Η χρήση της τηλεπισκοπικής τεχνολογίας στη γεωλογική εξερεύνηση και στον εντοπισμό των ορυκτών στο El Azraq, Ιορδανία

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: The use of Remote Sensing Technology in geological Investigation and mineral Detection in El Azraq-Jordan

Συγγραφείς: Samih Al Rawashdeh, Bassam Saleh et Mufeed Hamzah

Πηγή:cybergeo.revues.org

ΣΚΟΠΟΣ

Σκοπός της εργασίας είναι να πραγματοποιηθεί μια μελέτη της λιθολογίας, των γεωλογικών ενοτήτων, των ορυκτών, των υδροθερμικών εξαλλοιώσεων και της δομής της περιοχής El-Azraq, χρησιμοποιώντας μεθόδους τηλεπισκόπησης.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Οι τεχνικές της τηλεπισκόπησης έχουν ανοίξει μια καινούρια εποχή στην χαρτογράφηση της λιθολογίας. Τα δεδομένα του ενισχυμένου θεματικού χάρτη Landsat είναι εξαιρετικά χρήσιμα. Στο παρελθόν, οι γεωλογικοί χάρτες ετοιμάζονταν με παραδοσιακές μελέτες εδάφους, που βασίζονταν στην παρατήρηση στο ύπαιθρο. Παρότι μια τέτοια διαδικασία για την λεπτομερειακή ανάλυση ενός χάρτη είναι απαραίτητη, τα λάθη είναι αναπόφευκτα. Έτσι, σήμερα, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης παίζουν σημαντικό ρόλο στη χαρτογράφηση. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της τηλεπισκόπησης είναι η συνοπτική οπτική που παρέχει. Δίνει μια περιφερειακή και ολοκληρωμένη προοπτική των σχέσεων μεταξύ των διάφορων χαρακτηριστικών του εδάφους. Τα υφιστάμενα πολυφασματικά δορυφορικά συστήματα είναι σχεδιασμένα να εξερευνούν τους φυσικούς πόρους, με ειδική έμφαση στην κάλυψη της βλάστησης, τη λιθολογία και τη μεταλλευτική έρευνα. Οι περισσότερες εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στη γεωλογία, αφορούν την οριοθέτηση των δομών, τη διάκριση των διαφόρων τύπων πετρωμάτων και εδάφους και την εξερεύνηση των πόρων. Μετά την έναρξη του θεματικού χαρτογράφου LandSat (LandSat TM) το 1982, οι γεωλόγοι απέκτησαν πρόσβαση σε καλύτερη χωρική (30μ) και φασματική ανάλυση, σε σύγκριση με τον πολυφασματικό σαρωτή (MSS) που χρησιμοποιούταν για λεπτομερείς γεωλογικές μελέτες. Πολλές γεωλογικές μελέτες έχουν υιοθετήσει δεδομένα TM και ETM+ για να διακρίνουν τις διάφορες λιθολογίες, τις γραμμώσεις και τα ορυκτά, με τη χρήση υπερφασματικών μεθόδων. Μάλιστα στις περιοχές όπου έχει αποκαλυφθεί το υπόβαθρο, η πολυφασματική τηλεπισκόπηση χρησιμοποιείται για τη χαρτογράφηση λιθολογίας και ζωνών εξαλλοιώσεων.

ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ

Το El-Azraq βρίσκεται στο ΝΑ κομμάτι της Ιορδανίας και εκτείνεται από το El-Azraq μέχρι το βουνό Artin στο βορρά. Είναι μια άγονη ζώνη με μια μικρή όαση. Είναι μέρος της υπόγειας λεκάνης El-Zarqa, που θεωρείται η κύρια πηγή νερού για πάνω απ’ το μισό πληθυσμό της Ιορδανίας.

Διάγραμμα ροής

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικά δεδομένα LandSat ETM+ και δορυφορικές εικόνες Radar SAR. Οι πρώτες επιλέχθηκαν για τη μεγάλη φασματική ανάλυση και την κατάλληλη χωρική ανάλυσή τους. Η απόκριση των ραντάρ κυμάτων εξαρτάται από α) την τοπογραφία και την τραχύτητα του εδάφους, β) την υγρασία και γ) τα χημικά και φυσικά χαρακτηριστικά του εδάφους. Έτσι, είναι σημαντικά για την ορυκτολογική, λιθολογική και γεωλογική εξερεύνηση. Οι εικόνες έχουν διορθωθεί γεωμετρικά και αναπαρίστανται σε UTM προβολή, WSG84, χρησιμοποιώντας τοπογραφικούς χάρτες κλίμακας 1:50.000 και 1:100.000, με μέγεθος εικονοστοιχείου εξόδου 30 μ. Χρησιμοποιήθηκε επίσης για ψηφιακή επεξεργασία εικόνας το λογισμικό PCI-Geomatica, που προσέφερε σημαντικές λιθολογικές, δομικές και ορυκτολογικές πληροφορίες.

Εικ.1: Ενισχυμένη εικόνα Landsat ΕΤΜ+ (κανάλια 7, 4 και 2), που δείχνει τους γεωλογικούς σχηματισμούς της περιοχής

ΕΞΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΛΙΘΟΛΟΓΙΑΣ

Για την διερεύνηση της λιθολογίας στην περιοχή μελέτης, χρησιμοποιήθηκαν μετά τη ψηφιακή επεξεργασία εικόνες Thematic Mapper, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη λιθολογική διαφοροποίηση. Οι ψηφιακές τιμές έχουν διορθωθεί ατμοσφαιρικά με την αφαιρετική μέθοδο σκοτεινών εικονοστοιχείων. Ακόμη, η χρήση ορισμένων τεχνικών φασματικής επεξεργασίας ήταν απαραίτητη για την απόδειξης της αποτελεσματικότητας της τηλεπισκόπησης. Μια γραμμική αποκοπή στα άκρα με ατμοσφαιρική διόρθωση ήταν επαρκής για να παράγει μια εικόνα υψηλής ποιότητας. Χρησιμοποιήθηκε μια γραμμική συνάρτηση για να γίνει πλήρης αξιοποίηση της τιμής εξόδου. Ενισχυμένες εικόνες ενός καναλιού, ή ψευδόχρωμες εικόνες, που αποτελούνται από τρία αντίθετα ενισχυμένα κανάλια μπορούν να δώσουν γεωλογική ερμηνεία.

Εικ.2: Αποτέλεσμα μετασχηματισμού κύριων σινιστωσών, που περιέχει τα πρώτα τρία PC. Με άσπρο εμφανίζεται ο βασάλτης Salaman, με γκρι ο βασάλτης Madaba, με ανοιχτό γκρι ο ολιβίνης Abed και με μαύρο οι τόφφοι

Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών: Η διαδικασία της ανάλυσης κύριων συνιστωσών (PCΑ) δείχνει τη διασπορά των τόνων του γκρι στα κενά των στοιχείων. Γενικά η PC ανάλυση είναι μια στατιστική τεχνική που χρησιμοποιείται στην τηλεπισκόπηση για την επιλογή των κατάλληλων καναλιών και για να δείξει φασματικές διαφορές, το οποίο βοηθά να απεικονιστεί καθαρά η συσχέτιση των φασματικών τιμών μεταξύ διαφορετικών καναλιών. Λόγω του μεγάλου αριθμού των φασματικών καναλιών, πολλές πληροφορίες πάρθηκαν από εικόνες LandSat ETM+, ειδικά στο υπέρυθρο κομμάτι του φάσματος. Σαν αποτέλεσμα, αυτά τα δεδομένα ήταν πολύ χρήσιμα στη διαφοροποίηση της λιθολογία, του εδάφους και του εδαφικού αναγλύφου. Μετά τη μετατροπή των κύριων συστατικών, χρησιμοποιώντας γραμμικές και μη γραμμικές διορθώσεις, η οπτική εντύπωση του σύνθετου των χρωμάτων των κύριων συστατικών δείχνει ότι το σύνθετο που περιέχει τις τρεις πρώτες κύριες συνιστώσες ήταν το πιο κατατοπιστικό κυρίως για το σχηματισμό του βασάλτη.

Εικ.3: Έγχρωμο σύνθετο λόγων 3/1, 5/7 και 3/5 του Landsat ETM+ που εκφράζει τους κύριους γεωλογικούς σχηματισμούς

Ανάλυση με τη χρήση λόγων: Για χαρτογράφηση της λιθολογίας και των εξαλλοιώσεων, χρησιμοποιήθηκαν αναλογικές εικόνες. Προετοιμάστηκαν από τη διαίρεση του ψηφιακού αριθμού (DN) σε ένα κανάλι από τον αντίστοιχο ψηφιακό αριθμό σε ένα άλλο κανάλι για κάθε εικονοστοιχείο, τεντώνοντας την τιμή του αποτελέσματος και προβάλλοντας τις νέες τιμές σαν μια εικόνα. Τα σύνθετα 3/1, 5/7 και 3/5 (RGB) δίνουν περισσότερες πληροφορίες για τη γεωλογία και παρέχουν υψηλότερη αντίθεση απ’ τις συμβατικές έγχρωμες εικόνες. (Εικ.3)

Εικ.4: Εικόνα μετά τον μετασχηματισμό IHS από τον ETM+ με τα κανάλια 1, 5 και 3, που επιτρέπει τη διάκριση των ηφαιστειακών κώνων σαν σκούρα κόκκινα

Μετασχηματισμός IHS: Για τον προσδιορισμό του τύπου κάλυψης γης, η μετατροπή IHS εφαρμόστηκε στα δεδομένα ETM+. Παρουσιάζει τα χρώματα πιο κοντά στο πως τα αντιλαμβάνεται ο άνθρωπος. Στον κατακόρυφο άξονα του συστήματος, που βασίζεται σε μία χρωματική σφαίρα, είναι η ένταση, η ακτίνα αντιπροσωπεύει τον κορεσμό και η περίμετρος την απόχρωση. Η ένταση αντιπροσωπεύει διακυμάνσεις φωτεινότητας, ο κορεσμός αντιπροσωπεύει την καθαρότητα του χρώματος, ή την ποσότητα του λευκού και η απόχρωση αντιπροσωπεύει το κυρίαρχο μήκος κύματος του χρώματος. Η εικόνα IHS δημιουργήθηκε από τα κανάλια 1, 5 και 3 της περιοχής μελέτης. Ο ηφαιστειακός κώνος διακρίνεται εύκολα λόγω του σκούρου κόκκινου χρώματός του. (Εικ.4)

ΕΞΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΩΝ ΓΡΑΜΜΩΣΕΩΝ

Εκτός από τη χαρτογράφηση της λιθολογίας, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές για να δοθεί έμφαση στον προσδιορισμό ρηγμάτων. Τέτοιες είναι χωρικά φίλτρα και συγχώνευση μεταξύ εικόνων SAR και LandSat.

Εικ.5: Εικόνα μετά την εφαρμογή φίλτρου που επιτρέπει την εξαγωγή των κύριων γραμμώσεων

Φίλτρα για το προσδιορισμό των ρηγμάτων: Η τεχνική των φίλτρων χρησιμοποιείται για την αποκατάσταση εικόνων, την ενίσχυση εικόνων για οπτική ερμηνεία και την εξαγωγή στοιχείων χρησιμοποιώντας την εγγύτερη χωρική συχνότητα. Εφαρμόζοντας ένα χωρικό φίλτρο σε μια εικόνα σημαίνει ότι η τιμή του κάθε εξαγόμενου εικονοστοιχείου είναι ο μέσος όρος μιας μικρής γειτονιάς εισαγόμενων εικονοστοιχείων. Η τελική εικόνα αντιπροσωπεύει τη διαφορά μεταξύ κάθε αρχικού εικονοστοιχείου και του μέσου όρου της γειτονιάς του. Για να δώσουμε έμφαση σε προσανατολισμένα στοιχεία όπως τα ρήγματα χρησιμοποιείται ένα φίλτρο διευθυνσης, όπου τα καλύτερα αποτελέσματα έδωσε το κανάλι 5. Επίσης πολύ καλά αποτελέσματα έδωσε το φίλτρο Sobel, λόγω της χαμηλής επιρροής της βλάστησης σε αυτό το κανάλι.

βέλτιστο φίλτρο καναλιού 5

Εικ.6: Συνδυασμός εικόνων SAR και ETM+, που δείχνουν τα γεωλογικά, στρωματογραφικά και λιθολογικά στοιχεία της περιοχής

Τεχνική συνδυασμού εικόνων: Ο συνδυασμός οπτικών εικόνων και εικόνων SAR (Εικ.6) μας δίνει πληροφορίες για την τοπογραφία, τη χημική σύσταση και τα φυσικά χαρακτηριστικά του εδάφους και του υπεδάφους και των καλύψεων γης. Η εικόνα SAR έχει υποστεί ενίσχυση και γεωμετρική διόρθωση.

Εικ.7: Ο λόγος 5/4 επιτρέπει τη διάκριση σιδηρούχων ορυκτών (άσπρο χρώμα) στην περιοχή

ΕΞΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΟΥ ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΚΟΥ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ

Η τηλεπισκόπηση χρησιμοποιείται ευρέως στον ορυκτολογικό προσδιορισμό, κυρίως α) στη χαρτογράφηση γραμμώσεων, β) στη χαρτογράφηση σπασιμάτων που μπορεί να ελέγχουν τη μεταλλοφορία, γ) στον εντοπισμό υδροθερμικά εξαλλοιωμένων πετρωμάτων που σχετίζονται με κοιτάσματα και δ) στην παροχή βασικών γεωλογικών δεδομένων. Ο λόγος των καναλιών 3/1 του ETM+ παρουσιάζει την περισσότερη περιοχή σε ανοιχτό ή σκούρο γκρι, κάτι που αντιπροσωπεύει τις ζώνες ισχυρής αιματιτικής εξαλλοίωσης. Η φασματική απόκριση των διαβρωμένων σιδηρούχων μετάλλων έχει ασθενή ανακλαστικότητα στο μπλε (κανάλι 1) και ισχυρή στο κόκκινο (κανάλι 3), οπότε ο λόγος 3/1, ο οποίος έχει υψηλές τιμές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τα οξείδια του σιδήρου. Επίσης, ο λόγος 5/7 θα έχει φωτεινή υπογραφή για τα αργιλικά ορυκτά, αφού ο καολινίτης και ο μοντμοριλλονίτης έχουν χαμηλή ανακλαστηκότητα στο κανάλι 7 και υψηλή στο κανάλι 5. Τέλος για τα σιδηρούχα, ο καλύτερος λόγος είναι το 5/4 (Εικ.7). Μια επιλεκτική ανάλυση κύριων συνιστωσών εφαρμόστηκε χρησιμοποιώντας τα κανάλια 1, 3, 4 και 5. Αυτά τα κανάλια χρησιμοποιήθηκαν στην χαρτογράφηση σιδήρου και σιδηρούχων ορυκτών. Σε γκρι εικόνα, τα φωτεινά εικονοστοιχεία αντιστοιχούν σε σιδηροξείδια, ενώ τα σκοτεινά σε υδροξύλια (Εικ.8). Χρησιμοποιήθηκαν μόνο ασυσχέτιστα κανάλια στην ανάλυση, καθώς μόνο αυτά δεν οδηγούν σε πλεονασμό, δίνοντας ικανοποιητικό αποτέλεσμα και γιατί χρησιμοποιώντας διαφορετικά PCA οδηγούμαστε σε διαφορετικά αποτελέσματα. Κάτι τέτοιο ενισχύει τα συμπεράσματα και αποκαλύπτει ξεκάθαρα τα ρήγματα και τις γραμμώσεις.

Εικ.8: Εικόνα από επιλεκτική ανάλυση κύριων συνιστωσών, που αναδεικνύει τα υδροξύλια σαν σκούρα εικονοστοιχεία

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η μελέτη έδειξε ότι οι τεχνικές τηλεπισκόπησης είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για τη γεωλογική χαρτογράφηση. Διαφορετικές τεχνικές επεξεργασίας εφαρμόστηκαν σε εικόνες LandSat ETM+ και SAR για να διακριθούν και να σκιαγραφηθούν οι λιθολογικές ενότητες και οι περιφερειακές γραμμώσεις. Επίσης, η τηλεπισκόπηση αποδείχτηκε μια πολύτιμη βοήθεια στην εξερεύνηση ορυκτών πόρων. Η ανάλυση κύριων συνιστωσών και τα φίλτρα που εφαρμόστηκαν στα δεδομένα που λήφθησαν από τη συγχώνευση εικόνων ETM+ και SAR, ήταν πολύ χρήσιμα για την έκταση των γραμμώσεων. Η επιλεκτική ανάλυση κύριων συνιστωσών, λόγου καναλιών και οι πολυφασματικές τεχνικές επέτρεψαν την διάκριση των αλλαγμένων περιοχών και τον εντοπισμό ορυκτών.