Aperture Radar SAR], λόγω της ικανότητας τους να ανιχνεύουν πετρελαιοκηλίδες στην επιφάνεια της θάλασσας, αλλά και λόγω της ικανότητάς τους να επιθεωρούν µεγάλες θαλάσσιες περιοχές ανεξάρτητα από το φως του ήλιου και τη νεφοκάλυψη, παρουσιάζονται ως ιδανικά εργαλεία για τη συµπλήρωση των συµβατικών αεροπορικών µέσων. Πολλές ευρωπαϊκές χώρες έχουν δηµιουργήσει συστήµατα για την παρακολούθηση της ρύπανσης από πετρελαιοειδή τη χρήση τηλεπισκοπικών µεθόδων και τεχνικών. Στην Ελλάδα δεν υπάρχει σχέδιο για τέτοιου είδους παρακολούθηση και οι κηλίδες που εντοπίζονται συνήθως προέρχονται από απορρίψεις πετρελαίου κοντά ή µέσα σε λιµενικά καταφύγια ή από τυχαίες παρατηρήσεις πιλότων συµβατικών επιβατικών αεροπλάνων. Η Ελλάδα µε τα 15.000 χιλιόµετρα ακτογραµµή και τα πολυάριθµα νησιωτικά συµπλέγµατα είναι αντικειµενικά πολύ ευάλωτη σε µια τέτοιου είδους ρύπανση. Η πατροπαράδοτη πηγή πλούτου της χώρας, ο τουρισµός καθώς και η αλιεία είναι κατηγορίες που πλήττονται πρωτίστως από τη θαλάσσια ρύπανση. Οικονοµική αξιολόγηση από την συνεχή ρύπανση ή από ενδεχόµενο ατύχηµα είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί αφού εξαρτάται από την ποσότητα πετρελαίου που χύνεται στη θάλασσα, από τη γεωγραφική θέση της ρύπανσης καθώς και από τις καιρικές συνθήκες που θα επικρατούν. Στο σχήµα 1 παρουσιάζονται οι κηλίδες οι οποίες εντοπίστηκαν από το Κοινό Κέντρο Ερευνών (Joint Research Center) της Ε.Ε. το έτος 1999 σε δορυφορικές απεικονίσεις ΡΣΑ. Η οµαδοποίηση των κηλίδων και η απεικόνιση της σχετικής βάσης για τις θάλασσες που συνορεύουν µε την Ε.Ε. προέρχεται από το πρόγραµµα Oceanides [3] Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 2

[4]. Στο σχήµα παρουσιάζονται πάνω από 300 κηλίδες που ανιχνεύθηκαν τηλεπισκοπικά σε Ελληνικές Θάλασσες. Ελάχιστες από της κηλίδες αυτές είχαν εντοπιστεί από τις Ελληνικές αρχές. Σχήµα 1. Πετρελαιοκηλίδες στην Ελλάδα για το έτος 1999 Η εργασία αυτή σχετίζεται αποκλειστικά µε το πρόβληµα της παρατήρησης παράνοµης εκφόρτωσης πετρελαιοειδών από τα πλοία µε την χρήση δορυφορικών απεικονίσεων ΡΣΑ. Πρέπει να επισηµανθεί ότι διαχωρίζουµε την παράνοµη εκφόρτωση πλοίων από τα ναυτικά ατυχήµατα επειδή η ιδιοµορφία των τελευταίων προϋποθέτει διαφορετικές τακτικές έρευνας. Εκτός της ρύπανσης η οποία προκαλείται λόγω ναυτικών ατυχηµάτων, υπάρχουν τρεις τύποι συνηθισµένων δράσεων των πλοίων που προκαλούν ρύπανση στη θάλασσα: η χρησιµοποίηση θαλασσινού νερού για έρµα, το ξέπλυµα αµπαριών και η ρίψη απόνερων από το µηχανοστάσιο. Οι πρώτες δύο αφορούν κυρίως στα τάνκερ ενώ η τρίτη σε όλων των τύπων τα πλοία. Γενικά µπορεί να ειπωθεί ότι οι δέκτες ραντάρ συνθετικού ανοίγµατος εντοπίζουν πετρελαιοκηλίδες στην επιφάνεια της θάλασσας έµµεσα, διαµέσου των αλλαγών οι οποίες πραγµατοποιούνται στα τριχοειδή κύµατα επιφανείας (short gravity capillary waves) που δηµιουργούνται από τον άνεµο [5]. Οι κηλίδες εξασθενούν τα κύµατα αυτά, τα οποία σε πλάγιες λήψεις αποτελούν τον κύριο µηχανισµό οπισθοσκέδασης των ΡΣΑ συστηµάτων. Έτσι λόγω µείωσης της οπισθοσκέδασης, οι περιοχές που περιέχουν πετρελαιοκηλίδες παρουσιάζονται µε σκούρο χρώµα στις απεικονίσεις ραντάρ συνθετικού ανοίγµατος έχοντας έντονη αντίθεση από τις γειτονικές περιοχές καθαρής θάλασσας (Σχήµα 2). Εκτός των πετρελαιοκηλίδων και άλλα φυσικά φαινόµενα µπορούν να συντελέσουν στην απουσία των κυµάτων αυτών. Μερικά από αυτά είναι: τα θαλάσσιο ρεύµατα, περιοχές στις οποίες εξελίσσεται βροχόπτωση και απάνεµες περιοχές. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 3

θάλασσα πετρέλαιο Σχήµα 2.Οπισθοσκεδαζόµενη ακτινοβολία από επιφάνεια θαλάσσης και πετρελαίου Απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη της αντίθεσης είναι η ύπαρξη ανέµου (µε ταχύτητα µεγαλύτερη 2-3 m/sec) ο οποίος µε τη σειρά του θα προκαλέσει την δηµιουργία των µικρών τριχοειδών κυµάτων επιφανείας µε αποτέλεσµα να γίνεται δυνατός ο εντοπισµός. Σε διαφορετική περίπτωση η επιφάνεια της θάλασσας θα λειτουργεί ως µια λεία επιφάνεια στην οποία όλη η εκπεµπόµενη ακτινοβολία θα σκεδάζεται και δεν θα φτάνει στο δέκτη ραντάρ. Το αποτέλεσµα θα είναι µια απεικόνιση ΡΣΑ η οποία στις απάνεµες περιοχές θα έχει σκούρο χρώµα αντίστοιχο µε αυτό των κηλίδων κάνοντας έτσι αδύνατο τον εντοπισµό. Στην εργασία αυτή αναπτύσσεται ένα πρωτότυπο αυτοµατοποιηµένο σύστηµα εντοπισµού πετρελαιοκηλίδων στο θαλάσσιο περιβάλλον µε χρήση δορυφορικών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων ΡΣΑ και αξιοποίηση κανόνων ταξινόµησης ασαφούς λογικής. 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 2.1 Γενικά Στο κεφάλαιο αυτό αναπτύσσεται η µεθοδολογία για την ανίχνευση και τον εντοπισµό πετρελαιοκηλίδων µε τη χρήση κανόνων ασαφούς λογικής. Η προτεινόµενη µεθοδολογία είναι πλήρως αυτοµατοποιηµένη και µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε πραγµατικές συνθήκες. Σηµαντικό στοιχείο της µεθοδολογίας είναι ότι οι κανόνες ασαφούς λογικής δεν εφαρµόζονται πάνω στην τιµή της οπισθοσκεδαζόµενης ακτινοβολίας των στοιχειωδών επιφανειών (εικονοστοιχείων) της εικόνας αλλά σε οµογενοποιηµένα κοµµάτια εικόνας τα οποία έχουν προκύψει από µια προγενέστερη κατάτµηση της. Η κατάτµηση µπορεί να γίνει σε διάφορα επίπεδα κλίµακας µε κατώτατο όριο αυτό του εικονοστοιχείου και µεγαλύτερο αυτό της εικόνας. Αρχική προσπάθεια εύρεσης κατάλληλης κλίµακας κατάτµησης απορρίφθηκε διότι οι πετρελαιοκηλίδες στο θαλάσσιο περιβάλλον δεν έχουν ένα σταθερό µέγεθος και σχήµα µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει κάποια κλίµακα κατάλληλη να διαχωρίζει τις κηλίδες από τη θαλάσσια επιφάνεια σαν ένα οµοιογενοποιηµένο τεµάχιο. Για να αντιµετωπισθεί το πρόβληµα αυτό επιλέχθηκε να γίνει κατάτµηση σε αρκετά µικρή κλίµακα έτσι ώστε η εικόνα να κατατµηθεί σε πολλά µικρά τεµάχια (άρα και οι κηλίδες), τα οποία θα µπορούν να οµαδοποιηθούν σε επόµενο στάδιο. Η κλίµακα αυτή επιτρέπει να διαχωρίζονται τα µικρά υπό-τµήµατα µιας µεγάλης κηλίδας τα οποία συνήθως συναντούνται στα όρια της, έτσι ώστε µετά τη συνένωση των τµηµάτων αυτών να δηµιουργείται το πραγµατικό σχήµα της κηλίδας. Για να επιτευχθεί αυτό γίνεται ένας γενικός διαχωρισµός των τµηµάτων αυτών σε δύο κατηγορίες, σε αυτά που έχουν σκούρο χρώµα και σε αυτά που έχουν ανοιχτό χρώµα. Τα τµήµατα τα οποία στις ραντάρ απεικονίσεις παρουσιάζονται µε σκούρο χρώµα είναι αυτά στα οποία η οπισθοσκεδαζόµενη Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 4

ακτινοβολία είναι πολύ µικρή και άρα στην επιφάνεια της θάλασσας υπάρχουν λείες επιφάνειες (απάνεµη περιοχή, ρεύµατα, πετρελαιοκηλίδες κλπ). Αντίθετα, αυτά που παρουσιάζουν ανοιχτή απόχρωση του γκρίζου είναι τµήµατα της απεικόνισης που στην πραγµατικότητα περιέχουν πολλαπλούς σκεδαστές, δηλαδή είναι τραχείες επιφάνειες, και άρα δεν είναι πετρελαιοκηλίδες. Τα τµήµατα τα οποία παρουσιάζονται µε σκούρο χρώµα θεωρούνται πιθανές πετρελαιοκηλίδες και χρήζουν περαιτέρω έρευνα. Στη συνέχεια οι σκούροι σχηµατισµοί ταξινοµούνται µε χρήση κανόνων ασαφούς λογικής σε πετρελαιοκηλίδες ή άλλα φυσικά φαινόµενα που µοιάζουν µε πετρελαιοκηλίδες. Η µεθοδολογία που αναπτύχθηκε φαίνεται στο σχήµα 3 και αναλύεται στις επόµενες παραγράφους. Αρχική απεικόνιση (SAR) Μεγάλη κλίµακα Κατάτµηση µε τρία επίπεδα Εντοπισµός µαύρων σχηµατισµών Μετασχηµατισµός σε 256 τιµές του γκρίζου Μικρή κλίµακα Συνένωση µικρών αντικειµένων Φιλτράρισµα Αποτέλεσµα Σχήµα 3. Η προτεινόµενη µεθοδολογία Κανόνες ασαφούς λογικής 2.2 Μετασχηµατισµός εικόνων Αρχικά οι ΡΣΑ απεικονίσεις µετατρέπονται σε απεικονίσεις µε 256 διαβαθµίσεις του τόνου του γκρίζου. Η µετατροπή αποσκοπεί στην ελάττωση του χώρου που καταλαµβάνουν στην περίπτωση περισσοτέρων διαβαθµίσεων αλλά και στην απαιτούµενη υπολογιστική ισχύς η οποία µειώνεται σηµαντικά µε τη µετατροπή. 2.3 Φιλτράρισµα εικόνων παραγωγή νέων απεικονίσεων Στο στάδιο αυτό η αρχική εικόνα φιλτράρεται µε φίλτρα αφαίρεσης της κηλίδωσης και παράγονται δύο νέες απεικονίσεις. Η παραγωγή των νέων εικόνων κρίνεται σκόπιµη για τη συνέχεια τις διαδικασίας γιατί η κατάτµηση της εικόνας γίνεται πολύ καλύτερα µε περισσότερα του ενός επίπεδα. Η ορθή κατάτµηση της εικόνας είναι πολύ σηµαντική για την τελική ταξινόµηση της εικόνας και τον εντοπισµό των κηλίδων, αφού το µέγεθος και το σχήµα των κατατµηµένων κοµµατιών αποτελούν στοιχεία τα οποία χρησιµοποιούνται στους κανόνες ταξινόµησης της ασαφούς λογικής. Περαιτέρω εικόνες δεν βοηθούν στον ολικό σχεδιασµό, αφού η διαφορά της κατάτµησης θα είναι εξαιρετικά µικρή αλλά θα έχει µεγαλώσει ο όγκος της πληροφορίας που πρέπει να επεξεργαστεί, µε αποτέλεσµα το σύστηµα να είναι ιδιαίτερα απαιτητικό σε υπολογιστικό χρόνο. Η αρχική εικόνα θα χρησιµοποιηθεί ως µονάδα εισαγωγής στο σύστηµα µαζί µε τις υπόλοιπες δύο, µιας και περιέχει την αρχική ανεπεξέργαστη πληροφορία. Η πρώτη απεικόνιση παράγεται µε τη χρήση του φίλτρου µέσης τιµής διαστάσεων 3x3. Το φίλτρο αυτό οµαλοποιεί την εικόνα και αποβάλλει τις αρκετές τυχαίες τιµές που βρίσκονται διάσπαρτες µέσα στην εικόνα. Η Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 5

δεύτερη απεικόνιση προέρχεται από συνδυασµό φίλτρων local region και lee. Ο συνδυασµός αυτός έχει προταθεί ως καλύτερος για την αφαίρεση της κηλίδωσης από τις ραντάρ απεικονίσεις [6]. 2.4 Κατάτµηση εικόνας Μετά την παραγωγή των δύο νέων απεικονίσεων ακολουθεί η κατάτµηση της εικόνας. Στην κατάτµηση συµµετέχουν µε ίσα βάρη η αρχική εικόνα και δύο παραγόµενες από την διαδικασία του φιλτραρίσµατος. Η κατάτµηση της εικόνας γίνεται σε δύο επίπεδα. Ένα µε πολύ µικρή κλίµακα και ένα µε πολύ µεγάλη κλίµακα. 2.4.1. Κατάτµηση των εικόνων σε πολύ µικρή κλίµακα Η κατάτµηση των εικόνων σε πολύ µικρή κλίµακα (10-12) βοηθάει στη δηµιουργία πολύ µικρών οµοιογενών περιοχών οι οποίες σε επόµενο στάδιο µπορούν να οµαδοποιηθούν και να αποτελέσουν ως σύνολο µια κηλίδα. Η διαδικασία αυτή ακολουθείται, όπως προαναφέρθηκε, διότι οι κηλίδες στο θαλάσσιο περιβάλλον δεν έχουν ένα σταθερό µέγεθος και σχήµα µε αποτέλεσµα να µην υπάρχει κατάλληλη κλίµακα που να χαρακτηρίζει όλων των ειδών της κηλίδες. 2.4.2. Κατάτµηση των εικόνων σε πολύ µεγάλη κλίµακα Η κατάτµηση των εικόνων σε πολύ µεγάλη κλίµακα (1000-1300) χρησιµεύει στο διαχωρισµό της εικόνας σε διάφορα επίπεδα φωτεινότητας που τυχόν περιέχει. Με αυτόν τον τρόπο συσχετίζονται οι δύο κατατµήσεις και το κάθε κοµµάτι της µικρής κλίµακας γνωρίζει σε ποιο κοµµάτι της µεγαλύτερης κλίµακας ανήκει. 2.5 Εντοπισµός σκούρων σχηµατισµών Μετά την κατάτµηση της εικόνας στις δύο κλίµακες εντοπίζονται οι µαύροι σχηµατισµοί που περιέχονται στην εικόνα. Επειδή η εικόνα ενδέχεται να παρουσιάζει διαφορετικές φωτεινότητες τοπικά, η χρήση κατωφλίου δράσης και ανάδρασης δεν βοηθάει στην αποτελεσµατική αποµόνωση των σκούρων σχηµατισµών. Για το λόγο αυτό δηµιουργήθηκε ένας αλγόριθµος διαχωρισµού ο οποίος συσχετίζει τη φωτεινότητα του κάθε κοµµατιού της µικρής κλίµακας κατάτµησης µε τη φωτεινότητα του κοµµατιού της µεγαλύτερης κλίµακας κατάτµησης. Κάθε κοµµάτι της κατάτµησης της µικρής κλίµακας µπορεί να χρησιµοποιήσει τα στατιστικά στοιχεία του κοµµατιού της κατάτµησης της µεγαλύτερης κλίµακας για να ταξινοµηθεί σε λεία ή τραχεία επιφάνεια. Η διαδικασία διαχωρισµού γίνεται αυτόµατα χωρίς να χρειάζεται ο χρήστης να αποµονώσει την περιοχή που τον ενδιαφέρει µε την χρήση του ακολούθου αλγορίθµου: MT AE + TA 2 AE + MT TA AE EA MT αντικειµένου 0 (1) Όπου: ΜΤ ΑΕ η µέση ψηφιακή τιµή του ανωτέρου επιπέδου δηλαδή της περιοχής που έχει κατατµηθεί µε µεγάλη κλίµακα, ΤΑ ΑΕ η τυπική απόκλιση του ανωτέρου επιπέδου, ΜΤ αντικειµένου η µέση ψηφιακή τιµή του αντικειµένου που εξετάζεται εάν έχει λεία ή τραχεία επιφάνεια. 2.6 Συνένωση µικρών τµηµάτων Στη συνέχεια τα τµήµατα της εικόνας τα οποία έχουν ταξινοµηθεί στην ίδια κατηγορία (λεία ή τραχεία επιφάνεια) οµαδοποιούνται σχηµατίζοντας την τελική µορφή των υπό εξέταση τµηµάτων. Με τον τρόπο αυτό οµαδοποιούνται τα επιµέρους µέρη των µαύρων σχηµατισµών δηλαδή των «υποψηφίων» κηλίδων αλλά και η θαλάσσια επιφάνεια η οποία σίγουρα δεν περιέχει πετρέλαιο. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 6

2.7 Ταξινόµηση σχηµατισµών Μετά τη διαµόρφωση των τµηµάτων που παρουσιάζουν σχετική οµοιοµορφία ακολουθεί η διαδικασία της ταξινόµησης µε την χρήση κανόνων ασαφούς λογικής. Οι κανόνες µε τους οποίους γίνεται η ταξινόµηση παρουσιάζονται στον πίνακα 1. Οι κανόνες µπορούν να οµαδοποιηθούν σε τρεις βασικές ενότητες ανάλογα µε την φυσική τους υπόσταση: i) Κανόνες που σχετίζονται µε τη φυσική συµπεριφορά των µαύρων σχηµατισµών (οπισθοσκεδαζόµενη ακτινοβολία, σχέση µε τη θέση τους ως προς τα γειτονικά αντικείµενα). ii) Κανόνες που σχετίζονται µε τη γεωµετρική συµπεριφορά των µαύρων σχηµατισµών (γεωµετρικά χαρακτηριστικά όπως έκταση και ασυµµετρία). iii) Κανόνες που σχετίζονται µε τη συµπεριφορά της υφής των µαύρων σχηµατισµών. Περισσότερες πληροφορίες σχετικά µε τους κανόνες υπάρχουν στην εργασία [7]. Φυσική συµπεριφορά Γεωµετρική συµπεριφορά Συµπεριφορά υφής Οπισθοσκεδαζόµενη ακτινοβολία Μέση διαφορά µε τα γειτονικά αντικείµενα Λόγος τυπικής απόκλισης προς µέση τιµή Γειτνίαση µε αντικείµενα µεγάλης έκτασης Γειτνίαση µε γη Μικρές περιοχές Μεγάλες περιοχές Ασυµµετρία Λόγος µήκους προς πλάτος είκτης σχήµατος Υφή που σχετίζεται µε τιµές οπισθοσκέδασης των υποπεριοχών του κατωτέρου επιπέδου Υφή που σχετίζεται µε την γεωµετρία των υπο-περιοχών του κατωτέρου επιπέδου Μέση υφή του Haralick Γειτνίαση µε αντικείµενα υψηλού δείκτη σχήµατος Πίνακας 1. Οι κανόνες που χρησιµοποιήθηκαν για την ταξινόµηση Στους κανόνες αυτούς εφαρµόζονται διαφορετικά όρια και ο µεταξύ τους συνδυασµός διαχωρίζει ένα µαύρο σχηµατισµό σε πετρελαιοκηλίδα ή σε κάτι άλλο που µοιάζει µε πετρελαιοκηλίδα. 3. ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Η προτεινόµενη µέθοδος εφαρµόστηκε σε δύο απεικονίσεις ραντάρ συνθετικού ανοίγµατος, µία του δορυφόρου ERS-1 που αποκτήθηκε την 1/6/1992 (τροχιά 4589, πλαίσιο 2691) και µία του δορυφόρου ERS-2 που αποκτήθηκε την 2/8/1999 (τροχιά 22392, πλαίσιο 2882). Οι δύο απεικονίσεις απεικονίζουν θαλάσσιες περιοχές µε εντελώς διαφορετικές καταστάσεις θαλάσσης και περιέχουν πετρελαιοκηλίδες και άλλους φυσικούς σχηµατισµούς που µοιάζουν µε κηλίδες. Στην εικόνα του δορυφόρου ERS-1 η κατάσταση της θάλασσας περιέχει κύµατα επιφανείας ικανά να παράγουν ισχυρή οπισθοσκεδαζόµενη ακτινοβολία ενισχύοντας έτσι την αντίθεση φωτεινότητας µεταξύ θάλασσας και πετρελαίου. Στην αριστερή πλευρά της απεικόνισης παρουσιάζεται ένας µαύρος σχηµατισµός ο οποίος δεν είναι πετρελαιοκηλίδα αλλά προέρχεται από διαφορετική κατάσταση θάλασσας από ότι η υπόλοιπη εικόνα (τοπικός άνεµος ο οποίος πέφτει πάνω σε ένα κύµα φουσκοθαλασσιάς αλλοιώνοντας τα µικρά τριχοειδή κύµατα επιφανείας). Αντίθετα, η απεικόνιση του ERS-2 περιέχει ιδιαίτερα πολύπλοκους σχηµατισµούς. Η αντίθεση της εικόνας είναι πολύ χαµηλή και ο εντοπισµός πετρελαιοκηλίδων καθίσταται ιδιαίτερα δύσκολος ακόµα και από ειδικευµένο παρατηρητή. Στην απεικόνιση διακρίνεται µια «φρέσκια» πετρελαιοκηλίδα από απόρριψη πλοίου και διάφορα άλλοι µαύροι σχηµατισµοί που προέρχονται από φυσικά φαινόµενα. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 7

Τα αποτελέσµατα εφαρµογής της µεθοδολογίας που αναπτύχθηκε φαίνονται στα σχήµατα 4-6. Για λόγους παρουσίασης η κάθε εικόνα κόπηκε σε τέσσερα κοµµάτια και τα πιο ενδιαφέροντα παρουσιάζονται στα σχήµατα. Όπως φαίνεται η µέθοδος λειτουργεί ικανοποιητικά στις διαφορετικές καταστάσεις της θάλασσας. Σχήµα 4. Τµήµα αρχικής και ταξινοµηµένης απεικόνισης του ERS-1 Σχήµα 5. Τµήµα αρχικής και ταξινοµηµένης απεικόνισης του ERS-2 µε παρουσία πετρελαιοκηλίδων και άλλων µαύρων σχηµατισµών Σχήµα 6. Τµήµα αρχικής και ταξινοµηµένης απεικόνισης του ERS-2 χωρίς παρουσία πετρελαιοκηλίδων αλλά µε παρουσία άλλων µαύρων σχηµατισµών 4. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΥ Η αξιολόγηση των αποτελεσµάτων έγινε συγκρίνοντας τα αποτελέσµατα της µεθόδου που αναπτύχθηκε µε νέα τα οποία προέκυψαν από οπτική παρατήρηση και ταξινόµηση. Κάθε σκούρο Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 8

οµογενοποιηµένο κοµµάτι της εικόνας ταξινοµήθηκε µε αναλογική φωτοερµηνεία ως πετρελαιοκηλίδα ή άλλο φυσικό σχηµατισµό και το αποτέλεσµα συγκρίθηκε µε αυτό που προέκυψε από την εφαρµογή της µεθόδου που αναπτύχθηκε. Τα αποτελέσµατα ακρίβειας για όλες τις απεικονίσεις ξεπερνάνε το 95%. Για την απεικόνιση του σχήµατος 4 µπορούµε να διακρίνουµε ότι η µέθοδος λειτουργεί µε µεγάλη ακρίβεια. Οι συνθήκες εντοπισµού είναι ιδανικές αφού υπάρχει κυµατισµός ο οποίος ευνοεί την ύπαρξη µικρών κυµάτων επιφανείας και οι κηλίδες παρουσιάζουν έντονη αντίθεση. Οι κηλίδες εντοπίζονται και ταξινοµούνται σωστά ενώ ο µαύρος σχηµατισµός αριστερά της εικόνας που δεν είναι κηλίδα ταξινοµείται επίσης σωστά. Επιπλέον µπορούµε να διακρίνουµε ότι το σχήµα των κηλίδων συµπίπτει απόλυτα µε αυτό των απεικονίσεων και έτσι µπορούµε να γνωρίζουµε στατιστικά στοιχεία για την κάθε κηλίδα. Σε συνθήκες που δεν είναι εύκολος ο διαχωρισµός των περιοχών µε καθαρό θαλασσινό νερό και πετρελαίου η µέθοδος µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την οριοθέτηση της ρυπασµένης περιοχής. Η µέθοδος παρουσιάζει σχετική αδυναµία στον εντοπισµό και την τελική ταξινόµηση των νέων κηλίδων, αυτών που έγιναν πολύ µικρό χρονικό διάστηµα πριν την απόκτηση της απεικόνισης. Αυτό συµβαίνει γιατί οι κηλίδες παρουσιάζουν πολύ µικρή αντίθεση σε σχέση µε τη γειτονική τους περιοχή. Τα σχήµατα 5 και 6 προέρχονται από την απεικόνιση του ERS-2 και παρουσιάζουν διαφορετικές καταστάσεις θαλάσσης από το προηγούµενο σχήµα. Στο σχήµα 5 διακρίνονται δύο κηλίδες στο κάτω µέρος της απεικόνισης και ένας έντονος µαύρος σχηµατισµός στο απάνω δεξιό µέρος της. Η επιµήκης κηλίδα του σχήµατος λόγω φυσικών φαινοµένων έχει κατατµηθεί σε πολλα τµήµατα µε αποτέλεσµα το κάθε κοµµάτι που την αποτελεί να εξετάζεται χωριστά. Ο µεγάλος µαύρος σχηµατισµός προέρχεται από την αλλαγή της κατεύθυνσης και της έντασης του ανέµου λόγω της παρουσίας στεριάς. Η µέθοδος επιτρέπει τον εντοπισµό µέρους της επιµήκους κηλίδας, τον εντοπισµό της δεύτερης κηλίδας και τη σωστή ταξινόµηση του µεγάλου µαύρου σχηµατισµού. Στο σχήµα 6 φαίνεται µια κατάσταση της θάλασσας στην οποία δεν υπάρχει άνεµος ικανός να δηµιουργήσει τα απαιτούµενα κύµατα επιφανείας, µε αποτέλεσµα να παρουσιάζονται πολλοί µαύροι σχηµατισµοί που δεν είναι πετρελαιοκηλίδες. Τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά των σχηµατισµών αυτών και ιδιαίτερα η ασυµµετρία που τα χαρακτηρίζει επιτρέπει τον εντοπισµό τους και την κατάλληλη ταξινόµησή τους. Το µεγαλύτερο µειονέκτηµα της µεθόδου είναι ο υπολογιστικός χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωση της επεξεργασίας για κάθε απεικόνιση. Κάθε απεικόνιση χρησιµοποιώντας έναν φυσιολογικό υπολογιστή (Pentium 4-1.5 Gz - 512 MB RAM) χρειάζεται περίπου 3 ώρες επεξεργασίας. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η προτεινόµενη µέθοδος φαίνεται να αποτελεί µια καλή προσέγγιση για τον εντοπισµό πετρελαιοκηλίδων στην θαλάσσια επιφάνεια αφού για τις περιοχές που εξετάστηκαν έδωσε ακρίβεια εντοπισµού πάνω από 95%. Περαιτέρω έρευνα απαιτείται για περισσότερες καταστάσεις θάλασσας και ειδών πετρελαιοκηλίδων. Οι εντοπιζόµενες κηλίδες, τις περισσότερες φορές χαρακτηρίζονται από υψηλή αντίθεση σε σύγκριση µε την γειτονική τους επιφάνεια. Αρκετές φορές όµως παρουσιάζονται κηλίδες που δεν έχουν αυτήν την έντονη αντίθεση, όπως όταν έχει περάσει µικρό χρονικό διάστηµα από τη στιγµή που έγινε η απόρριψη του πετρελαίου. Η παρατήρηση αυτή οδηγεί στο συµπέρασµα ότι µπορεί να αναζητηθεί µια νέα εξίσωση ταξινόµησης η οποία να λαµβάνει υπόψη την ως τώρα διεργασία και να προσδίδει στις κηλίδες που παρουσιάζουν µικρή αντίθεση στην εικόνα µία σχετική βαρύτητα. Επιπλέον θα µπορούσε να δηµιουργηθεί ξεχωριστή βάση κανόνων ασαφούς λογικής για µαύρους Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 9

σχηµατισµούς που βρίσκονται σε περιοχή µε µεγάλη αντίθεση και για σχηµατισµούς σε περιοχή µε µικρότερη αντίθεση. Τέλος ο υπολογιστικός χρόνος θα µπορούσε να µειωθεί αισθητά µε υπολογιστές µεγαλύτερης ισχύς οι οποίοι θα λειτουργούν µόνο για τον εντοπισµό κηλίδων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Pavlakis P. (2001), On the monitoring of illicit vessel discharges using spaceborne SAR remote sensing; a reconnaissance study in the Mediterranean Sea, Annals of Telecommunication, 56 (11/12). 2. Pavlakis P., D. Tarchi, and A. Sieber (2001), On the Monitoring of Illicit Vessel Discharges, A reconnaissance study in the Mediterranean Sea, EUR 19906 EN, European Commision, DG - Environment. 3. Clayton P. (2003), GMES OCEANIDES: Report on harmonised oil spill reporting system, QINETIQ/KI/SPACE/CR040023 4. Oceanides Map Viewer at http://dma.jrc.it/oceanides/, last overviewed 13/10/2004 5. Alpers W., V. Wismann, R. Theis, H. Huehnerfuss, N. Bartsch, Moreira J., and J.D Lyden, (1991), The damping of ocean surface waves by monomolecular sea slicks measured by airborne multi-frequency radars during the SAXON-FPN experiment, Proc. Int. Conf. International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'91), Helsinki, Finland. 6. ERDAS Imagine Field Guide Fourth Edition, (1997), ERDAS Inc. 7. Topouzelis K., V. Karathanassi, P. Pavlakis and D. Rokos, (2002), Oil Spill Detection: SAR Multi-scale Segmentation & Object Features Evaluation, Proc. Int. Conf. 9th International Symposium on Remote Sensing (SPIE), Agia Pelagia, Crete, Greece. Heleco 05, ΤΕΕ, Αθήνα, 3-6 Φεβρουαρίου 2005 10