Un Sistema Aerotransportado para la Detección y el Control de Manchas de Petróleo

Este artículo describe los resultados de RAPSODI (Remote-sensing Anti-Pollution System for geOgraphic Data Integration), un proyecto de investigación en curso que se centra en el desarrollo de un nuevo sistema anti-polución aerotransportado. Los objetivos del sistema son la detección y monitorización de la contaminación marítima, tanto accidental como voluntaria, y el soporte a las operaciones de limpieza. El proyecto RAPSODI pertenece al Quinto Programa Marco de la Comunidad Europea e incluye la participación de dos grupos franceses, uno español y uno italiano. Este escrito describe los principales pasos del proyecto, y presenta los resultados más significativos que han sido alcanzados hasta la fecha: la realización de una campaña de experimentación a tamaño real, el proceso de datos SAR y la extracción automática de los contornos de manchas de petróleo a partir de imágenes SAR. La campaña experimental incluyó la provocación de manchas de petróleo en el Océano Atlántico y la adquisición de datos in situ.


1. Introducción

La contaminación relacionada con el transporte marítimo representa una gran preocupación. Hay que prestar especial atención a los vertidos, tanto los de petróleo como los de otras cargas peligrosas, que pueden ser accidentales (por ejemplo, los debidos al hundimiento o la colisión de petroleros), o bien deliberados (por ejemplo, los debidos a la limpieza de los tanques usados para el transporte de crudo). Un ejemplo emblemático de vertido accidental es la tragedia del Prestige, que desde Noviembre de 2002 está causando un desastre ecológico y económico en Galicia (Figura 1). Los sistemas de teledetección pueden jugar un papel clave en la monitorización de la polución marítima. En este campo los sistemas aerotransportados son los más útiles. En efecto, algunos sistemas espaciales, por ejemplo los sensores SAR (Synthetic Aperture Radar) [1], pueden dar una contribución complementaria aunque diversos aspectos técnicos, como la resolución espacial y temporal o la disponibilidad de datos a tiempo real, limitan su operatividad. Las costas de los principales países europeos están equipadas con sistemas aerotransportados basados en diferentes tipos de sensores: escáneres infrarrojos (IR) y ultravioletas (UV), cámaras visibles y SLAR (Side Looking Airborne Radars). El uso de un sensor únicamente no garantiza una correcta monitorización de la polución. Por ejemplo, el uso de escáneres IR y UV y cámaras visibles depende de las condiciones ambientales, mientras que los sistemas SLAR, que pueden trabajar bajo cualquier condición atmosférica, proporcionan una resolución limitada en la dirección paralela a la trayectoria (along-track). Esto puede causar falsas alarmas, por ejemplo la confusión de la variación local del viento o de una capa de crudo de origen biológico con un vertido de petróleo.

Este artículo describe los resultados de un proyecto en curso, llamado RAPSODI (Remote-sensing Anti-Pollution System for geOgraphic Data Integration), que se centra en el desarrollo de un nuevo sistema de teledetección para controlar la polución, cuyas tareas son la detección y la monitorización de la contaminación marítima, tanto la accidental como la intencionada, y el soporte a las operaciones de limpieza asociadas. Para alcanzar estos objetivos, se ha propuesto un nuevo sistema de multi-sensores aerotransportado controlado a tiempo real. Se ha enfatizado en el desarrollo de un sistema SAR, utilizando un radar en banda X ya existente de Thales Airborne Systems. Debido a que originalmente este radar no era adecuado para la detección y el control de manchas de petróleo, se ha dedicado una parte del proyecto a su especificación y reconfiguración. Las imágenes SAR tienen una resolución destacablemente mejor que las imágenes SLAR y proporcionan una mejor monitorización de las manchas de petróleo para el nuevo sistema. El sensor SAR será usado junto con otros sensores existentes como IR/UV. En la Figura 2 se representa el funcionamiento del sistema RAPSODI.

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Figura 1: Imagen del satélite ENVISAT de las manchas producidas por el accidente del petrolero Prestige en las costas de Galicia (17 de Noviembre de 2002). Envisat Original Data © ESA, 2002, facilitada por Eurimage.

El proyecto RAPSODI pertenece al Programa Tecnologías de la Sociedad de la Información del quinto Programa Marco de la Comunidad Europea. El proyecto es llevado por un consorcio multidisciplinario, que incluye expertos en rádares y sistemas marítimos aerotransportados (Thales Airborne Systems), en sensores remotos de satélites y proceso de imágenes (Joint Research Centre), en proceso de señales radar (Instituto de Geomática) y en polución marítima (CEDRE).

A continuación se describen los principales componentes del proyecto RAPSODI. En primer lugar, la realización de una campaña experimental a tamaño real, diseñada para valorar la implementación del sistema propuesto. La campaña incluyó la provocación de dos escapes de petróleo controlados en el Océano Atlántico. En segundo lugar, el proceso de los datos recogidos durante la campaña, basado en el nuevo procesador SAR adaptado a las necesidades del sistema de RAPSODI. Finalmente, los procesos usados para la detección del contorno de los vertidos de petróleo basados en las imágenes SAR.

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Figura 2: Imagen del sistema de anti-polución RAPSODI.

2. La campaña experimental de RAPSODI

Uno de los principales objetivos del proyecto RAPSODI fue la realización de un experimento a tamaño real, pensado para probar el prototipo del sistema remoto de sensores de anti-polución. En Mayo de 2001, se realizaron dos vertidos voluntarios de crudo en situaciones controladas en el Océano Atlántico. El experimento, organizado por CEDRE, fue llevado bajo la responsabilidad de la Marina Francesa. Las medidas de seguridad tomadas durante la campaña incluyeron tres barcos, dos aviones y un helicóptero. El barco principal tuvo la tarea de coordinar el experimento creando los vertidos de crudo y de rociar dispersante para el tratamiento de la mancha. El barco fue equipado con el sistema de bombeo DACAMA. Un segundo barco tuvo el deber principal de rociar dispersante, mientras que un barco de asistencia fue el encargado de recoger un muestreo de las diferentes capas de agua. Durante la campaña los datos atmosféricos (viento, temperatura y humedad) fueron medidos por una boya MADISONDE de Météo France, mientras que el estado del mar fue medido por una boya WAVERIDER del CETMEF (Centre d’Etude Technique Maritime et Fluvial) francés. El barco principal creó dos vertidos de petróleo, cada uno de 300-400 m de ancho. Los vertidos estaban distanciados de menos de 1 km y fueron marcados con diferentes boyas: dos NORDA y una IESM pertenecientes al SHOM (Service Hydrographique de la Marine) francés. El movimiento de las manchas fue controlado desde el helicóptero y desde un avión. También se usó un modelo de predicción de Mééo France del movimiento de un vertido de crudo. De los muestreos se extrajeron diversos parámetros físico-químicos: viscosidad, densidad, contenido del agua, evaporación, dispersabilidad del crudo, etc.

Durante el experimento, un avión Mystere-20 del Centro de Testeo de Vuelo Francés, que estaba equipado con el radar de banda X de Thales Ocean Master, sobrevoló el área. Además un avión dedicado a la monitorización de la contaminación del petróleo, el POLMAR-2, recogió imágenes SLAR e IR/UV. La estrategia de adquisición de datos SAR se basó en cuatro pases perpendiculares sobre cada mancha de petróleo, como está ilustrado en la Figura 3: cada mancha fue observada desde dos direcciones perpendiculares con el fin de maximizar la extracción de información de los datos [2, 3]. Adicionalmente se adquirieron imágenes de la zona tomadas por el satélite canadiense Radarsat. En la Figura 4 podemos ver un ejemplo. Debido a la limitada extensión de las dos manchas, su reconocimiento en la imagen fue dificultoso, aunque sus contornos se pudieron localizar en la imagen aumentada.

3. Proceso de datos SAR

Los datos SAR recogidos durante el experimento fueron procesados en el Instituto de Geomática con un procesador desarrollado en el marco del proyecto RAPSODI. Este procesador incluye métodos para la compensación del movimiento (motion compensation) basados en los datos de navegación procedentes de un sistema integrado GPS/INS [4], y para la estimación de diversos parámetros basados en los propios datos radar. En particular, el procesador implementa algoritmos para la estimación del centro Doppler [5, 6], la velocidad Doppler [7, 8, 9], etc. Durante la campaña experimental fueron adquiridas 30 imágenes SAR. Cuatro de estas cubrían una área donde había sido instalado un reflector de radar para la calibración de imágenes. Posteriormente las imágenes captadas fueron analizadas en el Joint Research Centre para desarrollar algoritmos apropiados para la detección de los vertidos. En la Figura 5 vemos dos imágenes de la campaña. En la Figura 5b se muestra una imagen de 1.8×3.3 km2 de una mancha de petróleo que cubría aproximadamente 0.4×3 km2. En la figura 5a se muestra una imagen de calibración, que incluye el aeropuerto usado durante la campaña. El ángulo de incidencia (respecto el eje vertical) de las dos imágenes es de unos 80º (es decir, hay una incidencia casi vertical). A pesar del alto ángulo de incidencia, puede apreciarse el vertido de crudo en la Figura 5b. En principio, es preferible un ángulo de incidencia menor para aumentar el contraste de la mancha de petróleo en diferentes estados del mar [10]. De todas maneras, una amplio ángulo de incidencia permite aumentar la banda cubierta en una pasada mientras se mantiene una baja altura de vuelo.

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Figura 3: Estrategia de adquisición de los datos SAR: cuatro pases sobre la mancha de petróleo, que es observada desde diferentes ángulos de vista.

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Figura 4: Imagen del RADARSAT adquirida durante la campaña experimental de RAPSODI. Órbita 28865 descendente, el día 16.05.2001, a las 06:02.

Durante la adquisición de imágenes SAR todos los barcos involucrados en la campaña estuvieron operando en el área de prueba. En la Figura 6 puede verse la imagen de uno de los barcos, que cubre 8.6×1.8 km2. La imagen prueba la efectividad de los algoritmos usados para la focalización SAR. Todas las imágenes adquiridas durante la campaña fueron georeferenciadas usando datos de navegación (GPS/INS). Es importante destacar que la georeferenciación representa un paso clave para la correcta integración de los datos del multisensor y para la coordinación de las operaciones de limpieza de los vertidos. En la Figura 7 vemos un ejemplo de imagen SAR de una de las manchas de crudo georeferenciada y calibrada radiométricamente.

4. Detección de manchas de petróleo

Un objetivo importante del sistema RAPSODI es la detección automática de los vertidos de petróleo y la extracción del contorno de las manchas en las imágenes adquiridas para el sistema. Habitualmente estos vertidos son visibles en imágenes SAR dado que el petróleo reduce las olas marinas, y por lo tanto se reduce el efecto de backscattering y el área donde está el crudo queda más oscurecida que el agua que la rodea [11]. Para el funcionamiento operativo del sistema, dichos vertidos tienen que ser reconocidos de manera automática. En el marco del proyecto RAPSODI la extracción del contorno de las manchas representa una dificultad a causa de las peculiares características de las imágenes SAR, que fueron adquiridas con altos ángulos de incidencia. Los resultados discutidos en este artículo representan una muestra preliminar de la investigación que sigue en curso. Las marcas de los vertidos en las imágenes radar cercanas a los ángulos de incidencia están altamente degradadas por las diferentes estructuras dinámicas y periódicas de la superficie marina, como la alta gravedad de las olas, las crestas del mar, etc.

En la primera parte del proyecto han sido probados varios algoritmos. En la Figura 8 encontramos un par de ejemplos de extracción del contorno de una mancha de petróleo en imágenes SAR. Puede verse que las imágenes obtenidas tras usar en filtro medio clásico (8b y 8f) no son apropiadas para la detección del contorno, mientras que usando un filtro adaptativo, adecuado para imágenes aerotransportadas SAR, obtenemos mejores resultados (8d y 8h). En general, a causa de las características de las imágenes del proyecto RAPSODI, los algoritmos clásicos desarrollados para la detección de manchas de petróleo en imágenes SAR para satélites no resultaron adecuados. En la investigación, se prestó particular atención a la optimización de algoritmos para la detección del contorno en imágenes SAR aerotransportadas. Algunos resultados preliminares prometedores han sido obtenidos usando filtros direccionales y espectrales, que tienen en cuenta la estructura periódica de la superficie marina.

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Figura 5: Imágenes SAR de la campaña de RAPSODI cubriendo el área del aeropuerto (5a) y una mancha de crudo (5b).

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Figura 6: Imagen SAR de un barco de la campaña de RAPSODI.

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Figura 7: Imagen SAR de la campaña de RAPSODI georeferenciada, cubriendo una mancha de petróleo.

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Figura 8: Detección de manchas de petróleo y extracción de su contorno en unas imágenes SAR aerotransportadas de la campaña de RAPSODI del día 15.05.2002, a las13:54, y del día 16.05.2001 a las 13:51. Imagen SAR original (a) y (e); imagen filtrada con un filtro clásico (b) y (f); imagen filtrada con un filtro adaptativo (c) y (g); imagen binaria final obtenida a partir de un umbral aplicado a la imagen anterior (d) y (h).

5. Conclusiones

En este artículo se han discutido los principales resultados del proyecto RAPSODI. Este proyecto está orientado al desarrollo de un nuevo sistema de sensores remotos para la detección y la monitorización de la contaminación marina y el soporte a las operaciones de limpieza. El proyecto pertenece al Quinto Programa Marco de la Comunidad Europea y es llevado por un consorcio multidisciplinar que incluye expertos en sistemas de radar aerotransportados, en sensores remotos de satélites, en proceso de señales radar y en polución marítima.

Uno de los objetivos principales del proyecto ha sido la realización de una campaña a tamaño real, que ha sido llevada a cabo en condiciones completamente controladas. Por sus importantes características (los vertidos de crudo, la medida de datos in situ, la adquisición de datos de teledetección, etc.) la campaña de RAPSODI representa una fuente valiosa de datos experimentales. En este artículo han sido descritas las principales características de la campaña.

Los datos SAR recogidos durante la campaña de RAPSODI han sido tratados con un nuevo procesador SAR adaptado a las necesidades específicas del sistema RAPSODI. Este tratamiento implementa procesos de compensación de movimiento (motion compensation) y estima diversos parámetros del proceso desde los propios datos radar. Todas las imágenes recogidas durante la campaña (30 imágenes SAR) han sido procesadas y georeferenciadas usando datos de navegación (GPS/INS). La georeferenciación representa un paso fundamental para garantizar una correcta integración de los datos del multi-sensor. A pesar de las condiciones geométricas desfavorables de la adquisición de los datos SAR (todas las imágenes fueron adquiridas con un alto ángulo de incidencia) las imágenes parecen ser adecuadas para la detección de los vertidos de crudo.

Una tarea importante del sistema de RAPSODI ha sido la detección automática de las manchas de petróleo y la extracción de sus contornos. Esto representó una gran dificultad ya que los algoritmos clásicos para la detección de petróleo en imágenes SAR espaciales no resultaron adecuados para la detección de las imágenes aerotransportadas del proyecto RAPSODI. Consecuentemente, para garantizar un correcto funcionamiento del sistema, se ha requerido el desarrollo de algoritmos específicos para la extracción automática y fiable del contorno de las manchas en imágenes de sensores aerotransportados.

Fuente:

E. Biescas, M. Crosetto, D. Tarchi, S. Charron, G. Peigne.

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