Παν. Αιγαίου: Πρώτη επιτυχημένη μελέτη ανίχνευσης πλαστικών στη θαλάσσια επιφάνεια με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων

Μια πρωτοποριακή τεχνική για την ανίχνευση πλαστικών που επιπλέουν στην επιφάνεια της θάλασσας δημοσιεύτηκε αυτήν την εβδομάδα στο Scientific Reports, του εκδοτικού οίκου Nature, με επικεφαλείς επιστήμονες από το Plymouth Marine Laboratory σε συνεργασία με το Τμήμα Ωκεανογραφίας και Θαλασσίων Βιοεπιστημών του Πανεπιστημίου Αιγαίου.

Για την ανάπτυξη της νέας τεχνικής, επιστήμονες που ασχολούνται με την παρατήρηση της θάλασσας ανέλυσαν εικόνες από τον δορυφόρο Sentinel-2 του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) και απέδειξαν για πρώτη φορά ότι συσσωρευμένα πλαστικά που επιπλέουν στα παράκτια ύδατα μπορούν να ανιχνευθούν από δορυφόρους. Με τη χρήση αυτής της μεθόδου συσσωρεύσεις πλαστικών διαχωρίστηκαν από άλλα υλικά, όπως ξύλα, φύκια και αφρό θάλασσας με μέση ακρίβεια διαχωρισμού 86% σε τέσσερις περιοχές μελέτης.

Η ομάδα μελέτης χρησιμοποίησε υψηλής ανάλυσης πολυφασματικά δεδομένα  παράκτιων περιοχών για την παραγωγή ενός αλγορίθμου-δείκτη που εντοπίζει πλεούμενα υλικά (Floating Debris Index–FDI) προσαρμοσμένο στον δέκτη παρατήρησης του δορυφόρου Sentinel-2. Σε επόμενο βήμα διαχωρίστηκαν τα πλαστικά από τα υπόλοιπα επιπλέοντα υλικά. Για τον διαχωρισμό χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το καινοτόμο πείραμα εντοπισμού και ποσοτικοποίησης πλαστικών απορριμμάτων στην επιφάνεια της θάλασσας με τίτλο «Plastic  Litter Project (PLP) της Ομάδας Θαλάσσιας Τηλεπισκόπησης,  του Τμήματος Ωκεανογραφίας και Θαλάσσιων Βιοεπιστημών του Πανεπιστημίου Αιγαίου (https://mrsg.aegean.gr). Στόχος των πειραμάτων ήταν ο εντοπισμός, από απόσταση, συσσωρευμένων πλαστικών απορριμμάτων στην επιφάνεια της θάλασσας, η οποία θα επιτρέψει τη στοχευμένη απομάκρυνσή τους.

Με τη χρήση των δεδομένων του πειράματος, η επιστημονική ομάδα ήταν σε θέση να γνωρίζει πως «φαίνονται» τα πλαστικά μέσα από τον δείκτη πλαστικών και έτσι να δημιουργήσει μια «φασματική υπογραφή» που να είναι χαρακτηριστική για τα θαλάσσια πλαστικά. Τα δεδομένα συμπληρώθηκαν με επικυρωμένες περιπτώσεις θαλάσσιων πλαστικών που εντοπίστηκαν μετά από σοβαρές πλημμύρες στο Ντάρμπαν της Νότιας Αφρικής. Μόλις δημιουργήθηκε «φασματική υπογραφή» για τα πλαστικά, επαναλήφθηκε η διαδικασία για τα υπόλοιπα επιπλέοντα φυσικά υλικά, όπως ξύλα, φύκη, και αφρό θάλασσας, τα οποία είναι πιθανό να αναμιχθούν κατά τον διαχωρισμό με τα πλαστικά.

Με την ολοκλήρωση της ανάπτυξης και επιβεβαίωσης του αλγορίθμου, η ομάδα αναζήτησε περιπτώσεις πλαστικής ρύπανσης που θα μπορούσε να εφαρμοστεί ο αλγόριθμος, μέσα από επιστημονικές δημοσιεύσεις και διαδικτυακές αναρτήσεις. Εντοπίστηκαν τέσσερις περιοχές ενδιαφέροντος με σημαντικές συσσωρεύσεις πλαστικών, δύο σε ανεπτυγμένες χώρες - Καναδάς (Νησιά Σαν Χουάν) και Σκωτία - και δύο σε αναπτυσσόμενες χώρες - Γκάνα (Άκρα) και Βιετνάμ (Ντα Νανγκ).

Χειροκίνητα επιλέχθηκαν εικονοστοιχεία ύποπτα ότι περιέχουν μεγάλη συγκέντρωση πλαστικών χρησιμοποιώντας τη φασματική υπογραφή, τον δείκτη FDI και έναν δείκτη βλάστησης (NDVI). Στη συνέχεια, μέσω μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας, τα επιπλέοντα υλικά διαχωρίστηκαν χρησιμοποιώντας έναν ταξινομητή

πιθανοτήτων. Αυτός ο ταξινομητής (Naïve Bayes – Bayesian) υπολογίζει την πιθανότητα ενός εικονοστοιχείου να ανήκει στις κατηγορίες υλικών με τα οποία έχει εκπαιδευτεί͘, δηλαδή πλαστικά, θαλασσινό νερό, ξύλα, φύκη και αφρό θάλασσας.

Από  τις τέσσερις περιοχές μελέτης τα πλαστικά διαχωρίστηκαν επιτυχώς με συνολική ακρίβεια 86% (Νησιά Σαν Χουάν 100%, Άκρα 87%, Σκωτία 83% και Ντα Νανγκ 77%). Η ακρίβεια με το μικρότερο ποσοστό διαχωρισμού προέκυψε από τα εικονοστοιχεία που δεν ήταν πλήρως καλημέρα με πλαστικά, με αποτέλεσμα ένα μικρό ποσοστό εικονοστοιχείων να ταξινομηθεί ως αφρός θάλασσας.

Η ομάδα θα συνεχίσει να βελτιώνει την τεχνική για να αυξήσει περαιτέρω την ακρίβεια της ανίχνευσης και διαχωρισμού συσσωρευμένων πλαστικών στην ανοιχτή θάλασσα και σε θολά παράκτια νερά ή μεγάλα ποτάμια συστήματα.

Ο Επίκουρος Καθηγητής του Πανεπιστημίου Αιγαίου Κώστας Τοπουζέλης, ο οποίος ηγείται της Ομάδας Θαλάσσιας Τηλεπισκόπησης και συμμετείχε στη μελέτη, σχολίασε: «Τα θαλάσσια πλαστικά αναγνωρίζονται ως ένα παγκόσμιο πρόβλημα. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε ευελπιστούμε να αποτελέσει έναν ακρογωνιαίο λίθο για τον εντοπισμό τους μέσω δορυφόρων αλλά και μέσω drone. Ωστόσο, σημαντική πρόοδος θα είναι η μείωση της χρήσης πλαστικών σε παγκόσμιο επίπεδο».

Σχετική δημοσίευση: Biermann, L., Clewley, D., Martinez-Vicente, V. et al. Finding Plastic Patches in Coastal Waters using Optical Satellite Data. Sci Rep 10, 5364 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-62298-z