Információtartalmú elemzések a közlekedéseredetű szennyezőanyagok hatásvizsgálatánál Kozma-Bognár Veronika 1 Szabó Rita 2 Berke József 2 1 ügyvivő szakértő, Pannon Egyetem, Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék, kozma.bognar@gmail.com 2 hallgató, Gábor Dénes Főiskola, Alap- és Műszaki Tudományi Intézet, sz.rita1991@gmail.com 2 főiskolai tanár, Gábor Dénes Főiskola, Alap- és Műszaki Tudományi Intézet, berke64@gmail.com Abstract: In today's modern information technology solutions, solving a number of practical tasks aim, which include at the ground surface digital data are also collected. The advanced technology related to the processing of data provided by modern sensors, however, a significant lag in the development of technical tools. Against this background, it is appropriate that the new methodology with significant technical developments to follow, to get more useful information we can extract from the measured data. The resolution of the aerial images significantly affects the amount of information extracted from them. While some visual information can be obtained from lower-resolution images, while the entropy-based tests of the judgment, an order of magnitude larger than expected field resolution is necessary to capture the relevant information, such as a structure or texture-based investigation. In this paper a time series, analysis of agricultural test sites containing information presented through this. Keywords: heavy metal pollution, remote sensing, image processing, entropy, spectral fractal dimension Bevezetés Jelenleg a távérzékelési módszerek egyre szélesebb körben alkalmazott technológiák a környezetünkről gyűjtött információk megszerzésében. Kiválóan alkalmazzák olyan kutatási területeken, ahol a környzetkárosító jelenségek felderítése, térbeli eloszlása, a hatásterületek meghatározása, a terjedési irányok beazonosítása, és egyéb környzetvizsgálati feladatok elvégzése kulcsfontosságú cél. Bár a nehézfémek toxikus hatásának megítélése sok esetben biológiai akut toxikológiai tesztek alapján történik, számos szakirodalmi példa mutatja, hogy a nehézfém-szennyezés hatásainak távérzékeléssel történő meghatározása is releváns lehet (Csathó, 1994). A környezetszennyezés által okozott stresszhatásokra a növények indikátorként viselkednek. A növényállomány növekedési és fejlődési ütemében bekövetkezett változások távérzékelés útján történő nyomon követésével kiválóan kimutathatóak a közlekés okozta nehézfém-szennyezések hatásai. A Pannon Egyetem Georgikon Karán 2010 óta folynak olyan közlekedés eredetű szennyezéses hatásvizsgálatok, amely elsősorban a korom- és kadmium-szennyezés növényekre gyakorolt hatását elemzik (Kozma-Bognár et al, 2012 Anda és Illés, 2012). A következő években a Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék szabadföldi kísérleteihez kapcsolódóan a távérzékelés kínálta adatgyűjtési technikák alkalmazhatóságának kutatásai is elkezdőd- 257
tek. Ezen kutatások később kiterjedtek különböző módszertani (intenzitás alapú, entrópia alapú, spektrális fraktáldimenzió alapú) elemzésekre is, amelyek a kutatásaink szempontjából a legmegbizhatóbb és legpontosabb adatkiértékelési eljárások alkalmazhatóságát vizsgálták. Anyag és módszer Kutatási helyszín A kutatásaink helyszíne a Keszthelytől 2 km-re fekvő Tanyakereszti Agrometeorológiai Kutatóállomás tesztterülete volt, ahol a kukoricát érintő nehézfém-szennyezéses hatásvizsgálatok folytak. A parcella kísérletek során a gépjármű emisszió negatív környezeti és élettani hatásait okozó vegyi anyagok közül egy rendkívül toxikus hatású nehézfém a kadmium növényállományra gyakorolt stressz hatásai kerültek monitorozásra. A tesztterületen kialakított 10x10 m parcellákon a rövid tenyészidejű SPERLONA (FAO- 340) kukoricahibrid rendszeres heti szennyezést követő környezetállapot felméréseire került sor. A tenyészidőszak során a kadmium szennyezések 10-5 mol/hét koncentrációjú kadmium-nitrát oldat porozóval történő kijuttatásával valósultak meg. A gépjárműforgalom befolyásoló hatásainak szélesebb körű megismeréséhez a kadmium hatását kétféle vízellátás mellett vizsgáltuk. Az öntözetlen kezelések esetében csak a természetes csapadék állt a növényállomány rendelkezésére, az öntözött parcellákon a természetes csapadékon felül is részesült vízellátásban a parcella. Az öntözést csepegtető eljárással hajtottuk végre, 4-6 mm/óra intenzitással, az időjárás függvényében. Alkalmazott eszközök A keszthelyi mintaterület kis területi kiterjedéséből (0,52 ha) adódóan, a parcella szintű kiértékeléshez nagy térbeli felbontású légifelvételek alkalmazását tette szükségessé. A mintaterületünkön végzett multispektrális légifelvételezések esetében jelentősen túlhaladtuk az 1 méter alatti geometriai felbontást (VIS és NIR esetén 10 cm 2 /pixel). Az alkalmazott digitális érzékelők (CANON 30D és 30DIR) által szolgáltatott adatsorok a látható (VIS: 0,4-0,7 µm) tartományban valamint a közeli infravörös tartományban (NIR: 0,7-1,15 µm) készített felvételeket foglalták magukba. A közeli infravörös tartomány alkalmazását az indokolta, hogy a vizsgalati objektumaink elsősorban a szennyezőanyagokra reagáló növények voltak. A növények reflektanciája pedig ebben a spektrumszakaszban éri el a 40-50 %-os értéket (1. ábra). 258
Az entrópia 1. ábra A NIR tartományú légifelvétel a mintarületről (2012.06.21.) Az entrópia napjainkban használt információelméleti fogalmát 1948- ban Claude E. Shannon (Shannon, 1948:27-28) vezette be, majd gyakorlati példán keresztül szemléltette (Shannon, 1951), melyet Neumann János javaslatára nevezett el entrópia függvénynek. Ezek szerint az üzenetek átlagos információ tartalma (független üzenetek esetén) entrópiája, az alábbiak szerint határozható meg: ( ) ahol H - az információelméleti entrópia p i - az i-edik üzenet előfordulási valószínűsége (1) Az entrópia matematikai értelemben vett általános definícióját Rényi Alfréd adta 1961-ben (Rényi, 1961), amely szerint ( ) ( ) ahol (2) 259
Az entrópia gyakorlati esetekben történő számítása során célszerű figyelembe venni még az alábbiakat: 1. Egy zárt rendszer információelméleti (1) szerinti entrópiája az alábbi értékeket veheti fel: ahol n a lehetséges üzenetek száma. 2. A (1) entrópia akkor a legkisebb (H min =0), ha a forrás mindig ugyanazt az üzenetet küldi. 3. A (1) entrópia akkor veszi fel a legnagyobb értéket H max =log 2 n, ha az összes üzenet valószínűsége egyenlő ( ). Spektrális fraktáldimenzió Az SFD egy, az általános fraktáldimenzióból (Mandelbrot, 1983) származtatott szerkezetvizsgálati eljárás, amely a fraktálok egy újszerű alkalmazását jelenti. Az SFD (Berke, 2006, Berke, 2007) a térbeli szerkezeten kívül a spektrális sávok színszerkezetének mérésére is alkalmas, és elegendő információt nyújt a színek, árnyalatok fraktál tulajdonságaira vonatkozóan is. Az SFD értékek számításához (két vagy több képsáv esetén) a spektrális fraktáldimenzió (3) szerinti definíciója alkalmazható a mért adatokra, mint függvényre (értékes spektrális dobozok száma az összes spektrális doboz függvényében) egyszerű matematikai átlagolással számítva az alábbiak szerint (Berke, 2007): S 1 log( ) BM j n j 1 log( BTj) SFDmérhető S 1 (3) ahol n a képrétegek vagy képcsatornák száma S a spektrális felbontás bitben BM j - értékes képpontot tartalmazó spektrális dobozok száma j-bit esetén BT j összes lehetséges spektrális dobozok száma j-bit esetén A lehetséges spektrális dobozok száma j-bit esetén az alábbiak szerint számítható: S n BT j (2 ) (4) Mivel az (3) összefüggés metrika (Berke, 2007), a kiértékelések során mind hiper- mind multispektrális felvételek esetén mérésekre egzaktul használható. 260
SFD értékek Entrópia értékek Paraméterek Eredmények A multispektrális felvételekből valamint a jellemző referencia adatokból indultunk ki, amikor a különböző növényállományok entrópia alapú és SFD alapú méréseit kezdtük vizsgálni. A kiértékelés alkalmával a vizsgált növényállományokat tartalmazó felvételek kimaszkolt területei kerültek elemzésre és csak ezekre vonatkozóan mértünk entrópia illetve SFD értékeket a közeli infravörös tartományban. A kapott eredményeket összesítve megállapíthatóvá vált, hogy mely eljárás eredménye tükrözi leginkább a kadmium növényekre gyakorolt hatását, tehát mely paraméter alkalmazásával különíthetőek el leginkább egymástól a szennyezetlen illetve a nehézfémmel szennyezett parcellák. A 1. táblázatban található értékek alapján egyérteműen megállapítható, hogy a közeli infravörös tartományú felvételek elemzése során a kadmiummal szennyezett és a kontroll állományok tenyészidőszak alatt felvett entrópia értékei teljesen megegyezenek, a tenyészidőszak ideje alatt párhuzamos lefutásúak. Ennek megfelelően a számított átlag entrópia értékeik is egyforma eredményt mutatott: 13,2877. Az entrópia mérésekkel szemben a nehézfém szennyezés befolyásoló hatása az SFD értékekben megfigyelhető. A kadmiummal szennyezett állományok és a kontroll állományok értékeiben az egyes fenológiai fázisoknál eltérés figyelhető meg, így könnyen elkülöníthetőek a kezelt és a kezeletlen parcellák. Az SFD értékek a kukorica növény fejlődésével összhangban növekvő tendenciát mutat. A tenyészidőszak végén készített légifelvételezés (2012. szeptember 7.) során a növényállomány már a teljesérés szakaszában volt, amely az SFD értékek - viaszéréshez viszonyított - csökkenésében mutatkozott meg. 1. táblázat A közeli infravörös (NIR) tartományban mért entrópia és SFD értékek az öntözés nélküli területeken Kezelések Légifelvételezési időpont 2012. évben Április 2. Május 29. Június 10. Június 21. Július 23. Augusztus 14. Szeptember 7. Kadmium Kontroll Kadmium 13.2877 13.2877 13.1394 13.1397 13.2877 13.2877 13.2877 13.2877 13.2877 13.1396 13.1397 13.2876 13.2877 13.2877 1.0505 1.1623 1.2467 1.2443 1.2783 1.3918 1.3556 Kontroll 1.0648 1.1705 1.2545 1.2339 1.2618 1.3802 1.3693 261
Az elvégzett további elemzéseink alapján elmondható, hogy a NIR tartományban az össz-sfd érték a teljes felvételezési időszakra vonatkozóan a kadmiummal szennyezett öntözés nélküli állományokban 8,7294, míg az öntözött állományok esetében alacsonyabb értéket vett fel (8,6159). Ennek megfelelően az átlagok is eltérőek voltak: a szennyezett öntözés nélküli parcellák 1,2471, az öntözött parcellák 1,2308 átlagértékeket mutattak. Ezzel szemben az entrópia alapú mérések során az össz-entrópiát tekintve az értékek szinte változatlannak tekinthetőek (szennyezett és öntözés nélküli állomány: 79,4299, a szennyezett és öntözött állomány: 79,4300), az átlagértékek vizsgálatában pedig teljesen megegyeztek: 13,2383. 2. ábra A NIR tartományú légifelvétel kadmiummal szennyezett öntözetlen és öntözött parcelláinak SFD értékei Megvizsgáltuk, hogy a látható és közeli infravörös spektrális tartományokban készült felvételek közül, azonos érzékelő típus mellett mely tartományokban készült felvételek átlagos információtartalma (entrópiája) magasabb. A kapott eredmények alapján egyértelműen megállapítható, hogy a vegetációs időszak második felében az átlagos információtartalom a közeli infravörös tartományban készült felvételek esetén magasabb még akkor is, ha a detektor a látható tartományra került optimalizálásra (3. ábra). 262
3. ábra Az átlagos információtartalom változása a vegetációs időszakon belül készült légifelvételek alapján 2012-ben Jelenleg folyik annak vizsgálata, hogy egyes repülési paraméterek valamint a detektorok geometriai felbontásának változása milyen mértékben van hatással az átlagos információtartalomra. Az öntözés hatására az SFD értékek a tenyészidőszak elején és végén kiegyenlítettebbé váltak, míg a jelentősebb eltérések a tenyészidőszakot tekintve június-augusztus hónapokban mutatkoztak (2. ábra). Következtetések A vegetációs időszak második felében készült felvételek alapján egyértelműen megállapítható, hogy kukorica esetén az átlagos információtartalom (1) a közeli infravörös tartományban készült felvételek esetén adja a legnagyobb értéket függetlenül attól, hogy a detektor a látható tartományra került optimalizálásra vagy a növényt milyen kezelésnek tettük ki. Az információtartalmú elemzés ugyanakkor nem mutatott különbséget az egyes kezelések között egyik spektrális tartományban sem. Ezek kimutatására a spektrális fraktálszerkezet (3) alapú elemzés adott szignifikáns eredményeket. Köszönetnyilvánítás TÁMOP 4.2.4.A/1-11-1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program című kiemelt projekt keretei között valósult meg. 263
Jelen cikk részben a TÁMOP 4.2.2/B-10/1-2010-0025 projekt keretében készült. A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Irodalomjegyzék ANDA, A. ILLES, B. (2012): Impact of simulated airborne soot on maize growth and development. J Environ Prot Vol. 3. 8: 773-781. BERKE, J. (2006): Measuring of Spectral Fractal Dimension, Advances in Systems Computing Sciences and Software Engineering, Springer-Verlag pp. 397-402., ISBN 10 1-4020-5262-6. BERKE, J. (2007): Measuring of Spectral Fractal Dimension, Journal of New Mathematics and Natural Computation, vol. 3/3, pp. 409 418. DOI: 10.1142/S1793005707000872. CSATHÓ, P. (1994): A környezet nehézfém szennyezettsége és az agrártermelés. MTA TAKI. Akaprint. Budapest. 176. KOZMA-BOGNÁR, V. BERKE, J. MARTIN, G. (2012): Application possibilities of aerial and terrain data evaluation in particulate pollution effects, European Geosciences Union General Assembly, EGU2012-3063, 22-27 April, 2012, Wien. MANDELBROT, B.B. (1983): The fractal geometry of nature. W.H. Freeman and Company, New York. RÉNYI, A. (1961): Onmeasures of information and entropy, Proceedings of the 4th Berkeley Symposiumon Mathematics, Statistics and Probability, 1960:547 561. SHANNON, C. E. (1948): A Mathematical Theory of Communication, The Bell System Technical Journal, 27:379 423. SHANNON, C. E. (1948): A Mathematical Theory of Communication, The Bell System Technical Journal, 28:623 656. SHANNON, C. E. (1951): Prediction and entropy of printed English, The Bell System Technical Journal, 30:50 64. 264
AZ ELMÉLET ÉS A GYAKORLAT TALÁLKOZÁSA A TÉRINFORMATIKÁBAN IV.
Szerkesztette: Dr. Lóki József Technikai szerkesztő: Dr. Sámi László (Swamini BT.) ISBN: 978-963-318-334-2 Lektorálták: Dr. Csorba Péter, Kákonyi Gábor, Dr. Kerényi Attila, Dr. Kozma Gábor, Pajna Sándor, Dr. Pázmányi Sándor, Dr. Szabó József (DE), Dr. Szabó József (MTA TAKI), Dr. Szabó Szilárd, Dr. Szabó György(BME), Dr. Szabó György(DE), Dr. Tóth Csaba A kötet a 2013. május 23 24 között Debrecenben megrendezett térinformatikai konferencia és szakkiállítás előadásait tartalmazza. A közlemények tartalmáért a szerzők felelősek. A konferenciát szervezte: A Debreceni Egyetem Földtudományi Intézete, az MTA Földrajzi Tudományos Bizottság Geoinformatikai Albizottsága, az MTA DAB Környezettudományi Bizottsága, a HUNAGI és az eközig Zrt. Debreceni Egyetemi Kiadó Debrecen University Press Készzült Kapitális Nyomdaipari Kft. Felelős vezető: ifj. Kapusi József Debrecen 2013