A TERMÁLIS KÉPKÉSZÍTŐ ÉS ELEMZŐ RENDSZER (TEKER) FEJLESZTÉSE C. PROJEKT BEMUTATÁSA Mucsi László 1 Összefoglalás Az Oktatási Minisztérium Kutatás-fejlesztési Helyettes Államtitkárság által 2000-ben meghirdetett IKTA-3 KÉPI-2000 programjában sikeres pályázatot adott be a SZTE Természeti Földrajzi Tanszéke által vezetett konzorcium (további tagok az A.A. Stádium Kft. és az ERMI-2000 Bt). A Termális képkészítő és elemző rendszer (TEKER) fejlesztése c. projekt célja, hogy a konzorciumi tagok digitális légi hőfelvételekre alapozva olyan technológiát és módszert dolgozzanak ki, melynek rutinszerű alkalmazásával csökkenthetők a kőolaj- és földgázkitermelés, valamint szállítás során keletkező környezetszennyezések. A műszaki fejlesztés mellett tudományos célkitűzés, hogy terepi és légi felméréssel tanulmányozzák a mintaterület talajadottságait, hőkamerás felvételekkel elemezzék a talajban futó szállítóvezetékek hatását a talaj hőmérsékletére. A talajok fizikai paramétereinek vizsgálatával térbeli (3D-s) áramlásmodelleket készítenek a vezeték-lyukadásokból származó anyagok (elsősorban nyersolaj, rétegvíz) terjedésére vonatkozóan. Magyarország légifelvételezése 2000 program során készülő felvételekre alapozva elkészítik a terület digitális ortofoto-térképét, s értékelik az antropogén hatás mértékét. A projekt kísérleti fázisában már monitoring-szerűen vizsgálják a vezetékrendszert hőkamerával, s kidolgozzák a tudományos vizsgálatokon nyugvó térinformatikai és képfeldolgozási módszereket alkalmazó döntés-előkészítő rendszert (TEKER). Célkitűzések A projekt célja, hogy, digitális légi hőfelvételekre alapozva olyan technológiát és módszert dolgozzunk ki, melynek rutinszerű alkalmazásával csökkenthetők a kőolaj- és földgázkitermelés, valamint szállítás során keletkező környezetszennyezések. Tudományos célkitűzésünk, hogy terepi és légi felméréssel tanulmányozzuk a mintaterület talajadottságait, hőkamerás felvételekkel elemezzük a talajban futó szállítóvezetékek hatását a talaj hőmérsékletére. A talajok fizikai paramétereinek vizsgálatával térbeli (3D-s) áramlásmodelleket készítünk a vezeték-lyukadásokból származó anyagok (elsősorban nyersolaj, rétegvíz) terjedésére vonatkozóan. A korábban készült légifelvételek, ill. Magyarország légifelvételezése során készülő felvételekre alapozva elkészítjük a terület digitális légifelvétel-térképét, s értékeljük az antropogén hatás mértékét. A légifelvétel-térképet összevetjük a vezetékhálózat térképével, s megtervezzük az optimális repülési útvonalakat. A kísérleti fázisban is már monitoring szerűen vizsgáljuk hőkamerával a vezetékrendszert, s kidolgozzuk a tudományos vizsgálatokon nyugvó térinformatikai és képfeldolgozási módszereket alkalmazó döntés-előkészítő rendszert (TEKER). Műszaki célkitűzés, hogy a légi távérzékeléshez megtervezzük és műszakilag kivitelezzük a műholdas helyzet-meghatározáson alapuló navigáció és a hőkamerás képkészítés interaktív kapcsolatrendszerét, majd a digitálisan rögzített adatokat képfeldolgozó rendszeren elemezzük. Az ellenőrzést korábban végző műszaki szakemberek tapasztalatára 1 Dr. Mucsi László PhD egyetemi docens, Szegedi Tudományegyetem Természeti Földrajzi Tanszék laci@earth.geo.u-szeged.hu 1
Mucsi László A TERMÁLIS KÉPKÉSZÍTŐ ÉS ELEMZŐ RENDSZER támaszkodva betanító képkönyvtár állományt állítunk össze, amelynek segítségével a képfeldogozó ismeretekkel nem rendelkező felhasználók is rutinszerűen alkalmazni tudják a bonyolult műszaki rendszert, s korai fázisban felismerhetik a környezeti káreseményeket. A projekt sikeres végrehajtása érdekében az SZTE Természeti Földrajzi Tanszéke (koordinátor: Dr. Mucsi László egyetemi docens) konzorciumot hozott létre az A.A.Stádium Kft. (témafelelős: Dabis Gábor) és az ERMI-2000 Bt. (témafelelős: Dzsupin Mihály) közreműködésével. A projekt tárgya és választott témaköre A projekt tárgya a kőolaj- és földgázkitermelés során keletkező környezet-szennyezések feltárása és korai felismerésükre megfelelő módszer és technológia kidolgozása. Évente, mintegy 100-120 millió forintba kerül a vezetéklyukadásokból származó károk elhárítása. A kutakból a kitermelés során nyert nyersanyagok, illetve a melléktermékek (pl. óriási mennyiségű rétegvíz) csővezetékeken keresztül jutnak el a gyűjtőállomásokig, majd a fő technológiai üzembe. A hatvanas évek óta mélyített több mint 1000 kút és a több száz kilométer hosszú csővezeték teljesen megváltoztatta a táj képét. A vezetékhálózat folyamatos ellenőrzése, monitoringja gyakorlatilag nem végezhető el a modern technikai berendezések alkalmazása nélkül. A ma használt módszerek (légi megfigyelés) már ugrásszerű változást jelentenek a korábbi terepbejárásokhoz képest, hiszen biztosítható a terület gyors áttekintése. Sajnos a repülések alatt csak a pilóta vagy az egyébként nagy tapasztalattal bíró kísérő személyzet látásán múlik a káresemény felismerése. Ez rendszerint akkor következik, amikor a szennyezés olyan mértékű, hogy az már szabad szemmel is látható, vagyis a talaj felszínén több méter átmérőjű olajfolt úszik. Ilyenkor az azonnali kárelhárítás ellenére is nagy kiterjedésben szennyeződik a talaj, a szennyeződés elérheti a talajvizeket, s ezeken keresztül akár az élővizeket. Korábbi szakirodalmi ismereteinkre támaszkodva állítjuk, hogy a talaj alatti vezetéklyukadások, s az azokból származó környezetszennyezések már korai fázisban felismerhetők, s ezáltal jelentősen csökkenhet a környezeti kár mértéke, ebből következően a kárelhárítás költsége. Elsősorban a talaj reflektancia tulajdonságai változnak meg az olajszennyezés következtében, s ezek a változások nagy spektrális felbontású (1-2 nm) spektrométerekkel mérhetők. A terepi spektrométerek csak pontszerű mintavételezést tesznek lehetővé, a képkészítő spektrométerek (DAIS, AVIRIS, stb.) kidolgozása többnyire még kísérleti fázisban, s olyan technikai hátteret igényelnek, melyet csak az olyan tőkeerős szervezetek, mint a NASA, DLR, ESA tudnak biztosítani. E drága rendszerekkel történt mérések, a szakirodalomban közzétett, eredményeire támaszkodva feltételezzük, hogy a talaj szennyezései más módszerekkel közvetetten vagy közvetlenül is kimutathatók. Szakmai ismereteken kívül egyszerű megfigyelések is alátámasztják feltételezésünk helyességét. Azon vezetékek fölött, amelyekben magas hőmérsékleten áramlik az anyag, téli havas napokon a hó elolvad és folytonos vonalként követhető a csupasz talajfelszínen - a vezeték nyomvonala - a kútalaptól a gyűjtőállomásig. Mindez annak ellenére bekövetkezik, hogy a vezetékek 1-1.5 m mélységben helyezkednek el a felszín alatt. Nyilvánvaló, hogy a hőmérsékleti különbségek kisebbek nyári, forró napokon, de érzékeny műszerrel így is mérhetőek a vezeték környezetének és az attól távolabbi talajfelszín hőmérsékletkülönbségei. A jelenlegi hőkamerák érzékenysége igen nagy, már 0.1 fokos különbségeket is érzékelni tudnak. A testek felületi hőmérséklete, és az általuk kibocsátott sugárzás spektrális összetétele összefügg. Az infravörös termográfia lényege, hogy meghatározott hullámhossztartományban mérve a testek felületéről érkező infravörös sugárzást, és megfelelően 2
figyelembe véve a befolyásoló tényezőket (távolság, páratartalom, környezeti hőmérséklet, emissziós tényező, stb.) pontos, érintkezésmentes hőmérsékletmérés valósítható meg széles hőmérséklet tartományban, viszonylag nagy távolságból is. A termovíziós készülékek azonban nem csak egy számértékkel jellemezhető eredményt produkálnak, hanem képesek meglehetősen nagy felbontású hőmérsékleti képet alkotni a vizsgált objektumról. A projektbe bevonni kívánt készülék például 320 240 képpontból álló hőmérsékleti képet készít, amely képnek minden egyes pontja megfelel a készülék legfontosabb alkatrésze, a 320 240 érzékelő elemből felépülő mátrix-detektor pontjainak. Az ilyen felbontású kép az esetek döntő többségében jól felismerhetővé teszi a vizsgált objektumot. A nemzetközi szakirodalomban leírtak és saját tapasztalataink alapján is egyértelműen kijelenthető, hogy az infravörös termográfia alkalmas föld alatti folyadékszállító csővezetékrendszerek sérüléseinek, folyadékvesztésének kimutatására. A modern termovíziós műszerek érzékenysége 0,1 C körüli, ami általában önmagában is megfelel akár még a sértetlen és hőszigeteléssel ellátott csővezetékek felderítésére is, ha feltételezzük, hogy a csővezeték a talajfelszíntől néhány méteren belül húzódik, és a szállított közeg Fűvel borított terület alatt húzódó távfűtő vezeték hőmérséklete eltér a környezetétől. A sérülések, szivárgások felderítését ezen túlmenően a gyakorlatban további körülmények segítik. Ilyenek például a folyadékok párolgásával együttjáró hőmérsékletcsökkenés, amely folyadék-típusonként eltérő. Hasonlóan segíti a hibaazonosítást az átázott talaj nagyobb hőtehetetlensége, amely tulajdonság változó hőmérsékleti viszonyok mellett jól kihasználható, - például egy délelőtti felmelegedés esetén az átázott talajfelszín lassabban képes felmelegedni, mint a környező száraz területek. Lehűlés mellett a jelenség fordított, de ugyanígy kihasználható. Bizonyos mértékig a nedves és száraz talajfelszín eltérő emissziós tulajdonsága is segíti az értékelést. 3
Mucsi László A TERMÁLIS KÉPKÉSZÍTŐ ÉS ELEMZŐ RENDSZER A projekt eredményeinek hasznosítása A II. munkaszakasz után a Termális Képkészítő és Elemző Rendszer (TEKER) önálló termékként vagy szolgáltatásként felhasználható. A magyar piacon nincs olyan versenytárs, amely hasonló szolgáltatást (repülést, termális és optikai képkészítést és digitális képfeldolgozást) tudna egyidejűleg és folyamatosan nyújtani. A konkurens termékek közül az Eurosense digitális ortofoto termékei, valamint a FÖMI mérőkamerás légifelvételei említhetők meg, de ezekkel nem biztosítható (vagy csak rendkívül költségesen) a folyamatos monitoring. A FÖMI-ből beszerzett korábbi légifelvételek az SZTE Alkalmazott Geoinformatikai Laboratóriumában (AGIL) ERDAS képfeldolgozó rendszerben ortoeljárással feldolgozhatók a projekt során. Miután a TEKER főbb elemei (hőkamera, GPS, képfeldolgozási szoftver, repülőgép) önállóan más célokra továbbra is használhatók két légi felmérés közötti időszakban. A rendszer nagy előnye a mobilizálhatóság és a hatékony kihasználás lehetősége. Létezik olyan helikopterre szerelhető hőkamera-rendszer (Flir terméke), amely hasonló technikai megoldásokkal rendelkezik, de beépítése fix, s így két repülés között rendszerelemei önállóan, más célokra nem használhatók. Nem mellékes, hogy ennek beszerzése 30-40 millió forint lenne. A projekt munkaterve A digitális termális felvételek készítésének technológiai háttere a jól ismert fizikai összefüggéseken alapul. Projektünkben azt a célt fogalmaztuk meg, hogy olyan termális felvételeket készítsünk, melyek alapadatokat jelentenek a környezeti monitoringban. Ehhez az szükséges, hogy ne egyszerű termális képeket készítsünk, hanem térbeli adatokat hozzunk létre, melyek a képfeldolgozás után a térinformatikai alapú döntéshozási rendszerbe illeszthetők legyenek. Mindezek elérése érdekében egy 3 munkaszakaszból álló projektet terveztünk, melynek végén egy működőképes technológia és szolgáltatás áll majd a potenciális felhasználók rendelkezésére. Az egyik potenciális felhasználóval kötött megállapodás alapján a képkészítő és elemző rendszerünket nemcsak elméletben, hanem a gyakorlatban is kipróbálhatjuk a megállapodásban meghatározott mintaterületen. Miután a konzorcium tagjai rendelkeznek a repüléshez szükséges eszközökkel, a kamera-rendszerekkel, valamint a képfeldolgozás elméleti és gyakorlati ismereteivel, a projekttámogatás nem eszközbeszerzésre, hanem kizárólag a technológia kidolgozását, az innováció megvalósítását szolgálja. A projekt munkatervében megfogalmazott 3 munkaszakasz belső felépítése követi a digitális képkészítésre alapuló programok általános struktúráját. I. Munkaszakasz - Előkészítés fázisa - kezdete, vége: 2000.10.15.-2001.01.15. Miután a projektben a technológia és a szolgáltatás kifejlesztése egyidőben megvalósul, az I. munkaszakaszban, az Előkészítés fázisában nemcsak a repülésekhez szükséges optimális repülési útvonalakat tervezzük meg, hanem a korábbi analóg vagy digitális adatokra támaszkodva előzetes állapotfelmérést is készítünk. Az antropogén tájváltozást légifelvételek alapján elemezzük az 1 sz. konzorciumi tag (tudásközpont) térinformatikai laboratóriumában, 4
felhasználva a későbbi felhasználó által biztosított adatokat. Az állapotfelérésben felhasználjuk a Magyarország légifelmérése programban készült légifelvételeket. A légifelvételezéshez készülő digitális ortofotó előzetes adatai alapján kb. 15-20 légifelvétel elegendő lesz a teljes mintaterület lefedéséhez. E munkaszakasz mérföldkövei a több időpontra vonatkozó légifotótérképek, az ezek alapján készített állapotfelmérések (antropogén hatások térképe, környezeti káresemények térképe), valamint a digitális vezetékhálózat-térkép és az optimális útvonaltérkép a vezetékhálózati térkép alapján Az I. munkaszakaszban a fenti munkálatokkal párhuzamosan elkezdjük a kiválasztott mintaterületeken a terepi méréseket. Ez a termális légifelvételek földi adatokon alapuló kalibrációját segíti, s egyben lehetőséget ad a hőáramlás modellezésére, a szimulációs programok ellenőrzésére, különös tekintettel a pontszerű források okozta (hő)szennyezések vizsgálatára. Ez a méréssor a II. és a III. munkaszakaszban is folytatódik. A mérésekhez kifejlesztünk egy olyan rendszert, melyben a talajban elhelyezett digitális hőmérők, vezetékeken keresztül, folyamatosan rögzíthető adatokat továbbítanak a központi tárolóegység felé. Erről az egységről (adatgyűjtő-databox) időszakosan letölthetők az adatok, s inputként betápláljuk azokat a modellező programunkba. Így elemezni tudjuk a lineáris hőforrások környezetükre gyakorolt hatását térben és időben egyaránt. A teljes projekten át tartó (s remélhetőleg utána is folytatódó) méréssorozat részeredményei - 3D-s hőtérképek és áramlásmodellek - a projekt mérföldkövei. Az alacsony költségigényű mérőhálózat kiépítésében az I. konzorciumi tagnak már vannak tapasztalatai. A talajban elhelyezett mérőszondákra és adatgyűjtő egységekre vonatkozóan kidolgozott technológiával és több éves adatsorral rendelkezik. Szintén az I. munkaszakaszban történik a helymeghatározó és navigációs eszközök, valamint a képkészítő rendszerek összehangolása. Ez a munkafolyamat tekinthető a program legfontosabb innovációs elemének. Ebben szakaszban, mindhárom konzorciumi tag együttműködésével, informatikai és műszaki fejlesztésekkel megteremtjük a repülési, a képi és a térbeli információk kapcsolatát a térinformatikai feldolgozhatóság érdekében. Célja, hogy a, a repülés során egyidejűleg rögzítsünk digitális és analóg képi (termális és optikai sávú) információkat az előre kijelölt célobjektumokra vonatkozóan, b, a repülőgép törzsére helyezett berendezéseket a repülőgép belsejéből vezérelni tudjuk c, a képi információkat valós időben megjeleníteni és elemezni lehessen. Ezen célok elérése érdekében megtervezzük a képkészítő rendszerek rögzítésére alkalmas eszközt és ennek kivitelezésére ebben a munkaszakaszban sor kerül. Összehangoljuk a hőkamera és a térbeli adatokat szolgáltató GPS működését egy fedélzeti számítógépen keresztül, melyen rögzítjük is az adatokat. A GPS adatokat a digitális légifototérképen megjelenítjük ezzel segítjük a navigációt, ugyanakkor hőkamera képi adatait is megjelenítjük a fedélzeten. A technológia kifejlesztésén túl fontos feladat a repülő személyzet betanítása a műszerek kezelésére és alkalmazására. Ezen kívül, a terepi hőmérsékletmérések és a ráépülő modellkísérletek képi információi alapján a repülő személyzet betanítható a szennyezések felismerésére a termális képek segítségével. Miután az ERMI-2000 Bt. folyamatos repüléseket végez a mintaterület fölött egy szerződés alapján a projektben kidolgozott technológia és szolgáltatás potenciális felhasználója számára, így az esetleges szennyezések bekövetkeztéről gyorsan értesülni tudunk és egy azonnali újrafelszállással el tudjuk készíteni az aktuális állapotot bemutató hőfelvételt, mely összehasonlítható lesz a területről korábban készített felvételekkel. Az azonnali felszálláshoz egy riasztási tervet dolgozunk ki, hiszen a hőkamera az A.A. Stádium Kft. tulajdona, munkavégző eszköze, így az, előre nem tervezhető időpontokban, nem áll közvetlen rendelkezésre. A (repülőről történő) riasztás után a kamera és a szükséges berendezések a repülőtérre szállíthatók és a repülőgép leszállása után a repülőgépre szerelhetők. 5
Mucsi László A TERMÁLIS KÉPKÉSZÍTŐ ÉS ELEMZŐ RENDSZER A szennyezés vizsgálata és felszámolása nem a konzorcium feladata, de terepi mérések támogathatják a technológia és a szolgáltatás hatékonyságának növelését. Ezért a káresemény bekövetkezése és helyének meghatározása után, az SZTE Természeti Földrajzi Tanszék mozgó terepi laborját és annak kezelőjét is riasztjuk a gyors terepi mérések (hőmérsékletmérés, talajmintagyűjtés, esetleg reflektancia vizsgálatok) elvégzése érdekében. A káresemény észlelésével egyidőben értesíteni kell a vezetékhálózatot üzemeltető társaságot, melynek az azonnali kárelhárítás a kötelezettsége, így méréseinkkel nem késleltethetjük és nem akadályozhatjuk a kárelhárítást. II. Munkaszakasz - Képkészítés és feldolgozás kísérleti fázis 2001.01.15-2002.01.15. A II. munkaszakaszban a kiépített termális képkészítő rendszer műszaki kipróbálása fog lezajlani a lehető legváltozatosabb körülmények között. A hosszú időtartamot indokolja, hogy szeretnénk a képkészítő rendszerünket az egy év alatt előforduló legváltozatosabb felszínborítottság mellett tesztelni. A tervezett 30 repülés kivitelezhető, másfél hetenként felvételezéseket folytathatunk a mintaterület fölött. Az első 2 hónapban a képkészítő rendszer technikai ellenőrzése fog megtörténni. A téli sikeres repülések a mérések belső ellenőrzést jelenthetik. A digitális (termális és optikai) képek előfeldolgozása, a geokorrekció, lehetőség szerint az ortokorrekció a repülések utáni napon megkezdődnek. A képkészítő rendszerek leszerelése, a munkahelyekre történő visszajuttatása, valamint a digitális adatok továbbítása a képfeldolgozó laboratóriumba pontos logisztikai előkészítést igényelnek. Ebben a munkaszakaszban tervezünk analóg képek készítését is, elsősorban a digitális termális képek és az analóg légifelvételek közötti különbségek feltárása miatt. Ezek a felvételek előfeldolgozásra és geokorrekcióra kerülnek és tároljuk a képi adatbázisban. A II. munkaszakasz fontos részfeladata a képfeldolgozási módszerekkel történő szennyezés-felismerés módszerének kidolgozása. Ehhez elsősorban vizuális kiértékelési módszereket dolgozunk ki a szimulációs modellkísérletek eredményeire alapozva, de kísérletet teszünk automatikus szennyezés-felismerés kidolgozására is informatikai alapon. Itt bevonunk a munkába olyan külső szakértőket, akik az orvosi képfeldolgozásban szereztek tapasztalatokat. Szennyezés detektálása után gyors terepi méréseket végzünk (hőmérsékletmérés a terepen) a vezetéklyukadás helyszínén, talajmintavétellel, a talajok laboratóriumi elemzésével, lehetőség szerint vizsgálva a reflektancia-tulajdonságokban bekövetkezett változásokat. Ez utóbbival szeretnénk felkészülni egy későbbi, a hiperspektrális képkészítés módszereit alkalmazó kutatási programra. A terepi méréseket összehasonlítjuk az I. munkaszakasz modellkísérleteinek eredményeivel, s ezáltal javítani tudjuk a szennyezés-modellünket. III. Munkaszakasz - Rendszerelemző fázis: 2002.01.15. - 2002.04.15. A III. munkaszakasz az 1 éves repülés és képfeldolgozási kísérleti szakasz eredményeinek az összegzésére szolgál. Ekkor valósítjuk meg a működőképes térinformatikai alapú döntés-előkészítő rendszer termék vagy szolgáltatás szintű specifikációit, elkészítjük a Rendszertechnikai műszerleírás -t, Kezelési segédlet -et, valamint külső megbízást adunk egy piacfelmérésre melynek eredményeként elkészítjük a Termék hasznosíthatósági tanulmány -t. 6
A projekt az IKTA-3 KÉPI-2000 program keretében kerül megvalósításra 2000. október 15 és 2002. április 15. között. A projekt eredményeiről beszámolunk a www.geo.uszeged/agil/kepi2000/ honlapon. Irodalom L. Mucsi - G. Mezõsi - Sz. Varga Environmental monitoring of oil pipeline network using thermal spectroscopy and GIS methods - 3 rd AGILE Conference 2000. Helsinki, pp.136. L. Mucsi Characterisation of oil-industrial contamination using aerial and thermal images - EARSeL Symposium, Drezda in: A Dacade of Trans-European Remote Sensing Cooperation, (ed: Buchroithner) 2001. Balkema, Rotterdam pp. 373-377. ISBN 90 5809 187 2 L. Mucsi - J. Szatmári - Z. Jóri - Sz. Varga: Investigation of near-well soil disposals by gis and rs methods using airphotos and field spectroradiometer - International Congress on Petroleum Contaminated Soils, Sediments and Water, 2001, Imperial College of Science, Technology and Medicine in London, UK. 7