Γεωλογική χαρτογράφηση και οπτικοποίηση γραμμικών χαρακτηριστικών: Η μελέτη περίπτωσης της Κένυας
Από RemoteSensing Wiki
Τίτλος Άρθρου: A comparison of Landsat 8 (OLI) and Landsat 7 (ETM+) in mapping geology and visualizing lineaments: A case study of central region Kenya
Συγγραφείς:M. W. Mwaniki a, M. S. Moeller b, and G. Schellmann
Εισαγωγή
Η πρόοδος από τους αισθητήρες Landsat ΕΤΜ + στους OLI, με δύο επιπλέον φασματικά κανάλια και στενότερο εύρος ζώνης καναλιού, αποτελεί ένα πλεονέκτημα για εφαρμογές που απαιτούν κανάλια μικρότερου φασματικού εύρους για την ανάπτυξη φασματικών δεικτών για διάφορες εφαρμογές Landsat δεδομένων: της γεωργίας, της χαρτογράφησης καλύψεων γης, των ακτογραμμών , χιονιού και πάγων, του εδάφους και γεωλογίας. Μια συγκριτική μελέτη των Landsat ETM + και OLI έδειξε ότι κατά τον υπολογισμό των δεικτών βλάστησης, ο δείκτης LSWI (Land surface water Index) και οι κανονικοποιημένες αναλογίες Burn (NBR) είχαν καλύτερες επιδόσεις με εικόνες Landsat 8 από τον ομαλοποιημένο Δείκτης βλάστησης (NDVI) και τον Τροποποιημένο Κανονικοποιημένο Δείκτη νερού (MNDWI). Ωστόσο, δείχθηκε ότι και οι δύο αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αλληλοσυμπληρώνονται. Ο σκοπός αυτής της έρευνας ήταν να συγκριθεί η ικανότητα των Landsats ΕΤΜ + και OLΙ στην γεωλογική χαρτογράφηση και οπτικοποίηση γεωλογικών γραμμικών χαρακτηριστικών με χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης.
Μεθοδολογία
Περιοχή Μελέτης: Η περιοχή μελέτης καλύπτει τις κεντρικές και ανατολικές επαρχίες της Κένυας και κυμαίνεται από το γεωγραφικό μήκος 35 ° 34'00 "E 38 ° 15'00" E και πλάτη 0 ° 53'00 "N 2 ° 10'00 "S (Εικόνα 1). Εντός της περιοχής μελέτης βρίσκονται τα υψίπεδα της Κένυας και το έδαφος ποικίλλει από πολύ απόκρημνο ορεινό ανάγλυφο, με βαθιές κοιλάδες ποταμών και στενές κορυφογραμμές, σε πεδιάδες της σαβάνας με ήπια κλίση και οροπέδια. Το υψόμετρο κυμαίνεται από 450m -5100m πάνω από τη μέση στάθμη της θάλασσας. Ο σχηματισμός του εδάφους οφείλεται, κυρίως, σε έντονη διάβρωση των πετρωμάτων, με τρεις βασικούς τύπους εδάφους: nitosols, andosols και cambisol. Οι κατολισθήσεις που προκαλούνται από τον ταχύ κορεσμό του εδάφους είναι συχνές κατά τη διάρκεια της περιόδου των βροχοπτώσεων, έτσι, οι παράγοντες που επηρεάζουν τις κατολισθήσεις έχουν αποκτήσει όλο και περισσότερη προσοχή από πολλούς ερευνητές.
Περιγραφή δεδομένων και ενίσχυση εικόνων: Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 8, (OLI, έτος 2014) και Landsat 7, (ΕΤΜ +, έτος 2000), χωρίς νεφοκάλυψη από την ιστοσελίδα USGS, στις οποίες έγινε προεπεξεργασία για τη μείωση των επιπτώσεων της ομίχλης. Εφαρμόστηκαν οι ακόλουθες τεχνικές βελτίωσης εικόνας σε κάθε μία από τις εικόνες Landsat: Ανάλυση των Κύριων Συνιστωσών (PCA), Ανάλυση Ανεξάρτητων Συνιστωσών (ICA), λόγοι καναλιών, οι συνδυασμοί καναλιών RGB, IHS μετασχηματισμός συνδυασμών RGB που είχε την υψηλότερη αντίθεση κ.α. Σε γενικές γραμμές οι συνδυασμοί που περιλαμβάνουν κανάλια από κάθε φασματική περιοχή (δηλαδή ορατό, υπέρυθρο και τα μέσο υπέρυθρο SWIR II) βρέθηκαν ότι παρουσιάζουν καλύτερα τις αντιθέσεις των λιθολογικών χαρακτηριστικών, έτσι οι εικόνες Landsat 7 με RGB 573 και Landsat 8, με RGB 674 ενισχύθηκαν περαιτέρω χρησιμοποιώντας την μέθοδο αποσυσχέτισης (decorrelation stretch) και IHS (Intensity Hue Saturation) μετασχηματισμό . Η Ανάλυση των Κύριων Συνιστωσών (PCA) διαμορφώθηκε χρησιμοποιώντας όλα τα κανάλια Landsat , με τις περισσότερες πληροφορίες από τα κανάλια 7,5,3 για Landsat 7 και τα κανάλια 6,7,4 για Landsat 8. Ο συνδυασμός των κύριων συνιστωσών (1,3,5, Εικόνα 2) για Landsat 7 και ο συνδυασμός (2,4,5) και (3,4,5) για Landsat 8 βρέθηκαν ότι ενισχύουν τα λιθολογικά χαρακτηριστικά και συγκρίθηκαν με συνδυασμούς λόγων καναλιών. Mια λίγο διαφορετική παραλλαγή του ίδιου επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας ψευδοχρωματικό (FCC) και περιλαμβάνει: ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (IC) και κύριων συνιστωσών (PC) με τις πιο γεωλογικές πληροφορίες, όπως το κόκκινο και το πράσινο κανάλι, ενώ το μπλε κανάλι ήταν η ζώνη κορεσμού για τον IHS μετασχηματισμό των συνδυασμών RGB (573) για Landsat 7 (Εικόνα 3) και (674) για Landsat 8. Ερευνήθηκαν, επίσης, λόγοι καναλιών και συνδυασμοί με τη μεγαλύτερη αντίθεση χρησιμοποιώντας την αρχή Drury (1993), σύμφωνα με την οποία, για λόγους καναλιών που αφορούν τη γεωλογία, ένα υψηλότερο κανάλι διαιρείται από ένα χαμηλότερο κανάλι . Οι συνδυασμοί (3 / 2, 5/1, 7/3, Εικόνα 4) ή (3/2, 5/1, 7/4), για Landsat 7 και (4/3, 6/2, 7/3) βρέθηκαν να έχουν την καλύτερη αντίθεση και τα καλύτερα αποτελέσματα προς ταξινόμηση.
Επιβλεπόμενη Ταξινόμηση με λόγους καναλιών: Για την ταξινόμηση χρησιμοποιήθηκαν οι εξής λόγοι καναλιών: (5/1, 5/4, 7/3 και 3/2) για Landsat 7 και (4/3, 6/2, 7/3) για Landsat 8. Οι χρωματικές αντιθέσεις στους συνδυασμούς των λόγων, αποτέλεσαν τη βάση για τις κατηγορίες που πρέπει να χαρτογραφηθούν.
Εξαγωγή χαρακτηριστικών: Η βάση για την εξαγωγή χαρακτηριστικών ήταν η ενίσχυση της υφής που έγινε με τους λόγους καναλιών 5/1 και 6/2 για τις LANDSAT 7 και 8, αντίστοιχα. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας το κανάλι 8 με χωρική ανάλυση 15μ , αυξήθηκαν οι πιθανότητες εξαγωγής ενός μεγαλύτερου αριθμού χαρακτηριστικών (lineaments). Μία από τις μεθόδους που εφαρμόστηκε ήταν η τεχνική διαχωρισμού κατηγοριών με τιμή κατωφλίου (thresholding) στα αρχεία που προέκυψαν και το κανάλι 8 και τα αποτελέσματα του λόγου καναλιού για κάθε έτος συνδυάστηκαν σε ένα ενιαίο αρχείο. Το αποτέλεσμα προστέθηκε στον διαβαθμισμένο γεωλογικό χάρτη, όπως παρουσιάζεται παρακάτω.
Αποτελέσματα
Οι Εικόνες 5 και 6 ήταν τα αποτελέσματα που προέκυψαν μετά την εκτέλεση της επιβλεπόμενης ταξινόμησης και αντιπροσωπεύουν το λιθολογία των περιοχών. Μπορεί να σημειωθεί ότι μια μικρή βελτίωση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση καναλιού 5/4 στην ταξινόμηση, έτσι ώστε τα αργιλικά ορυκτά χαρτογραφήθηκαν και κατά συνέπεια, μπόρεσαν να γίνουν περισσότερες διακρίσεις στους τύπους υδάτων με τον Landsat 7. Από την άλλη πλευρά, για την ταξινόμηση στην Landsat 8 χρησιμοποιήθηκε μόνο ένα κανάλι στο ορατό φάσμα και ως εκ τούτου, έγινε διάκριση περισσότερων λιθολογικών στοιχείων σε σύγκριση με Landsat 7. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στην χρήση δύο καναλιών (6 και 7) στην φασματική περιοχή SWIR και στον συνδυασμό λόγων καναλιών για την Landsat 8, ενώ , ο Landsat 7 έχει μόνο το κανάλι 7,ως γεωλογικό κανάλι. Ως εκ τούτου, η ταξινόμηση της Landsat 8 χαρτογράφησε επιπλέον τις ακόλουθες κατηγορίες πετρωμάτων: Βασικά μεταμορφωμένα, κλασικά ιζήματα, οργανικά και βιολογικά ενοποιημένα. Για να επιτευχθεί ένας πλήρης δομημένος γεωλογικός χάρτη, οι ταξινομήσεις επικαλύφθηκαν με τα εξαγόμενα χαρακτηριστικά, όπως φαίνεται στα σχήματα 7 και 8. Πρέπει να σημειωθεί ότι ενώ η μέθοδος βελτίωσης της εικόνας μέσω της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών (PCA) δίνει βελτιωμένη δυνατότητα διάκρισης, όπως στην Εικόνα 2, ο συνδυασμός λόγων καναλιών έχει καλύτερες επιδόσεις τόσο στην οπτικοποίηση και την διακριτική ικανότητα. Από την άλλη πλευρά, η χρήση του συνδυασμού RGB που βασίζεται σε μια ανάλυση IC, PC και το κανάλι κορεσμού των RGB καναλιών που συμβάλλουν περισσότερο στην ενίσχυση της γεωλογία (π.χ. Εικόνα 3), επιτυγχάνουν ελαφρώς καλύτερη οπτικοποίηση των χαρακτηριστικών και των γεωμορφών σε σύγκριση με RGB ανάλυση των κύριων συνιστωσών μόνο(Εικόνα 2) . Ως εκ τούτου, έχει καλύτερη υφή, ενώ εξακολουθεί να διακρίνει τα πετρώματα. Αυτή η ιδέα προέρχεται από τους Mondini et al, (2011), οι οποίοι χαρτογράφησαν τις κατολισθήσεις, χρησιμοποιώντας μια τεχνική ανίχνευσης πολλαπλών αλλαγών με ψευδοχρωματικό: η αλλαγή αφορά τον δείκτη NDVI, IC4 και PC4 χρησιμοποιώντας εικόνα Formosat.
Συμπεράσματα
Ο κύριος στόχος αυτής της έρευνας ήταν να συγκριθεί η απόδοση του Landsat 7, ETM + και Landsat 8, OLI στην γεωλογική χαρτογράφηση. Εν τέλει, ο Landsat 8 έχει καλύτερες επιδόσεις στην διάκριση περισσότερων λιθολογικών μονάδων σε σύγκριση με τον Landsat 7. Η επιτυχία μπορεί να αποδοθεί στα στενότερα εύρη καναλιών του Landsat 8 και στο γεγονός ότι τα 2 κανάλια SWIR που χρησιμοποιήθηκαν στους συνδυασμούς λόγων καναλιών RGB ως αριθμητές. Η βελτίωση της εικόνας μέσω του συνδυασμού λόγων καναλιών επίσης αποδείχθηκε ότι είναι πιο αποτελεσματική στην διάκριση των πετρωμάτων και την απεικόνιση τους, σε σύγκριση με την μέθοδο της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών (PCA). Η επιβλεπόμενη ταξινόμηση με λόγους καναλιών εφαρμόστηκε με επιτυχία και η επακόλουθη ταξινόμηση βελτίωσε τους συνδυασμούς των λόγων καναλιών. Η χρήση του συνδυασμού RGB που βασίζεται σε μια ανάλυση IC, PC και το κανάλι κορεσμού διερευνήθηκαν ως τεχνική ενίσχυσης της εικόνα και δίνουν καλύτερη απεικόνιση των χαρακτηριστικών σε σύγκριση με συνδυασμούς PC σε RGB. Η εξαγωγή των χαρακτηριστικών εξαρτάται από το κατά πόσο μπορεί να βελτιωθεί η υφή, που ήταν καλύτερη σε λόγους καναλιών 5/1 και 6/2 για Landsat 7 και 8, αντίστοιχα.
