بررسی ارتباط آلودگی شهرهای صنعتی و تلفات ناشی از بیماری­های تنفسی با استفاده از تصاویر سنجنده MODIS یا سنجش از دور

 

سنجش از دور توانایی شناخت و تعیین بسیاری از پارامتر­های شیمیایی، فیزیکی و بیولوژی در هوا، آب و خاک محیط زندگی بشر را دارا است. در اظهار نظری دیگر می توان بیان داشت که سنجش از دور توانایی شناخت و آشکار سازی نواحی و محیط های مناسب برای بروز و رشد بیماری های همه گیر را دارا است. از تصاویر ماهواره ای استفاده های زیادی در زمینه های اقتصادی و سرویس های اجتماعی می شود، ولی تا کنون از این فناوری فضایی آن طور که بایسته است در زمینه بهداشت و کشف بیماری هایی که سلامت بشر را مورد تهدید قرار می دهند، استفاده نشده است.

این موضوع شاید به این دلیل باشد که نشانه های بیماری در تصاویر ماهواره ای قابلیت بصری ندارد، در حالی که تغییرات در گونه های مختلف محیطی و تغییراتی که بشر در محیط اعمال می کند به راحتی در این تصاویر قابلیت بصری دارند. اما گذشته ازاینکه نشانه های بیماری در تصاویر دیده نمی شود، مسائل دیگری از قبیل جنبه های شیمیایی  و فیزیکی و بیولوژی بیماری ها وجود دارد که موجب محدودیت سنجش از دور در این زمینه می شود. حال که نمی توان مستقیم به اطلاعاتی از بیماری ها در تصاویر ماهواره ای رسید، دسترسی به این اطلاعات از روش های غیر مستقیم میسر خواهدبود.

بعضی از پارامتر های بیماری زا در محیط  مستقیماً قابل اندازه گیری هستند، به عبارت دیگر می توان با اندازه گیری بعضی از پارامتر­ها به اطلاعاتی در مورد نوع و مقدار آلودگی مورد نظر رسید. . فناوری سنجش از دور با در اختیار داشتن سنجنده های نوری، فرابنفش، فرو سرخ، لیزر، و مایکرو ویو قابلیت اندازه گیری و آشکار سازی بسیاری از پارامترهای طبیعی (آب، خاک، هوا و گیاه) را دارا است. از اندازه گیری های مورد استفاده در مسائل بهداشت و سلامت عمومی می توان به اندازه گیری دما و سرعت و جهت باد در لایه های مختلف جو، کشف آلودگی هوا،گازها،  رطوبت،مه آلودگی، خصوصیات اسیدی و قلیایی و بسیاری از موارد دیگر اشاره کرد. قرار داشتن در معرض سطوح بالای آلودگی هوا، با بیماری های ریوی، سرطان ریه و مرگ زود رس ارتباط دارد.

هدف در این مقاله استفاده از فناوری سنجش از دور در تعیین نواحی با خطر بالای بیماری های تنفسی با ایجاد ارتباط بین شاخص های آلودگب استخراج شده از تصاویر ماهواره ای و اطلاعات آماری پزشکی اخذ شده از سازمان های مربوطه است. معمولا آلودگی هایی که در به وجود آمدن بیماری­های تنفسی نقش دارند شامل انواع ذرات معلق شامل گرد و غبار در اندازه های مختلف (PM2.5 و PM10)، و گازهایی همچون  NO2، SO2، CO و ازون است. تماس با ذرات معلق که به دلیل اندازه کوچک‏شان در بینی و قسمت فوقانی دستگاه تنفس ته‌نشین نمی شوند و در سیستم دفاعی طبیعی بدن به دام نمی افتند، می تواند سبب تنگی نفس و علایم مشابه در افراد مبتلا به آسم یا افرادی که سیستم تنفسی حساسی دارند، شود.

هر فرد بالغ به طور متوسط ۲۰۰۰۰ لیتر هوا در طی یک روز تنفس می کند و حق مسلم هر فرد است که در فضای پاکیزه تنفس کند. اما میلیون ها تن گاز و ذرات مضر که هر ساله در اثر احتراق ناقص سوخت های فسیلی وارد هوا می شوند، ‌این حق طبیعی را از افراد سلب می کند. اغلب این آلاینده ها قابل رویت نیستند اما بسیار برای سلامت انسان زیان آور می باشند. لفظ آلودگی هوا وقتی اطلاق می شود که میزان این مواد سمی به بیش از حد قابل قبول برای سلامتی انسان برسد،‌ آلودگی هوا بیشتر در شهرهای بزرگ و صنعتی دیده می شود و نیروگاه ها، کارخانه ها و حتی اجاق های منازل در ایجاد آن نقش به سزایی دارند. مواد متصاعد از اگزوز اتومبیل ها بیش از ۷۵% مواد سمی در هوای آلوده شهرهای بزرگ را تشکیل می دهند.

در این مقاله مجموع آلودگی های مختلف در مناطق مختلف به صورت نسبی توسط شاخص هایی مناسب از تصاویر ماهواره­ای استخراج می شوند. سپس این آلودگی ها به صورت تجمعی بر یکدیگر اضافه شده تا نقاط با آلودگی بیشتر تعیین گردند. پس از آن نقشه تعداد و توزیع محل زندگی (و کار) تلفات ناشی از بیماری های تنفسی در سطح شهر با قید مختصات تهیه گردیده و بر روی تصویر قرار داده می شود. سپس ارتباط بین این دو توزیع مورد بررسی قرار می گیرد.

ممکن است در نتایج این مقاله مناطقی تعیین شوند که در حالت بحرانی از جنبه بیماری های تنفسی قرار گیرند و نیاز است تدبیری برای مقابله با آن اندیشیده شود. در صورتیکه نتایج بدست آمده از استحکام بالایی برخوردار باشد، روند کار برای تهیه نقشه توزیع آلودگی از تصاویر ماهواره ای روان سازی شده به گونه ای که کارشناسان محیط زیست بتوانند براحتی این نقشه ها را از تصاویر ماهواره ای استخراج کنند.

آنچه بدیهی است این مقاله شروعی برای استفاده از تصاویر ماهواره ای در کاربرد­های پزشکی، بهداشت و کمک در کنترل بیماری ها در کلان شهر­های کشور است. البته به طور حتم در این راه با مشکلاتی مواجه خواهیم بود و عدم قطعیت ­های زیادی در این کار دخیل خواهد بود.این مقاله در واقع یک امکان سنجی برای کاربرد­ها و استفاده های جدید سنجش از دور است که مستلزم همکاری ارگان ها و سازمان های دخیل سلامت و بهداشت است. از آنجاییکه موضوع این مقاله ایجاد ارتباط بین آلودگی مستخرج از تصاویر ماهواره ای و بیماری­ های تنفسی است، سازمان های دخیل در این مقاله وزارت بهداشت (سازمان بیماری های غیر واگیر)، سازمان­ پایش آلودگی هوا (ایستگاه آلودگی سنجی) و سازمان هواشناسی خواهد بود.

همانگونه که از متن بالا قابل استنباط است این مقاله شامل دو مرحله است. مرحله اول شامل تعیین آلودگی نسبی مناطق و تعیین آلوده ترین مناطق و همراه با آن تعیین شاخص هایی برای تعیین کیفیت هوا است. شاید این سوال پیش آید که با وجود ایستگاه های آلودگی سنجی چه لزومی به استفاده از تصاویر ماهواره ای است. در جواب این سوال بیان می شود که ایستگاه های آلودگی سنج تنها آلودگی را در یک نقطه نشان می دهد و توانایی بیان کیفیت هوا در سطوح وسیع تر را ندارند. شاید در ناحیه ای آلودگی به مرحله بحرانی برسد ولی در آن ناحیه استگاه آلودگی سنج وجود نداشته باشد. هدف در این مقاله ارائه مدلی است که بتواند کل سطح شهر تهران را پوشش دهد. مرحله دوم نیز ایجاد ارتباط بین توزیع آلودگی استخراج شده و توزیع بیماری های تنفسی است. نتایج این مرحله نیز به نوبه خود در کنترل آلودگی و مدیریت شهری موثر خواهد بود و ممکن است که بعضی از مناطق نیاز به راه حل­های سریع برای برون رفت از شرایط بحرانی داشته باشند.

داده های مورد نیاز

 

• مشاهدات ماهواره ای

   

تصاویر ماهواره ای مورد استفاده در این مقاله تصاویر سنجنده MODIS خواهد بود. MODIS  سنجنده کلیدی نصب شده بر سکوهای Terra و Aqua است. این سنجنده هر یک الی دو روز یکبار، پوشش تصویری از زمین بطور کامل در ۳۶ باند تولید می کند. توسط این سنجنده درک ما از اتفاقات، تغییرات و فرآیند های جهانی بر روی خشکی، اقیانوس و جو افزایش می یابد و در نتیجه MODIS نقش حیاتی در ارائه مدل­های سیستمی کره زمین از لحاظ تغییرات ارائه می نماید. در نتیجه می توان با درک و شناخت به موقع از ایجاد بسیاری از آلاینده ها در جهت نگهداری محیط زیست جلوگیری کرد ((Mobasheri, 2004. پیوستگی و وجود آرشیوی از تصاویر قبلی برای بررسی تغییرات منطقهرای و چرخه بیماری ها بسیار مفید است.

یکی دیگر از مزایای MODIS ارائه اطلاعات در قالب قدرت تفکیک هایی بهتر نسبت به سنجنده های قبلی است همچون AIRS و MOPITT است. این امتیاز به دانشمندان اجازه می­دهد با تمرکز بهتر بر روی مسئله، جواب سئوالات علمی خود را روشن تر در­یابند (Andrew, 2004). باند­های یک و دو MODIS اطلاعات را در قدرت تفکیک ۲۵۰ متر ارائه میردهد که یک قدرت تفکیک فوق العاده مناسب برای پایش تغییرات زیست محیطی است. علاوه بر این، نمایش جزئیات پیوسته ای از دیگر متغیرهای مربوط به اپیدمی و بهداشت عمومی با قدرت تفکیک ۵۰۰ و ۱۰۰۰ متر از باندهای ۳ تا ۳۶ امکان پذیر است.

یک امتیاز بزرگ این سنجنده دسترسی رایگان به آرشیو تصاویر آن است. مزایای سنجنده MODIS نسبت به سایر سنجنده ها: توانایی بررسی روزانه یا یک روز درمیان – میزان و نوع آلاینده های هوا در مقیاس منطقه- دارا بودن تعداد باندهای بیشتر نسبت به سنجنده های مشابه- ( ۳۶) باند کاهش میزان تاثیر جذب گازها بوسیله انتخاب باندهای باریکتر در روزنه جوی-بالاتر بودن ثبات طیفی و دقت کالیبراسیون باندهای این سنجنده -توسعه روش های سنجش از دور بازیابی میزان هواویزها از طریق تصاویر ماهواره

• مشاهدات آلودگی زمینی

   

در حال حاضر در سطح شهر تهران ۲۰ ایستگاه سنجش آلودگی هوا‌ مستقر می باشد. این ایستگاه ها در طول شبانه روز به فاصله زمانی یک ساعت، میزان آلاینده هایی همچون ذرات معلق (PM2.5 و PM10)، و گازهایی همچون NO2، SO2، CO، CO2 و ازون را اندازه می گیرند.

اطلاعات آماری از تلفات بیماری­های تنفسی

 

این اطلاعات که شامل محل زندگی، محل کار متوفیان تنفسی استاز سازمان­ مربوطه (سازمان بیماری های غیر واگیر وزارت بهداشت و درمان) دریافت خواهد شد. این اطلاعات مربوط به بیماران چند سال اخیر شهر تهران است.

• مشاهدات هواشناسی

   

از این مشاهدات در تعیین سیستم های پایدار و وضعیت جوی استفاده می شود. این اطلاعات در سایت هواشناسی کشور مطابق نمونه شکل زیر موجود است.

روش انجام تحقیق

مبنا و اساس این مقاله تعیین غلظت PM10 جو و سپس بر اساس ارتباط توزیع مکانی این آلودگی با سایر آلاینده­ ها، تعیین غلظت مکانی نسبی سایر آلاینده ها است.  بدین معنی که این امکان وجود دارد که ارتباط معنی داری بین PM10  و سایر آلودگی ها وجود داشته باشد چرا که بعضا منابع آلوده کننده ثابت بوده و نسبت آلودگی ها حداقل برای هر ایستگاه کم و بیش ثابت خواهد بود. این می تواند راه کاری برای تولید تصویر انواع آلودگی از تصاویر PM10  باشد.

البته در صورتیکه ارتباط معنی­داری بین آنها وجود نداشته باشد، گازهای موثر بر بیماری های تنفسی به طور جداگانه و از روش های پیشنهاد شده توسط سایر محققان آشکارسازی خواهد شد. در اینجا تا حد امکان سعی در کاهش عدم قطعیت این روش ها خواهد شد. ولی از آنجا که تعیین لحظه ای آلودگی ها مد نظر ما نبوده و تجمیع آنها در مدت زمانی که جو پایدار است مد نظر است، میزان عدم قطعیت کاهش خواهد یافت.

• آماده سازی و پیش پردازش تصاویر

مرحله اول کار آماده سازی تصاویر MODIS است. روند این عمل در روند­نما زیر به نمایش در آمده است.

استخراج آلودگی

پس از آماده­ سازی تصویر، مرحله مدل سازی آغاز می شود. به منظور مدل­سازی باید تصاویر را به سه دسته روز­های با بیشترین (اوج) آلودگی، پاک و روز­های دارای آلودگی غیر اوج تقسیم کرد. برای یافتن روز­های کاملا آلوده از ایستگاه­های آلودگی­سنج به همراه اطلاعات هواشناسی استفاده می­شود. بدین منظور با تحلیل اطلاعات یک دوره زمانی از ایستگاه­های آلودگی­سنج به همراه اطلاعات هواشناسی (سرعت باد و …)، روزی که بیشترین غلظت PM10 را داشته باشد، انتخاب می شود. روز­های پاک هم می توانند شامل روز­های صاف بعد از بارندگی یا تعطیلات نوروز باشد.

یکی از فرضیاتی که در این مقاله مورد اعمال قرار خواهد گرفت اینگونه بیان می شود که در روز آلوده، مقدار آلاینده  PM10 آن قدر بالا است که سطح زمین تاثیری در باز تابندگی ثبت شده در پیکسل نداشته و هر آنچه که توسط سنجنده مشاهده شده باشد مربوط به خود آلاینده می باشد. فرض بعدی نیز این است که تنها آلاینده PM10  در پیکسل در نظر گرفته شود و از اثر طیفی بقیه آلاینده ها و گازهای دیگر موجود، صرف نظر شود.  با این فرض در تحقیقات قبلی به دقت های بالای ۷۵% رسیده اند.  در این مقاله می­توان از قدرت تفکیک  ۲۵۰ و ۵۰۰ متر MODIS استفاده کرد.

قدرت تفکیک  ۲۵۰ متر حاصل از تصویر برداری در باندهای ۱ و ۲ (طول موج های ۶۲۰/۰ تا ۶۷۰/۰ و ۸۴۱/۰ تا ۸۴۱/۰ تا ۸۷۶/۰ میکرومتر بوده و قدرت تفکیک  ۵۰۰ متر حاصل از تصویربرداری در طول موج های ۱۰۵/۲ تا ۱۵۵/۲ است. در قدرت تفکیک ۵۰۰ متر قسمت اعظم بازتابندگی ناشی از آلاینده ها، بوسیله ذرات درشت تر (PM10) ایجاد خواهد شد و ذرات ریز و گاز­ها در انرژی رسیده به سنجنده اثر بسیار کمی دارند. این در حالی است که در قدرت تفکیک ۲۵۰ متر علاوه بر ذرات درشت، ذرات ریز (PM2.5) نیز در بازتابندگی اثر خواهند داشت (Robert,2009).

انتظار می­رود فراوانی حضور  آلاینده­ها در هر ایستگاه با سایر آلاینده­ها هم­خوانی معناداری داشته باشند. پس از برآورد غلظت PM10  می­توان به طور نسبی آلودگی حاصل از سایر آلاینده ها در مناطق مختلف را نسبت به هم مورد ارزیابی قرار داد.اگر پس از برآورد دقت و ارزیابی مدل به نتیجه فوق نرسیدیم و رسیدن به سایر آلاینده ها از راه محاسبه غلظت PM10، راضی کننده نبود، سعی در برآورد سایر آلاینده به طور مستقیم و نسبی خواهد شد.

اگرچه دقت در تعیین این آلاینده ها از تصاویر ماهواره ای خوب نیست ولی آز آنجا که مطلوب ما تعیین محل های آلوده است، می­توان از طریق تجمع تصاویر و تعیین شاخص ها به نقاط با آلودگی نسبی بالا دست یافت. از دیگر مشکلات که امکان مواجه شدن با آن وجود دارد، قابل کشف نبودن و یا بسیار اندک بودن مقدار گاز­ها و یا PM2/5 در تصاویر است. در حل این مشکل همانگونه که ذکر شد از روش تجمیعی استفاده می شود. بدین معنی که مقادیر اندک کشف شده آلاینده را طی یک دوره زمانی جمع کرده و سپس این حاصل مجموع را در مناطق مختلف مورد مقایسه قرار داده و از این راه مناطق آلوده­تر نمایان می شود.

تحلیل ارتباط توزیع مکانی تلفات ناشی از امراض تنفسی با توزیع نسبی آلودگی هوا مرحله آخر این تحقیق مربوط به ارتباط بین توزیع مکانی تلفات ناشی از امراض تنفسی و توزیع نسبی آلودگی هوا است. در این مرحله نقش آلودگی هوا در بوجود آمدن و فراوانی تلفات ناشی از امراض تنفسی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. هر چند عوامل زیادی در ایجاد بیماری های تنفسی نقش دارند (همچون مصرف دخانیات، وضعیت ژنتیکی …) اما یکی از عوامل اصلی آن آلاینده های موجود در جو می باشند. بنابراین قاعدتا باید بتوان به یک ارتباط بین توزیع آلودگی و توزیع این تلفات ناشی از امراض تنفسی رسید.  البته یک لگ زمانی بین میزان آلودگی و میزان مرگ و میر وجود دارد که در زمان تجزیه و تحلیل داده ها به آن توجه خواهد شد.

ارزیابی دقت

به منظور ارزیابی دقت مدل از ایستگاه های سنجش آلودگی استفاده می شود. اولین ارزیابی دقت در مرحله ای که غلظت PM10 برآورد می شود، انجام می شود. در این ارزیابی پس از آن که مدل تعیین شد از مدل در نقاط دیگر که ایستگاه سنجش آلودگی وجود دارد، استفاده می شود و برآورد مدل را با اندازه گیری ایستگاه مورد مقایسه قرار داده و دقت این برآورد بدین صورت محاسبه خواهد شد. یک ارزیابی دقت دیگر نیز در مدل وجود دارد و آن مربوط به برآورد توزیع نسبی آلودگی هوا در سطح­ شهر تهران است. این حالت نیز از ایستگاه های آلودگی سنج استفاده می شود. در مجموع روند این مقاله در روندنمای شکل ذیل ارائه شده است این روند­نما مربوط به حالت اول (روش غیر تجمیعی) است.

 

منبع : سایت آپسیس