Εφαρμογή μεθόδων ταξινόμησης σε οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων από δεδομένα Lidar στη Θεσσαλονίκη
Creators: name: Μιχαηλίδης, Κωνσταντίνος Ελευθερίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Ταξινόμηση αιωρούμενων σωματιδίων
Απόσταση Mahalanobis
Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα
Aerosol Classification methods
Mahalanobis Distance
Artificial Neural Network

description: Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται η εφαρμογή και η σύγκριση δύο διαφορετικών μεθόδων ταξινόμησης σε οπτικές ιδιότητες αιωρούμενων σωματιδίων, από δεδομένα μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν με τη διάταξη Raman-Lidar του ΕΦΑ την περίοδο 2012-2015, στη Θεσσαλονίκη. Η ταξινόμηση των αιωρούμενων σωματιδίων σε κατηγορίες μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των πηγών τους, των επιπτώσεων τους στο κλίμα καθώς επίσης και την βελτίωση σχετικά με την αξιοπιστία των υπαρχόντων δεδομένων. Η τεχνική Lidar έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για την ταξινόμηση των αερολυμάτων με την ικανότητά του να πραγματοποιεί μετρήσεις σε ευρύ φάσμα μηκών κύματος. Οι αυτόματες διαδικασίες για την ταξινόμηση των αερολυμάτων συνδυάζουν τις πληροφορίες που παρέχουν τα συστήματα lidar και βασιζόμενες σε προκαθορισμένες κατηγορίες αερολυμάτων, καθορίζουν τον τύπο αερολύματος. Αρχικά, χρησιμοποιείται μία τεχνική η οποία στηρίζεται στην χρήση τεχνητών νευρωνικών δικτύων (ΝΑΤΑLI) προκειμένου να γίνει η ταξινόμηση και στη συνέχεια εφαρμόζεται μία μέθοδος που χρησιμοποιεί ως ταξινομητή την απόσταση Mahalanobis. Στο πρώτο κεφάλαιο, αναφερόμαστε στα βασικά χαρακτηριστικά των αιωρούμενων σωματιδίων και συγκεκριμένα στις πηγές, το μέγεθος, την σύσταση, τους μηχανισμούς απομάκρυνσής τους από την ατμόσφαιρα, καθώς και την επίδρασή τους στο κλίμα. Στο δεύτερο κεφάλαιο, περιγράφεται η αρχή λειτουργίας ενός συστήματος Lidar και παρουσιάζεται το Raman-Lidar του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας του ΑΠΘ. Παράλληλα, πριγράφεται η διαφορική εξίσωση Lidar και αναλύονται οι μέθοδοι υπολογισμού των κατακόρυφων κατανομών των οπτικών ιδοτήτων των αιωρούμενων σωματιδίων. Στο τέταρτο μέρος, γίνεται αναλυτική περιγραφή της μεθοδολογίας και των αλγορίθμων επεξεργασίας που χρησιμοποιούν το λογισμικό NATALI, που στηρίζεται στην χρήση νευρωνικών δικτύων καθώς και της μεθόδου που χρησιμοποιεί ως ταξινομητή την απόσταση Mahalanobis. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται τα στάδια της επεξεργασίας των δεδομένων lidar, κατά την εφαρμογή του λογισμικού NATALI και της μεθόδου Mahalanobis καθώς επίσης αναλύονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα από την μεταξύ τους σύγκρισης. Στο έκτο κεφάλαιο, χρησιμοποιούμε δύο συγκεκριμένες περιπτώσεις που χαρακτηρίστηκαν επεισόδια μεταφοράς σκόνης και σωματιδίων καπνού, από τις μεθόδους ταξινόμησης, με την συνεργιστική χρήση υπολογιστικών μοντέλων (HYSPLIT, DREAM και MODIS) για την ταυτοποίηση της πηγής προέλευσης. Στο τέλος, παρουσιάζονται τα βασικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διπλωματική εργασία κατά την εφαρμογή και σύγκριση των δύο μεθόδων ταξινόμησης καθώς επίσης και μελλοντικές προοπτικές χρήσης αυτών.
description: In this thesis, two different classification methods are applied and compared in aerosol optical properties, from measurement data produced with the Raman-Lidar system of the LAP in the period 2012-2015, in Thessaloniki. Classification of aerosols into categories can help to understand their sources, their climate impacts as well as improving the reliability of existing data. The Lidar technique has proven to be a very powerful tool for aerosol classification with the ability to perform measurements over a wide range of wavelengths. Automatic procedures for aerosol classification combine the information provided by Lidar systems and based on pre-defined aerosol classes, determine the type of aerosol. Initially, a technique based on the use of artificial neural networks (NATALI) is used to classify and then apply a method that uses Mahalanobis distance as a classifier. In the first chapter, we refer to the basic characteristics of the suspended particles, namely the sources, the size, the composition, the mechanisms of their removal from the atmosphere, and their influence on the climate. In the second chapter, describes the principle of operation of a Lidar system and presents Raman-Lidar of the AUTh Atmospheric Physics Laboratory. In addition, the Lidar differential equation is described and the methods for calculating the vertical distributions of the optical properties of the aerosols are analyzed. The fourth part provides a detailed description of the methodology and processing algorithms using the NATALI software, based on the use of neural networks, and the method used as a classifier for the Mahalanobis distance. In the fifth chapter, we present the steps of processing the lidar data, In the fifth chapter, we present the steps of processing the lidar data, during the implementation of the NATALI software and the Mahalanobis method as well as are analyzed and commenting on the results from their comparison. In the sixth chapter, we use two specific cases characterized by episodes of dust and smoke transfer, from classification methods, with the synergistic use of computational models such as DREAM and HYSPLIT as well as from MODIS satellite data to identify of the source of origin. Finally, we present the main conclusions from the present work, the application and comparison of the two classification methods as well as future prospects for their use.