Wykorzystanie platformy satelitarnej do monitoringu zanieczyszczeń mórz
Kozłowski Andrzej
Akademia Morska w Szczecinie, and.kozlowski@am.szczecin.pl
Wstęp
Tradycyjne techniki wykrywania zanieczyszczeń morza posiadają szereg wad i ograniczeń.
Należą do nich między innymi długi czas zwłoki upływający między nielegalnym zrzutem zanieczyszczenia a jego wykryciem, co w przypadku większości rozlewów nie pozwala na złapanie sprawcy na „gorącym uczynku“. Kolejnym ograniczeniem może być brak możliwości przelotu samolotu nad kontrolowanym obszarem podczas ciężkich warunków atmosferycznych. Również z powodu ograniczonej dostępności środków obserwacji lotniczej często nie jest możliwe kontrolowanie całego obszaru, ale tylko wycinka wód przybrzeżnych.
Poza tym w postępowaniu sądowym dowody oparte wyłącznie na uzyskanych obrazach radiolokatorów SLAR często uważane są za niewystarczające do ukarania sprawcy rozlewu.
Na tle tych mankamentów platforma satelitarna teledetekcji posiada cenną zaletę możliwości prowadzenia monitoringu na dużych obszarach oraz zbierania obrazów na obszarach
„trudnych” dla samolotu. Połączone użycie satelitów, statków i samolotów zwiększa szanse wczesnego wykrycia rozlewu olejowego i zorganizowania szybkiej akcji likwidacji rozlewu, a tym samym ograniczenia szkód wyrządzonych środowisku. Dzięki regularnej kontroli dużych obszarów morskich, może być wykonana pełniejsza analiza i sporządzona dokładniejsza statystyka rozlewów olejowych. Oleje dostające się do środowiska morskiego mogą być dostrzeżone wcześniej, a po jego zlokalizowaniu lepiej kontrolowane. Dodatkowo pełniejsza obserwacja plamy olejowej w całej rozciągłości ułatwia znalezienie jej źródła i ustalenie sprawcy rozlewu.
Zalety te spowodowały, że w ostatnich dekadach nastąpił wielki rozwój w teledetekcji satelitarnej. Sztuczne satelity Ziemi znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki i gospodarki. Dzięki swoim cennym zaletom stanowią one również ważny element systemu kontroli stanu środowiska morskiego i jego ochrony przed zanieczyszczeniami. Postęp, jaki ostatnio dokonał się w technikach teledetekcji umożliwia skuteczną kontrolę przed zanieczyszczeniami rozległych oceanicznych rejonów na całej kuli ziemskiej, niezależnie od warunków pogodowych i pory dnia.
1. Platforma satelitarna teledetekcji
W ciągu minionego półwiecza na świecie wystrzelono ponad 40 000 sztucznych satelitów (wojskowych i cywilnych) o różnym przeznaczeniu, z których jeszcze ok. 17000 znajduje się na orbitach. Obecnie z tej ilości satelitów aktywnych jest nieco ponad 1 4001 na różnych orbitach (rys. 1), z czego USA posiadają - 480, Chiny - 134, Rosja - 83, Japonia - 71, Niemcy - 64, Wielka Brytania - 48, Indie - 35, a pozostałe kraje od kilku do kilkunastu. Dzieje się tak ponieważ orbitalny czas życia satelity wynosi średnio kilka lub kilkanaście lat, ale czasami tylko kilka dni.
1 http://www.celestrak.com/satcat/boxscore.asp
Rys. 1. Globalny system obserwacji satelitarnej
http://www.soed.org.cn/en/upload/201301/7f7ec38a85c7caa0ca6e8abf99ddf7b7.jpg
W skład atmosfery ziemskiej oprócz azotu i tlenu wchodzą także inne gazy jak: O3, H2O, CO2, CH4, które zdolne są do pochłaniania specyficznych długości fal (rys. 2.).
Rys. 2. Absorpcja promieniowania przez składniki atmosfery https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmospheric_window_EN.svg
Przez zachmurzone niebo bez większych przeszkód przechodzą jedynie mikrofale o długości
> 0.65 cm (pasma:Q,K,X,C,L na rys. 3.) wykorzystywane w radarach SLAR oraz SAR.
W zakresie optycznym takie „okna atmosferyczne” istnieją w następujących zakresach długości fal:
- dla światła widzialnego od 0,4-0,7 µm
- dla podczerwieni : od 0,7-1,3 µm, od 3,0-5,0 µm i od 8-12 µm.
Rys.3. Pasma stosowane w teledetekcji satelitarnej
http://lms.seos-project.eu/learning_modules/marinepollution/marinepollution-c01-s02-p01.html
Z powodu pochłaniania przez składniki atmosfery pewnych długości fal do teledetekcji satelitarnej wykorzystywane są tylko niektóre (rys. 3.) długości fal elektromagnetycznych.
Istnieje wiele typów, rodzajów i kilka podziałów sztucznych satelitów. Wśród satelitów teledetekcyjnych (Remote Sensing Satellites) wykorzystywane są satelity środowiskowe, do których należą satelity: LANDSAT, IKONOS, SPOT, RADARSAT, RESUS, QuickBird i in.
Satelity teledetekcyjne charakteryzowane są przede wszystkim przez ich orbitę, wysokość i czas obiegu. Do swoich celów mogą one wykorzystywać następujące orbity:
- orbity niskie LEO - (ang. Low Earth Orbit), od 200 - 2 000 km nad powierzchnią Ziemi, z czasem jej obiegania w przedziale 90-120 minut;
- orbity średnie MEO - (ang. Medium Earth Orbit) lub ICO – (ang. Intermediate Circular Orbit), 8 000 – 12 000 km nad Ziemią, czas obiegu ok. 6 godzin;
- orbity silnie eliptyczne HEO - (ang. Highly Eliptical Orbit) o perigeum od ok.500 km i apogeum do ok 50 000 km, z czasem obiegu od kilkunastu do 24 godzin;
- orbity geostacjonarne GEO - (ang. Geostationary Earth Orbit), umieszczone na wysokości 38 586 km, które są nieruchome dla obserwatora znajdującego się na powierzchni Ziemi.
Oprócz orbit dla pracy satelity bardzo ważny jest rodzaj i rozdzielczość umieszczonych na nich detektorów, ale także też charakterystyka wiązki. Nadajnik i odbiornik radaru działają dzięki sterowanej antenie, która wysyła wąską wiązkę promieniowania w kierunku prostopadłym do toru satelity. Kąt wzniesienia (elewacji) i profil wiązki (pozycja kierunkowa) mogą być tak dobrane, że wiązka promieniowania (rys. 4.) obejmuje powierzchnię Ziemi pod żądanym zakresem kątów padania wiązki (pomiedzy Low Incidence i High Incidence).
Rys.4. Tryby pracy i charakterystyka wiązki
Dobór parametrów wiązki jest ważny, ponieważ wraz z kątem padania każdej wiązki zmienia się także rozróżnialność i stopień pokrycia uzyskanego obrazu (rys.5.)
Rys.5. Zależność rozróżnialności obrazu od trybu pracy i charakterystyki wiązki radarowej
Systemy radarowe SAR (powietrzne i satelitarne) pracują przy różnych parametrach pracy.
W tabeli 1. przedstawiono typowe parametry systemów SAR.
Tabela 1 Typowe parametry systemów radarowych SAR
Satelitarny SAR (ERS-1) Powietrzny SAR (DRA) Długość fali (λ) 5,67 cm (C-band) 3,1 cm (X-band)
Polaryzacja VV HH
Szerokość pasma (B) 15,5 MHz 100 MHz
Impuls radarowy (Ƭp ) 37,1 µs 5 µs
PRF 1680 Hz Regulowana ~.1,1 kHz
Wielkość anteny (długość x wysokość)
10 m x 1 m 1,8 m x 0,18 m
Wysokość npm 785 km < 14 km
W technice radarowej rozróżnialność (ang. Resolution) charakteryzuje rozmiar obszaru odpowiadający jednemu pikselowi na obrazie radarowym. Rozróżnialność radarów jest funkcją szerokości wiązki. Im węższa jest wiązka promieniowania, tym rozróżnialność radarów jest większa (rys.5.). Teoretyczna rozróżnialność radiolokatora SAR w kierunku ruchu platformy obserwacji (samolotu lub satelity) jest równa połowie długości anteny w kierunku jej ruchu. Zmniejszając wymiar anteny można zwiększyć rozróżnialność radiolokatora SAR. Obecnie w satelitarnej technice SAR uzyskuje się rozróżnialności metrowe, w technice obserwacji powietrznej z pokładu samolotu – rozróżnialności decymetrowe.
Szerokość pasa obserwacji (ang. Swath) zależy od optyki teleskopu, parametrów czujnika i wysokości satelity. Na im wyższej orbicie znajduje się satelita, tym jest możliwa jest do
uzyskania większa szerokość pasa obserwacji, ale jest obraz charakteryzuje się mniejszą rozróżnialnością
Rys.6. Rozróżnialność i pasy obserwacji satelitów http://fas.org/irp/imint/docs/rst/Front/overview2.html
Dla zapewnienia dobrej obserwacji badanego obiektu bardzo ważny jest dobór odpowiedniego detektora. Badania prowadzone na Morzu Śródziemnym i Bałtyku wykazały, że większość rozlewów pojawiała się w porze nocnej, miała wielkość około 1 -10 km2, długość 5-10 km, szerokość <1 km. Taki przeciętny wymiar plam olejowych do ich wykrycia wymaga stosowania czujników o odpowiednio wysokiej rozróżnialności (<200 m). Tak wysoka rozdzielczość możliwa jest uzyskania przez detektory pracujące w zakresie widzialnym i podczerwieni. Jednakże pojawia się tutaj tego rodzaju ograniczenia, że detektory pracujące w zakresie widzialnym nie nadają się do obserwacji nocą, a czujniki pracujące w podczerwieni nie nadają się one do obserwacji obszarów pokrytych chmurami,.
Na przestrzeni kilku ostatnich dekad nastąpił ogromny postęp w technikach teledetekcji, co przejawia się dużym wzrostem rozdzielczości obecnie wykorzystywanych satelitów (rys. 7.)
Rys.7. Tendencja zmiany rozdzielczości satelitów w ostatnich dekadach
Pierwszy sztuczny satelita Sputnik 1 miał skromne wyposażenie i małą masę (masa 83,46 kg, średnica 0,58 m, 2 nadajniki radiowe o mocy 1 wata, 2 pary anten dł. 2,4 m i 2,9 m).
Współczesne satelity ważą kilka ton, co sprawia duże kłopoty z wyniesieniem ich na orbitę.
ENVISAT jest to jednym z największych satelitów, jakie kiedykolwiek wyniesiono na orbitę (jego rozmiary: 26 m × 10 m × 5 m, a masa - 8,2 tony). Na rysunku 8 podano przykładowe wyposażenie takiego satelity.
Rys. 8. Wyposażenie satelity ENVISAT (ENVIronment SATellite)
Jednym z wcześniejszych systemów obserwacji satelitarnej jest europejski system ERS (European Remote Sensing Satellite). Co każde 100 minut Ziemia jest obiegana przez satelity umieszczone na wysokości 780 km. Nominalna rozróżnialność przestrzenna danych systemu ERS wynosi 25 m x 25 m, z wyjątkiem obserwacji zrzutu oleju, które wykrywane są
“w niskiej rozróżnialności” obrazu 100 m x 100 m. Obraz w tej rozróżnialności jest też wystarczający, i pozwala to zmniejszyć zawartość pliku opisującego obraz do około 2 MB.
Eksperymenty wykazały, że zdolność wykrywania rozlewów przez system satelitarny SAR jest porównywalna do systemu radarowego SLAR, używanego obecnie w lotniczych systemach nadzoru powietrznego morza (rys. 8.).
a) b)
Rys. 8. Obrazy radarowe plamy rozlewu olejowego
a) - uzyskany za pomocą radaru SLAR umieszczonego na samolocie, b) uzyskany za pomocą radaru SAR umieszczonego na satelicie (ERS-1).
ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) - zaawansowany syntetyczny radar aperturowy,
AATSR (Advanced Along-Track Scanning Radiometer)- zaawansowany skanujący radiometr śledzący wzdłużny,
DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite), GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) - globalny monitor ozonu
(Laser Retro-Reflector)- laserowy reflektor powrotny,
MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) - spektrometr obrazowy średniej rozdzielczości,
MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding)- intrferometr Michelsona do pasywnego sondowania atmosfery, MWR (Microwave Radiometer)- radiometr mikrofalowy, RA-2 (Radar Altimeter) - wysokościomierz radarowy.
Za pomocą satelitarnego obrazu SAR mogą być dostrzegane małe plamy olejowe o powierzchni ok. 0,1 km kwadratowego. W monitoringu satelitarnym istnieje jednak możliwość uzyskania błędnych wskazań. Uzyskanie poprawnego obrazu SAR uzależnione jest od stanu morza i warunków atmosferycznych (rys. 9.)
Rys. 9. Wpływ warunków hydrometeorologicznych na obraz radaru
Dla uzyskania poprawnego obrazu SAR szybkość wiatru musi być wyższa niż 2 – 3 m/s, ale nie może być zbyt duża, chociaż wielokrotnie uzyskano obrazy plamy przy prędkości wiatru w zakresie 10 - 14 m/s. W związku z uzależnieniem obrazów od aktualnych warunków na morzu satelitarne obrazy radarowe SAR, jak również z radiolokatorów SLAR, wymagają dokładnej interpretacji, gdyż mało doświadczony interpretator obrazu, mógł zastosować źle dobrane algorytmy klasyfikacji, albo wprowadzić złe informacje o parametrach wiatru, które mogą być przyczyną fałszywych wskazań rozlewu. Przy małej prędkości wiatru, ciemne obszary mogą nie być rozlewami oleju, ale tylko miejscowymi efektami podmuchów wiatru, albo filmem naturalnego oleju, sygnalizując „fałszywe alarmy”. Także przy dużej szybkości mocnego wiatru unoszący się olej może ulec szybkiemu wymieszaniu z wodą morską i na obrazie radarowym SAR żaden efekt jego obecności na powierzchni może nie być dostrzeżony.
Obecnie jedną z agencji prowadzących obserwację Ziemi jest EMSA (European Maritime Safety Agency), która jest nastawiona na detekcję i monitoring rozlewów olejowych. Satelita połączony jest z siecią europejskich stacji lądowych (rys. 10.). Dane z satelity przekazywane są stacjom lądowym w taki sposób, aby powstał obraz, który następnie podlega analizie.
Rys. 10. Sieć stacji lądowych serwisu ClanSeaNet
Kolejnym krokiem jest wysłanie takiego obrazu oraz wyników przeprowadzonej analizy do Centrum Obserwacji Ziemskiej (Earth Observation Data Centre), które znajduje się w Europejskiej Agencji do spraw Bezpieczeństwa na Morzu (EMSA). Stamtąd informacja jest rozsyłana użytkownikom zintegrowanego morskiego serwisu EMSA. Agencja dostarcza informacje w czasie bliskim rzeczywistemu. Czas, jaki mija od chwili otrzymania obrazu do dostarczenia go użytkownikom wynosi 30 minut dla danych z radaru oraz 60 minut dla danych optycznych. Kongsberg Satellite Services (KSAT) w Tromsø (Norwegia) posiada wyniki analizy obrazów ERS SAR dotyczące istotnych zrzutów oleju zebrane nad norweskimi wodami w czasie „near realtime”. Po 6-8 minutach od chwili lokalizacji rozlewu przez satelitę w stacji jest generowany obraz SAR obszaru 100 km x100 km. Średnio w ciągu miesiąca analizowanych i interpretowanych jest ok. 300 takich obrazów ERS SAR zebranych z obsługiwanego rejonu przez zespół wysoko wykwalifikowanych operatorów.
Radarowy obraz satelitarny uzyskiwany jest niezależnie od pory dnia, zarówno w dzień jak i nocą. Obecność mgły oraz chmur nie stanowi problemu. Obraz optyczny może być uzyskiwany tylko wtedy, gdy spełnione są pewne warunki meteorologiczne. Konieczna jest jasna pora dnia oraz niebo wolne od chmur. Obraz jest jednak kolorowy i o wysokiej rozdzielczości. Doskonale przedstawia porty, linię brzegową oraz miejsca, w których prowadzone są różnego rodzaju operacje.
Serwis CleanSeaNet jest europejskim systemem wykrywania rozlewów olejowych bazującym na teledetekcji satelitarnej. Daje on możliwość wykrywania i śledzenia plam olejowych na powierzchni morza, a także monitoringu przypadkowego zanieczyszczenia podczas sytuacji zagrożenia. System umożliwia również identyfikację jednostek odpowiedzialnych za rozlew.
Obejmuje on wszystkie obszary mórz europejskich (rys. 10.), które są analizowane pod kątem ewentualnego wystąpienia rozlewu olejowego. W momencie, kiedy taki rozlew zostanie wykryty na wodach terytorialnych danego kraju, natychmiastowo wysyłana jest wiadomość alarmowa do odpowiednich służb danego kraju.
Wgląd do danych serwisu CleanSeaNet ma każde państwo z dostępem do morza. Poprzez interfejs użytkownika państwa te mają umożliwiony dostęp do zleconych zdjęć. Użytkownicy mogą także korzystać z szerokiego asortymentu dodatkowych informacji, takich jak modele rozprzestrzeniania się oleju, jego obraz optyczny, a także uzyskiwania informacji oceanograficznych i meteorologicznych. Od roku 2007 system CleanSeaNet korzysta z trzech satelitów okołobiegunowych. Satelitami tymi są: ENVISAT, RADARSAT-1, RADARSAT-2.
Pod koniec roku 2015 serwis będzie także korzystał z informacji dostarczanych z satelity ESA SENTINEL-1. Obraz satelitarny otrzymywany jest w postaci pasów o długości do 1 400 km i szerokości 500 km. Dla orbit okołobiegunowych częstotliwość obserwacji jest znacznie większa na dużych szerokościach geograficznych, niż na małych. Dlatego dostęp do kilku platform satelitarnych typu szerokiego poprawia możliwości operacji wykrywania nielegalnego uwalniania substancji nieprzyjaznych środowisku do wody nawet na niskich szerokościach geograficznych.
2. Konkluzje
Mimo wielu zalet monitoring satelitarny też ma pewne ograniczenia w uzyskiwaniu obrazów.
Jednym z nich jest zbyt mała częstotliwość przechodzenia satelity nad danym obszarem na Ziemi i konieczność jej synchronizacji z dobrymi warunkami do teledetekcyjnej obserwacji.
Częstość przelotu satelity nad tym samym obszarem zależna jest od jego indywidualnej orbity sięga od kilku dni do kilku tygodni. To „rozciągnięcie” w czasie kolejnych przelotów satelity
nad tym samym obszarem może być częściowo pokonane przez umieszczenie większej ilości satelitów, co zwiększy przejścia nad danym obszarem.
Innym ograniczeniem jest duża czasochłonność manualnego wykrywania rozlewów i trudność w budowaniu algorytmów potrzebnych dla „zakreślenia" rozlewu przy wykrywaniu automatycznym. Kolejnym ważnym warunkiem jest absolutna konieczność występowania przejrzystego nieba w przypadku prowadzenia obserwacji optycznej.
Innym utrudnieniem są kłopoty poprawną interpretacją obrazu radarowego w przypadku stosowania dyspersantów podczas likwidacji rozlewu. Na obrazie radarowym RADARSAT, uzyskanym tydzień po wycieku z Sea Empress, zasięg oleju był widoczny. Ciemne obszary z dala od wybrzeże (rys. 11.) przedstawiały obszary, gdzie olej był obecny. Obszary jaśniejsze, bezpośrednio na południe, są obszarami, gdzie celem ułatwienia tworzenia emulsji bezpośrednio na olej został rozproszony dyspersant.
Rys. 11. Obraz radarowy rozlewu olejowego przy stosowaniu dyspersantów
Kiedy w wyniku działań ratowniczych olej zaczął tworzyć emulsję, na morzu zaczęły powracać fale kapilarne, gdyż nie były już one tłumione przez olej. W efekcie obraz SAR zrobił się jasny, chociaż olej nadal był obecny w morzu.
Monitoring satelitarny ma też swoje cenne zalety. Platforma satelitarna z powodu niższych koszty prowadzenia obserwacji chętnie jest wykorzystywana do monitoringu ciągłego na dużych obszarach pod kątem wykrywania rozlewów olejowych. W ostatnich latach nastąpiła poprawa częstotliwości przelotów nad newralgicznymi obszarami mórz i oceanów. Systemy satelitarne RADARSAT SAR i ENVISAT ASAR, w przypadku wystąpienia katastrofalnego rozlewu, umożliwiają objęcie kontrolą zanieczyszczonego obszaru co 2-3 dni.
Pierwsze trzy lata działania systemu CleanSeaNet wykazały jego dużą skuteczność w wykrywaniu rozlewów olejowych. Między 16 kwietnia 2007 roku a 31 grudnia 2009 roku za pośrednictwem serwisu wysłano 5816 zdjęć do 26 państw. Wykryto 7193 możliwych rozlewów. Z tej ilości 1997 zostało zweryfikowanych przez odpowiednie służby na miejscu, a 542 zostało potwierdzonych jako rozlewy olejów mineralnych. Niestety, mimo dowodów dostarczanych przez CleanSeaNet, wciąż mamy do czynienia ze względnie niskim poziomem egzekwowania wykroczeń poprzez wykonanie dalszych działań na poziomie państwowym oraz ograniczonym przypływem informacji zwrotnych o działaniach podjętych przez władze.
Optymistycznym jest jednak fakt, że coraz częściej państwa korzystają z informacji tego serwisu w celu wykrycia sprawców zrzutu szkodliwych substancji do środowiska morskiego oraz wysyłają inspekcje w celu kontroli i ukarania sprawców.
