مقاله شناسایی آلودگی نفتی در دریاها از طریق تصاویر ماهواره ای

بخشی از مقاله

چکیده

نشت نفت به محیط دریا باعث خسارات زیست محیطی و اقتصادی فراوانی می گردد. با توجه به اهمیت دریاها، شناسایی سریع آلودگی نفتی به شدت مورد توجه واقع شده است.فناوری سنجش از راه دور به دلیل پوشش گسترده و اخذ تصاویر در زمانی نزدیک زمان واقعی به خصوص تکنولوژی SAR بدلیل کارایی در هر شرایط آب و هوایی و نیز قابلیت بالا در آشکارسازی لکه های نفتی، بسیار مورد توجه محققان قرار گرفته است. هدف این مقاله معرفی آشکارسازی لکه های نفتی با تصاویر SAR می باشد. و باند C پرکاربرترین باند برای آشکارسازی لکه نفتی می باشد.

و دو روش دستی و اتوماتیک معرفی شده است ما به دنبال روش هایی هستیم که بتوان آلودگی نفتی را در کمترین زمان تشخیص داد که با توجه به اینکه روش اتوماتیک به نیروی آموزش دیده نیاز ندارد و احتمال خطا کمتر می باشد مناسبتر است، که در روش اتوماتیک سه مرحله انجام می گیرد: آشکارسازی اشکال تاریک، استخراج ویژگی ها، طبقه بندی. در سنجنده های رادری SAR از باند C استفاده می شود. دلیل این امر کاهش بازپخش لکه نفتی در این باند می باشد. سنجنده های RADARSAT1/2، ERS1/2 و Envisat که در این باند تصویر برداری می کنند.

مقدمه

آلودگی آب ها همواره موجبات نگرانی دولت ها و مردم را فراهم آورده و برای مبارزه با آن لازم است دولتها در سطح ملی و بین المللی اقدام و مشارکت نمایند.امروزه جلوگیری از آلودگی دریا یکی از مهمترین مسائل زیست محیطی بشمار می رود.زیرا که آب دریاها و اقیانوس ها علاوه بر تامین بخشی از زنجیره ی غذایی دنیا، قریب 90 درصد اکسیژن کره ی زمین را تامین می کند.

کنوانسیون بین المللی مارپل - - marpol 1978 [1]جهت جلوگیری از آلودگی دریاها و رودخانه ها قوانین و مقرراتی را وضع کرده و کشورهای عضو متعهد به انجام تمامی این مقررات می باشند.در سال های اخیر نشت نفت به محیط های دریایی از مهمترین عوامل آلودگی دریا می باشد.مهمترین علل آن نشت نفت از سکوهای نفتی، خطوط انتقال نفت در زیر دریا و غرق شدن تانکرهای نفتی می باشد.آلودگی نفتی صدمات جبران ناپذیری بر روی محیط زیست دریا و حیات جانوری دارد. و با توجه به اینکه کنترل و جمع آوری آلودگی نفتی امری هزینه بر می باشد. با توجه به اینکه دریا بستری با ارزش برای ذخایر نفتی می باشد جلوگیری از نشت نفت در دریاها و کاهش اثرات مخرب بر اکوسیستم های دریایی امری ضروری می باشد.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی سنجش از دور روش مناسبی برای تشخیص به موقع لکه های نفتی تبدیل شده است.با توجه به آن ماکروویو به خاطر قابل استفاده بودن در هر شرایط آب و هوایی و تصویر برداری در مدت شبانه روز توجه بسیاری از کشورها را به خود جلب کرده است.سنسورهای ماکروویو SARدر پلاریزاسیون چهارگانه HH، VV، HV و VH برای شناسنایی آلودگی نفتی استفاده می شوند.استفاده از تکنیک های پردازش تصویر در استفاده از تصاویر دورسنجی باعث استفاده بیشتر از این تصاویر شده است.

تشخیص لکه نفتی توسط سنجنده های SAR از طریق اثر آن بر تضعیف امواج ظریف سطحی است..در هنگام پخش نفت در سطح دریا لایه نازکی بر روی سطح آب ایجاد می شود. این لایه نازک، امواج کوتاه سطح دریا را میرا کرده و سطح پوشیده از نفت نسبت به محیط اطراف صاف تر ظاهر می شود.میرا شدن امواج کوتاه و صاف تر شدن سطح دریا منجر به کاهش پراکنش از سطح دریا می شود، بنابراین لکه های نفتی بر روی تصاویر SAR منطقه ای تاریک ایجاد می کنند که با آب اطراف دارای کنتراست بالایی است.

مطالعات بسیاری درباره کشف لکه های نفتی با استفاده از داده های SAR صورت گرفته است و همچنین چند مطالعه بر روی ارزیابی روش ها و تکنیک های استفاده شده در این زمینه انجام پذیرفته است[2] .در ابتدا از داده های تک پلاریزه و تکنیک های ساده ای استفاده می شد.با گذشت زمان و با پیدایش داده های SAR چند پلاریزه، تکنیک های پیشرفته تری جهت کشف آلودگی نفتی مورد استفاده قرار گرفت.به طوری که در مطالعه [3] روش آماری اتوماتیکی بر مبنای ترکیبی از مدل آماری و روش قانون مبنا جهت شناسایی آلودگی های نفتی با استفاده از تصاویر ERS ارائه شده است. هدف مقاله آشکارسازی لکه های نفتی با تصاویر SAR در باند C می باشد کهبتوانیمآلودگی نفتی را کمترین زمان تشخیص دهیم.

تکنولوژی SAR

سنجش از راه دور را می توان به دو بخش فعال و غیر فعال تقسیم کرد. سیستم های غیرفعال بازتاب انرژی که به طور طبیعی از یک منبع انرژی - عمدتا خورشید - در حال جریان است را اندازه گیری می کنند، در حالی که سیستم های فعال منبع انرژی را خود فراهم می کنند. این سنجنده ها را می توان به دو بخش سنجنده های تصویری و غیر تصویری تقسیم بندی کرد.معمول ترین سنجنده فعال که عمل تصویربرداری را انجام می دهد رادار می باشد.

سنجنده های رادار سیگنال های ماکروویو را به سمت اهداف مورد نظر ارسال کرده و سپسسیگنال های بازتابیده شده از سطوح مختلف را شناسایی می کنند. رادار با روزنه مصنوعی - SAR - سیستم رادار منسجمی است که بوسیله تکنیک های پردازش سیگنال پیشرفته، تصاویر با رزولوشن بالا تولید می کند.

سیستم SARدر بخش ماکروویو طیف الکترومغنااطیس در محدوده طول موج 1mm تا 1m - فرکانس 3 تا - 300GHz عمل می کند. سنجنده SAR بوسیله فرکانس، باند، پلاریزاسیون، زاویه فرودی، عرض برداشت و رزولوشن تصویر توصیف می کند.

ویژگی های لکه نفتی در تصویر SAR که پیکسل ها در تصویر SAR مقدار بازپخش امواج ارسال شده از سوی سنجنده از ماده یا عارضه زمینی را نشان می دهند.فاکتورهای بسیاری بر روی قدرت سیگنال راداری بازپخش شده از مواد معین تاثیر می گذارند.این فاکتورها شامل فاصله رادار از هدف زمینی، قدرت سیگنال ورودی، زیری سطح - هر چه سطح زیرتر باشد مقدار بازپخش بیشتر و تصویر روشن تر می باشد - ، ثابت دی الکتریک مواد، زاویه فرودی محلی، پلاریزاسیون و طول موج رادار، شکل و جهت مواد، هندسه زمین می باشند.

در تصویر برداری SAR از اقیانوس، مکانیزم بازپخش اصلی وقتی زاویه فرودی طیفی از 20 تا 45 درجه را در بر می گیرد، مکانیزم پراکنش،براگ است که انعکاس بالای سطح آب مربوط به پرکنش براگ از امواج باریک و گرانشی کوتاه می باشد. بنابراین مهمترین فاکتور موثر بر مقدار بازپخش از سطح دریا، زبری سطح در مقیاس امواج براگ است.وجود لکه های نفتی بر روی سطح باعث میرایی زبری سطح شده، پراکنش را کاهش می دهند، بنابراین منجر به ایجاد مناطق تاریک در تصویر SAR می شوند که با سطح آب کنتراست دارد.این موضوع عامل اصلی در تشخیص لکه های نفتی با استفاده از تصاویر SAR می باشد.

متاسفانه علاوه بر نفت پدیده های دیگری نیز وجود دارند که امواج کوتاه را میرا کرده و مناطق تاریکی را بر روی سطح ایجاد می کنند.به این دسته از پدیده ها که عامل ایجاد پیکسل های مشابه با یک لکه نفتی در تصاویر SARمی شوند اصطلاحا Look alikes گفته می شود.این پدیده ها شامل لایه های ارگانیکی، یخ های روغنی، مناطق با سرعت باد پایین، مناطق محصور شده توسط خشکی، سلول های بارانی، سطوح جبهه دار، دنباله مسیر حرکت کشتی ها و غیره می باشند.این موضوع باعث پیچیدگی تفسیر تصاویر SAR ایجاد می کنند زیرا زمانی که جریان باد وجود ندارد سطح دریا زبری عمده ای نداشته ودر نتیجه بازگشت انرژی کاهش یافته و منطقه تیره دیده می شود، از طرف دیگر وقتی سرعت باد خیلی بالا است تشخیص لکه نفتی سخت می شود.

این پدیده ها بویژه در صورت وجود باد با سرعت پایین، تشابه بیشتری با لکه های نفتی SAR ایجاد می کنند زیرا زمانی که جریان باد وجود ندارد سطح دریا زبری عمده ای نداشته و در نتیجه بازگشت انرژی کاهش یافته و منطقه دید تیره می شود، از طرف دیگر وقتی سرعت باد خیلی بالا است تشخیص لکه نفتی سخت می شود.این امر به دودلیل است، اول اینکه انرژی امواج کوتاه به اندازه ای است که موجب خنثی شدن اثر میراکنندگی لکه نفتی می شود و دوم آنکه وقتی دریا دارای اغتشاش است، لایه بالایی دریا تمام لکه یا بخشی از آن را غرق می کند.بطور کلی می توان ادعا کرد که یک لکه نفتی در تصویر بصورت یک لکه با تن تیره تر و نیز با بافتی همگن تر نسبت به سایر مناطق قابل مشاهده است، ولی بدلیل امکان حضور عوارض مشابه و وجود شرایط خاص در منطقه، جهت اخذ تصمیم برای لکه نفتی بودن یا نبودن یک عارضه لازم است با ملاحظات بیشتری در نظر گرفته شود.

سنجنده های زیادی از تکنولوژی SAR جهت اخذ تصویر استفاده می کنند. در جدول سنجنده های SAR که بطور عمده در آشکارسازی آلودگی نفتی مورد استفاده قرار می گیرند، آورده شده است. سنجنده های راداری SAR که در محدوده باند C تصویربرداری می کنند، مانند RADARSAT-1/2، ERS-1/2 و Envisat برای شناسایی آلودگی نفتی بسیار مناسب هستند به علت اینکه بازپخش توسط لکه نفتی در این باند کاهش می یابد و در این محدوده فرکانس حداقل سرعت باد 2B3 متر بر ثانیه،روشنایی کافی در تصویر ایجاد کرده و پوسته نفتی را مشخص می سازد.

جدول :1 سنجنده های SAR رایج در شناسایی آلودگی نفتی        

قابلیت آشکارسازی مواد نفتی در تصاویر SAR

سطوح نفتی طول موج های سانتی متری را روی سطوح اقیانوس تعدیل می کنند و ضریب باز پخش رادار کاهش می یابد و این باعث ایجاد نواحی و یا نقاط تاریک در تصاویرSAR می شود.

پروسه ای که نقش بسیار مهمی در آشکارسازی نفت عبارتند از: تبخیر، امولوسیون سازی، پخش اجزای سبک نفت به اتمسفر بخار خواهد شد و نرخ بخار به نوع نفت، ضخامت لایه، سرعت باد ودمای سطح بستگی دارد.امولوسیون تابعی است از قرار گیری نفت در معرض باد. پخش یک فاکتور مهم برای تصمیم گیری در مورد عمق مواد نفتی می باشد که بستگی به وضعیت دریا دارد.

تمایز بین مواد نفتی نشست شده و سایر مواد مشابه

یک مسئله آشکارسازی مواد نفتی تشخیص سطوح نفتی از سایر پدیده هایی می باشد که ممکن است امواج را تعدیل نموده و فضای تاریکی را در تصویر ایجاد می کند به این پدیده های طبیعی سطوحمشابه می گویند. غشاهای طبیعی بسیار سخت از مواد نفتی تشخیص داده می شوند. به سبب بالاتر بودن ویسکوسیتی نفت نسبت به غشاهای طبیعی، بسیار سخت از مواد نفتی تشخیص داده می شوند.به سبب بالاتر بودن ویسکوسیتی نفت نسبت به غشاهای طبیعی، مواد نفتی میل به تغلیض بیشتر دارند و تعدیل بیشتری را تامین می کنند.Grade در سال 1996 بررسی هایی انجام داد که در آن به این نتیجه رسید که باند L ، C و X از تصاویر SAR قادر به تشخیص غشاهای کاذب از سطوح نفتی می باشند و تشخیص فقط در بادهایی با سرعت متوسط و کم امکان پذیر است.