با معرفی کیفیت آب Ulyssys Viewer، یک اسکریپت سفارشی برای تجسم پویا از شرایط کلروفیل و رسوب بدنهای آب بر روی تصاویر Sentinel-2 و Sentinel-3 می توان بدست آورد. کار آندرس زلینسکی و گرگلی پادنیی-گلیس در دور دوم مسابقه اسکریپت سفارشی Sentinel Hub جایزه اول را بدست آورده است و در مخزن GitHub ما موجود است. این پست بخشی از سلسله پستهای  مهمان است که توسط نویسندگان اسکریپت نوشته شده است، در مورد ورود آنها به مسابقه ما صحبت می کند، به بینش بیشتری در مورد نحوه کار اسکریپت ها و آنچه می توان با استفاده از آنها دست یافت.

اطلاعات مربوط به کیفیت آب برای همه

مشکلات کیفیت آب بر بسیاری از دریاچه ها و رودخانه ها در سراسر جهان تأثیر می گذارد، اما تنها بخشی از اجسام آب با نظارت منظم در محل تحت پوشش هستند. حتی در صورت جمع آوری داده های نظارت، دستیابی به اطلاعات دشوار است، که در اکثر موارد فقط به زبان ملی و اغلب فقط به صورت جداول آفلاین در دسترس است. در همین حال، تصاویر ماهواره ای منبع اطلاعاتی را در مورد تمام آبهای جهان ارائه می دهد.

از منظر ماهواره ای، کیفیت آب با توجه به وضعیت آب برای استفاده انسان (آبیاری، صنعت، آشامیدنی و تفریح) و به عنوان یک زیستگاه طبیعی تعریف می شود. درست مانند اکوسیستم های زمینی، اکوسیستم های آبی براساس انرژی و زیست توده بدست آمده از طریق فتوسنتز ساخته می شوند و میزان فیتوپلانکتون (میکروسکوپی و جلبک هایی که به طور آزاد در آب شناور هستند) میزان انرژی و کربن موجود در سراسر شبکه غذایی را تعیین می کند. غلظت فیتوپلانکتون به شدت با رنگ آب ارتباط دارد، بنابراین این می تواند از ماهواره ها مشاهده شود، و به طور معمول در میکروگرم در هر لیتر کلروفیل موجود در آب بیان می شود.

شدت فتوسنتز بیشتر در دسترس بودن نور محدود است، که به نوبه خود با شفافیت آب محدود است. این می تواند در واحدهای نوری به عنوان کدورت یا به روش کمتری تر بر اساس میلی گرم رسوب معلق در هر لیتر آب بیان شود.

کلروفیل و غلظت رسوب معلق، دو پارامتر نوری اصلی کیفیت آب از منظر اکولوژیکی، بلکه اغلب از منظر انسانی نیز هستند: غلظت بالایی از کلروفیل که در طول تولید انبوه محلی جلبک ها (شکوفه های جلبک) حاصل می شود ، می تواند برای انسان سمی باشد و زیادی غلظت رسوب معلق برای تفریحات غیر جذاب است و می تواند برای استفاده های صنعتی مشکل ساز باشد. بسیاری از منابع آلودگی آب منجر به سیگنال آشکار در رسوب معلق یا کلروفیل می شوند، به عنوان مثال. هجوم فاضلاب معمولاً رسوب معلق را به همراه دارد و باعث افزایش رشد جلبک ها می شود.

بنابراین، هدف ما از این اسکریپت سفارشی ارائه تصویری از کیفیت آب است که در سطح جهان در دسترس و قابل دسترسی است. یک تحقیق به سرعت در حال رشد در مورد بهبود الگوریتم های تشخیص کلروفیل و رسوب معلق در آبهای نوری پیچیده وجود دارد، و تعدادی از پروژه های تحقیقاتی در حال انجام با تمرکز بر نظارت بر کیفیت آب از تصاویر ماهواره ای یا در مقیاس محلی یا جهانی وجود دارد. با این حال، در حالی که ابزارهای ما برای تعیین پارامترهای کیفیت آب هنوز به دور از ایده آل نیست، ما معتقدیم که تجسم غیر کمی  در حال حاضر می تواند سهم عمده ای در کنترل کیفیت آب داشته باشد.

مزایای نظارت بر کیفیت آب

هدف از نظارت بر کیفیت آب، درک فرایندهای فیزیکی و زیست محیطی است که در استفاده از آب تأثیر می گذارد، و تهیه هشدارهای به موقع و اطلاع رسانی به تصمیم گیرندگان در صورت لزوم مداخلات است. اطلاعات دقیق مبتنی بر نمونه برداری همیشه ضروری خواهد بود، اما تجسم نمونه های نقطه توانایی انتقال پیام در مقایسه با نقشه ها یا تصاویر را دارد. هرچه انجام دهیم، نظارت در محل همواره به درون یابی بین نمونه ها در فضا و زمان منجر می شود، و تصاویر ماهواره ای به صورتی دقیق تر کمک می کند تا این درون یابی ها دقیق تر شود. برای این فرآیند، Sentinel-2 و Sentinel-3 تغییر دهنده بازی هستند: Sentinel-2 دارای وضوح مکانی کافی برای تولید تصاویری است که توسط افراد غیرمتخصص قابل تفسیر است، از جمله از بدنهای نسبتاً کوچک. یکی از نمونه های مورد علاقه ما تصویر زیر است (شکل 1). پویایی این تصویر نشان می دهد که حتی در یک دریاچه، آب با سرعت قابل توجهی می تواند سفر کند و الگوهای مکانی مفصلی ایجاد کند. در صورت وجود ردیاب های طبیعی یا نیمه طبیعی، این حرکات برجسته می شوند و می توانند با مدل یا اندازه گیری مقایسه شوند.

شکل 1: ورود مواد آلی حل شده رنگی از رودخانه شاخه ای به دریاچه تشکیل یک  گرداب کلاسیک در لانه اسکله های بندر را برجسته می کند.

مهمترین سهم Sentinel-3 وضوح زمانی بالا است. حتی برای دریاچه های بزرگ، ممکن است یک تصویر واحد به ابعاد 300 متر پیکسل خیلی آموزنده نباشد، اما با ایجاد فیلم های کوتاه از سری زمانی تصاویر، این حرکت تفسیر آب و پویایی جلبک ها آسان می شود. این مجموعه داده ها رویکرد کاملاً متفاوتی برای نظارت بر آب ارائه می دهند: به جای اندازه گیری تک نقطه ای یا تصاویر استاتیک منفرد که از وضعیت در یک نقطه معین در زمان اطلاع می دهند، می توان فرآیندهای پویا دریاچه ها را با وضوح زمانی و مکانی نزدیک به مقیاس دنبال کرد. آنها اتفاق می افتند (شکل 2). به عنوان نمونه، انیمیشن زیر نشان می دهد که چگونه شکوفه جلبک ها در دریاچه بالاتون شکل می گیرد و از بین می رود: هر کجا که ابر سریال های روزانه را قطع نکند، می توان حرکت واقعی جریانها و ویرایش ها را دنبال کرد.

شکل 2: شکل گیری و از بین رفتن شکوفه جلبک ها در دریاچه بالاتون

امیدواریم با فراهم آوردن دسترسی آسان به این منابع داده تصویری، بتوانیم با تهیه نقشه های پس زمینه وضعیت کیفیت آب در هر کجا که اندازه گیری های خود را انجام دهن، از کار دانشمندانی که در مورد زیستگاه های آبی مطالعه می کنند نیز پشتیبانی کنیم. هر نوع داده جغرافیایی برچسب خورده را می توان با این تجسمات با کیفیت آب مقایسه کرد، بنابراین می توانند زمینه ای برای مطالعات زیست محیطی، هیدرولوژی یا ژئومورفولوژی آبزیان نیز فراهم کنند. در طول ساخت کد، ما زمان زیادی را برای تحسین زیبایی دریاچه ها و رودخانه ها گذراندیم و در طی کار با استفاده از علم قبلی، متوجه شدیم که تصاویر ماهواره ای زیبایی هنری دارند که می تواند به افزایش آگاهی از اهمیت فرایندهای کیفیت آب کمک کند. بنابراین ما برخی از ابزارهای اساسی را که با ایجاد برجسته کردن پیش زمینه یا پیش زمینه با رنگ های تعریف شده توسط کاربر یا لایه های شفاف ایجاد شده است، به ایجاد تصاویر بصری قانع کننده کمک می کنیم (شکل 3).

شکل 3: اسکریپت بیننده کیفیت آب اولیس که در مخزن Tsimlyansk ، روسیه استفاده می شود.

از نظر فنی، مشکل اصلی سنجش از راه دور کیفیت آب این است که غلظت رسوب بالا شفافیت آب را کاهش داده و سنجش از دور غلظت کلروفیل را غیر ممکن می کند. در حقیقت، غلظت زیاد رسوب در آب دقیقاً مانند ابرها در جو است، زیرا سیگنال مورد نظر ما را گم می کند. تا حدودی، مدل سازی انتقال طیفی یا تابش طیفی می تواند کمک کند، اما دقیقاً مانند ابرها، هیچ راه حلی با اندازه مناسب وجود ندارد. برای اسکریپت ساده ما تصمیم گرفتیم که در مورد این مشکل کار کنیم: راه حل این بود که کلروفیل و رسوبات معلق را در یک پالت معمولی تجسم کنیم که در آن کلروفیل فقط در صورت کم بودن غلظت رسوب نشان داده می شود. بنابراین کاربر مجبور نیست بین یک یا دیگری یکی را انتخاب کند و مقادیر کلروفیل بالقوه گمراه کننده را برای موقعیت هایی با رسوب معلق زیاد پیدا کند. ما همچنین به طور هدفمند از معیارهای غلظت کمی در همه جا در سراسر اسناد اجتناب کردیم. برنامه های کاربردی کیفیت آب مبتنی بر ماهواره ای این انتقاد را دریافت کرده اند که تصور غلطی از عدم خطا و عدم اطمینان ایجاد می کند و از طریق این پیام این پیام را انتقال می دهند که بهبود الگوریتم های سنجش از دور یا نظارت درجا ضروری نیست. در مقابل، امیدواریم با اذعان به ابهامات موجود در تجسم خود که از طریق ابر، مه و خطاهای خود الگوریتم کلروفیل بوجود می آیند، می توانیم نیاز به نظارت دقیق تری را جلب کنیم. این حالت ایده آل شامل یک سیستم اندازه گیری درون محل با کالیبره شده با الگوریتم های ماهواره ای بصورت محلی تنظیم شده است، که با هم در یک GIS وب انجام می شود. البته چنین نظامی نمی تواند در سطح جهانی توسعه یابد، اما امیدوارم با نزدیک تر شدن تصاویر ماهواره ای به کاربران علاقمند به کیفیت آب بتوانیم مقامات ملی و منطقه ای آب را برای سرمایه گذاری در چنین زیرساخت هایی ترغیب کنیم.

در همین حال، نمایشگر کیفیت آب Ulyssys - UWQV می تواند اطلاعات کیفی را از تمام آبهای داخلی جهان که نظارت بر کیفیت آب در دسترس نیست ارائه دهد. این شامل مناطق دور افتاده بلکه مناطق درگیری یا بحران بشردوستانه است که آب تمیز مخصوصاً با ارزش است و به دست آوردن اطلاعات دشوار است.

شکل 4: میدان نفتی آزادگان شمالی، مرز عراق و ایران، تصویر Sentinel-2 با اسکریپت UWQV کاربردی، به دست آمده در 8 سپتامبر 2019

آینده UWQV متعلق به انجمن توسعه اسکریپت های سفارشی Sentinel Hub است: این کد به گونه ای طراحی شده است که الگوریتم های جدید را به آسانی ممکن اضافه کند. مرحله اصلی بعدی به نوعی فعال کردن تجسم مشترک از چندین منبع داده خواهد بود: به عنوان مثال تصاویر حرارتی Sentinel-3 یا Landsat-8 یا زبری سطح آب Sentinel-1 اگر در کنار نقشه های کیفیت آب ما نشان داده شود بسیار آموزنده است.

کد توسط آندرس زلینسکی و همکارش از مجارستان تهیه شده است. گرگلی برنامه نویس بود و بیشتر مستندات را نوشت، در حالی که آندری الگوریتم های سنجش از دور را بر اساس کار قبلی خود با Global Lake Watch انتخاب کرد. بسیاری از مراحل پردازش مبتنی بر اسکریپت های سفارشی قبلی (روکش شفاف ، پوشش ابر و غیره) بوده است، و امیدواریم که برخی از ویژگی های UWQV (مانند مینی سازی یا کنترل خودکار چند ماهواره) بتواند برای آینده بعدی مفید باشد.

کد ژوپیتر این پست

مدیر سایت: بهزاد سرهادی

شماره تلفن: 09190622992

شناسه تلگرام مدیر سایت: SubBasin@

نشانی ایمیل: behzadsarhadi@gmail.com

(سوالات تخصصی را در گروه تلگرام ارسال کنید)

_______________________________________________________

×

 براي پيوستن به بزرگترين گروه تلگرام علوم و مهندسي آب با امکان تبادل نظر بين اعضاء کليک کنيد

کتاب کاربرد مدل QUAL2KW

کتاب کاربرد GIS در منابع آب

کتاب محاسبه سيل طرح