אתגר גדל והולך של זיהום אורגני

קונטיננטים אורגניים, כולל חומרים אורגניים מתמשכים (POPs), חומרי הדברה, תרופות, מוצרי טיפול אישיים וכימיקלים תעשייתיים, מהווים איום משמעותי על בריאות סביבתית ואנושית. תרכובות אלה יכולות להימשך באדמה, מים מרוחקים, אוויר, ביוקפולציה באתרי מזון, ולגרום לשיבושים אנדוקריניים אורגניים, סרטן, ונזק התפתחותי.

למה דווקא לבודדים מרוחקים?

למזהמים אורגניים יש לעתים קרובות חתימות אופטיות, תרמיות או מבניות שניתן לזהות מרחוק.נוכחותם יכולה לשנות את הרהרפתון עלים בצמחייה (בשל לחץ או עלייה), לשנות תכונות אופטיות של עמודה מים (באמצעות חומר אורגני או אלגל פרי), או להשפיע על מאפייני פני הקרקע מרחוק חישה ממנתחים אלה על פני הספקטרום האלקטרומגנטי.

  • כיסוי מהיר, גדול-שטח (מ דונם ועד יבשות שלמות).
  • זמני החזרה תכופים לאנליזה של טרנד זמני.
  • רכישת נתונים בסביבה מרוחקת או מסוכנת.
  • עלויות נמוכות יותר לאזור ליחידה על פני תוכניות ניטור ארוכות טווח.

עם זאת, אתגרים נשארים, כולל התערבות אטמוספרית, מגבלות זיהוי מוגבלות, הצורך בספריות ספקטרליות מדויקות, ואימות באמצעות אמת קרקעית.שילוב של פלטפורמות מרובות וטכניקות עיבוד נתונים גובר על המכשולים האלה.

טכנולוגיות נסיונות מרחוק ל- Contaminant Detection

המונחים: Hyperspectral Imaging

חיישנים היפר-ספקטרום שיקפו את הרדיונס במאות להקות ספקטרום צר, בדרך כלל מ -400 עד 2500 nm.כל חומר יש חתימה ספקטרלית ייחודית, ומזהמים אורגניים לעתים קרובות סופגים או משקפים אור באור באורכי גל ספציפיים.לדוגמה, חומרים פוליציקליים של פחמן סנטימיים (PAs) מספקים תכונות ספיגה אופייניות באזור אינפרא אדום גליקולארי (IR) יכול לזהות מאגרי מים מדויקים.

חיישן מבוסס ד"רזון (UAVs)

כלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (UAVs או מל"טים) ממלאים את הפער בין סקרי קרקע לבין תמונות לוויין.הם יכולים לשאת מגוון של חיישנים קלים: רב-ספקטרום, היפר-ספקטרום, אינפרא אדום תרמי, ואפילו גלאי גזים עמידים על מנת למנועי מל"טים מתקדמים (Derones) לטוס בגבהים נמוכים (50-400 מ"מ), ומספקים מאוד פתרונות מרחביים) ויכולת לבצע סקרים ממוקדים על גבי צינורות פחמן, כולל צינורות אורגניים (מזהמים) וספקים) לשימוש באופן אוטומטי, כולל מתקני הגנה אורגניים).

לווין רחוק

חיישנים לוויין כמו Sentinel-2 (ESA), Landsat-8/9 (NASA/USGS), ו- WorldView-3 (מסחר) מציעים תמונות מרובות-גבוהות לפתרון רב-תכליתיות (למרות שרזולוציה ספקטרלית היא קוהרסרר מאשר Hyperspectral, נתונים רב-ספקטרוםיים יכולים עדיין לזהות סוגים רחבים של מזהמים אורגניים (Ricials) של פחמן-RSA) במיוחד עבור מים.

LIDAR ו-Thermal Imaging

גילוי אור ו Ranging (LIDAR) מספק נתונים טופוגרפיים תלת-ממדיים שימושיים עבור מודל תחבורה contaminant ב שפיכות מים. Aטיס LIDAR יכול גם לזהות אותות פלואורסנט מתרכובות אורגניות אם בשילוב עם אורכי גל לייזר ספציפיים (השפעה LIDAR) חיישנים אינפרא אדום בינוני מדד פני השטח, אשר יכול להצביע על פעילות מיקרוביאלית שבירת זיהום אורגני, כמו biodeation הוא לעתים קרובות אתרי ניטור תרמיים אחרים.

ניתוח נתונים ולמידה של מכונות

הנפח והמורכבות של נתונים מרחוק דורשים ניתוח מתקדם. Machine Learning (ML) ואלגוריתמים למידה עמוקה הפכו חיוניים למיצוי מידע שימושי מ-spectral, מרחבי, ו-temporal Data. Convolutional neural networks (CNN) להצטיין בזיהוי תבניות מרחביות כגון מזחלות שמן או כתמים מזוהמים צמחיים.

טרנד מרכזי הוא ההיתוך של נתונים רב-מקוריים.שלב תמונות היפר-ספקטרום עם SAR ונתונים תרמיים משפר את הדיוק על ידי מינוף תכונות פיזיקליות אוטגוניות.לדוגמה, שפך שמן מזוהה באופן אופטי עשוי להיות מאושר על ידי מכ"ם ו anomalies תרמיים.היתוך נתונים גם מאפשר פיזור נתונים דומה של רמות ריכוז contaminant, לא רק נוכחות / נוכחות.

מגמות וחדשנות מתפתחות

שילוב ננוחיות ותיקון

ננו-רגישים ניידים מפותחים כדי להשלים חישה מרחוק על ידי מתן אימות ברמה הקרקעית.חיישנים אלה יכולים לזהות contaminants אורגני באמצעות טכניקות כמו super-enhanced Raman spectroscopy (SERS) או אלקטרו-כימי חישה. כאשר פרוס על רשת של buoys, מל"טים, או מכשירים ידניים, הם מציעים בזמן אמתי עבור מודל אינטרנטי של עיבוד ישירות של נתונים.

קונסולות לוויין להחלטת טמפל

קבוצות לוויין מסחריות חדשות כגון Planet Labs' Dove (3-5 מ' החלטה, GHGSat (לזיהוי מתאן) מספקות תדר זמני חסר תקדים.דמית יומית מאפשרת מעקב אחר אירועי זיהום משתנים במהירות כמו שפך מקרי, algals, או ריצה חקלאית. בשילוב עם משימה לפי דרישה ממערכות לוויין מתחרות, מנהלי סביבה יכולים כעת לפקח על תהליכים דינמיים על בסיס קבוע מראש עבור תוכנית התראה מוקדמת.

Hyperspectral Data Fusion עם Multi-Sensor Platforms

היתוך חושי אינו מוגבל לניתוח לאחר-רכישה.פלטפורמות עתידיות עשויות לשלב חיישנים מרובים על מזל"ט יחיד או לוויין.לדוגמה, מצלמה היפר-ספקטרום, תמונה תרמית, ו-LIDAR יכול להיות מותקן על AV כדי לרכוש בו זמנית ספקטרום, תרמית וטופוגרפיה נתונים.זה סימולציות נתונים מוכללות ומשפר את הדיוק.

AI-Powered Real-Time Classification ו- Mapping

מחשוב על מזל"טים ולוויינים מאפשר עיבוד בזמן אמת.במקום לשלוח תמונות גלם לקרקע, מעבדי לוח לרוץ מודלים קלים ML כדי לזהות אירועי זיהום בתוך שניות.לדוגמה, מזל"ט שבוד אתר תעשייתי יכול לדגל צנרת כימית בלתי צפויה בעוד עדיין בטיסה ולהתאים באופן אוטומטי את נתיב הטיסה שלה לבדיקה קרובה יותר.

מחקרים ויישומים

שמן שמן: Spill Monitoring

פיסות נפט הן בין האירועים הבולטים ביותר של זיהום אורגני. sensing מרחוק כבר בשימוש עבור שמן שפך תגובה, עם SAR לווייני להיות הכלי העיקרי. מגמות האחרונות כוללים את השימוש בנתונים רב-ספקטרוםיים ו hyperspectral כדי להבחין סוגים שונים של שמן (אור לעומת כבד) והערכה של עובי מים עמוק Horizon לשפוך בשנת 2010 מואץ מחקר לתוך רב-רגישים, כיום סוכנויות מעקב תרמיליים עבור סוכנויות אבטחה אחת (R) כמו גם לוויינים).

פשיסטריד חקלאי והיפויריד ד"רift

סחף מחוץ לטרנט של חומרי הדברה וההפוביידים מציב סיכונים לגידולים, חיות בר ובריאות האדם. Hyperspectral מרוחקים חישה מרחפנים יכולים לזהות שינויים עדינים בתכנים של כלורופיל, לחץ מים, או רמות carotenoid המציינות חשיפה לסחף.חוקרים באוניברסיטת קליפורניה, דייוויס השתמש בדימויים היפרספקטרליים כדי למפות נזק סמבה בשדות כהים עם דיוק גבוה ותצפיות מדויקות אלה.

מעקב אחר איכות המים של חומר אורגני

חומר אורגני מבודד (DOM) במים מגיע מן הצומח הטבעית, כמו גם מקורות אנתרוגניים כמו ביוב או מפלט חקלאי (DOM) גבוה יכול להוביל להיווצרות טרילומיטן במהלך טיפול במים.חיישנים כגון Sentinel-2 ו- Landsat-8 יכולים להעריך חומרים אורגניים מתמוססים (CDOM) באמצעות אלגוריתמים אמפיריים של הסוכנות האירופית: LT2Firple, אשר משמשים למעקב אחר נתונים מורכבים ל-CVal Revaltation 10.

Soil Contamination מאת Persistent Organicמזהמים

מיפוי של POPs כמו פוליכלוינד דוphenyls (PCBs) או dioxins באדמה מאתגר כי הם לעתים קרובות נוכחים בכמויות עקבות.עם זאת, חישה מרחוק יכול לזהות אינדיקטורים עקיפים: צמחייה מתוחה, אותות אדמה משתנים, או זיהוי תרמיים.הדמיה היפרספקטרלית יכולה לזהות מינרלים ספציפיים או רכיבים חומר אורגניים הקשורים לזיהום.

אתגרים ומגבלות

למרות ההתקדמות, חישה מרחוק עבור contaminants אורגני הוא לא כדור כסף.

  • (FLT:0) בלבול ספקטרום: 1FLT:1 contaminants או חומרי רקע שונים יכולים להיות חתימות ספקטרום דומות, מה שמוביל לחיובים כוזבים או שלילי.
  • (ב) התערבות אטמוספירית:0 (Automic Disorder: 0) 1 מים ווטר וואטסור ואווירסולמים מעוותים מדידות ספקטרליות, הדורשות תיקונים שיכולים להציג שגיאות.
  • (FLT:0)Low ריכוז זיהוי: 1FLT:1 הרבה contaminants אורגניים קיימים ברמות של חלקיקים-עשר מיליארד, הרבה מתחת לרגישות של חיישנים אופטיים פסיביים. Activeחיישנים (השפעה LIDAR, Raman LIDAR) מציעים רגישות גבוהה יותר אבל יש טווח מוגבל.
  • (FLT:0) ו-Validation צריך:FLT:1rea sensing חייב תמיד להיות בעל בסיס עם ניתוח מעבדה.העלות של אימות יסודי יכול להגביל את השימוש של חישה מרחוק ניטור שגרתי.
  • (FLT:0) קבלת אישור: 1FLT סוכנויות סביבתיות התבססו היסטורית על שיטות מבוססות קרקע מבוססות. integrating Remote sensing into רגולציה דורש פרוטוקולים חדשים ושיתוף פעולה בין-תחומי.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, כמה התפתחויות מבטיחות להפוך את ניטור אורגני של ניו יורק לווייני hyperspectral כגון ESA CHIME (Copernicus Hyperspectral Imaging Mission for the Environment) ו-GPSI של נאס"א (SBG) המשימה לספק נתונים מתקדמים ושיטתיים של ניהול אווירי, החל בסוף 2020s, משימות אלה יאפשרו בסיס רחב של מיפוי רחב של תרכובות טווח ארוך טווח של חיישנים לטווח ארוך, כדי לאפשר מהירויות של ספקטרום רחב של מהירויות אוויריות.

מסקנה

טכנולוגיות רגישות מרחוק משתנות באופן יסודי את האופן שבו אנו עוקבים אחר contaminants אורגניים בסביבה.מדמיית היפר-ספקטרום לחיישנים מחוסנים ואנליזה של מידע מכונה, כלים אלה מציעים בקנה מידה חסר תקדים, מהירות ותובנה, בעוד אתגרים נשארים - במיוחד עבור החלטות בעלות ריכוז נמוך של זיהום סביבתי ואימות - המגמה היא לקראת מערכות מרובות משולבות, רב-פלטפורמות המספקות פעילות כמעט-מציאותית, כמו גם זיהוי אבטחה משולבת, ואפקטים של אבטחה מלאכותית, אך לא יכולות אבטחה מתקדמות יותר, אך משפרות, אך לא יכולות אבטחה סביבתיות, יכולות אבטחה סביבתיות, אלא גם יכולות מבוססות-עולמיות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, והגנתיות, יכולות מבוססות-עולמיות, יעילות, יעילות, יכולות אבטחה מתקדמות יותר, אך יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות, והגנתיות, יעילות, יעילות, יעילות, יעילות סביבתיות, יכולות מבוססות-מערכת הגנה סביבתיות, יעילות, יעילות, והגנתיות, אך יעילות, יכולות מבוססות-עולמיות, יכולות מבוססות-מערכת הגנה סביבתיות, יעילות, יכולות מבוססות-מערכת הגנה סביבתיות, יכולות מבוססות-מערכת הגנה סביבתיות, אך יעילות, יעילות, יעילות, אך יעילות וזיהוי, אך