Υπερφασματική τηλεπισκόπιση για σωρούς μεταλλευτικών απορριμμάτων σε εγκαταλελειμμένα μεταλλεία - Πεδίο μελέτης το μεταλλείο Dragon

Από RemoteSensing Wiki

Phoebe L. Hauff, Douglas C. Peters, Gary Borstad, William Peppin, Eric Dillenbeck, L. Graham Closs, and Eric C. Prosh1

Εισαγωγή

Υπερφασματικά δεδομένα από τηλεπισκόπηση μπορούν να συντελέσουν καθοριστικά στην αξιολόγηση μεταλλευτικών απορριμμάτων σε ένα εγκαταλελειμμένο μεταλλείο και κατηγοριοποίησή τους. Εν μέρει μέσω της αιγίδας του προγράμματος της NASA EOCAP (Project NAS-13-99004), της Αμερικανικής Υπηρεσίας Προστασίας Περιβάλλοντος (EPA) και κάποιων άλλων προγραμμάτων για εγκαταλελειμμένα μεταλλεία (AML), κάποιες περιοχές στη Utah είναι υπό έρευνα χρησιμοποιώντας AVIRIS, SFSI, και CASI υπερφασματικούς αισθητήρες. Αυτό το άρθρο παρουσιάζει μια σύντομη ματιά σε αυτή τη μελέτη και εξετάζει τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν.

Γενικοί στόχοι της μελέτης

Οι γενικοί στόχοι της συνεργασίας των δύο προγραμμάτων, NASA-EOCAP και EPA-AML είναι να ερευνήσει τη χρήση τεχνικών τηλεπισκόπησης για την παρακολούθηση των μεταλλευτικών απορριμμάτων. Η Αμερικανικής Υπηρεσίας Προστασίας Περιβάλλοντος και διάφορες άλλες κρατικές υπηρεσίες καταβάλλουν συντονισμένες προσπάθειες για να αξιολογήσει την έκταση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από παλιά εξορυκτική δραστηριότητα και σε άλλες περιοχές, εκτός του μεταλλείου. Οι επίγειες μέθοδοι για την εξεύρεση και την αξιολόγηση των αποβλήτων είναι πολύ χρονοβόρες και δαπανηρές. Η τηλεπισκόπηση ίσως είναι η απάντηση. Το ερώτημα είναι αν αυτό μπορεί να γίνει οικονομικά με τη σημερινή τεχνολογία. Για τη διάκριση αποβλήτων πρέπει να παρατηρηθούν ανεπαίσθητες σχεδόν αλλαγές στην ορυκτολογική σύσταση των υλικών και των απορριμμάτων. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται το μικρότερο μέγεθος pixel και μεγάλη ακρίβεια ψηφιοποίησης. Ωστόσο, αυτό δημιουργεί πολύ μεγάλα σύνολα δεδομένων. Αυτά τα μεγάλα σύνολα δεδομένων πρέπει να γίνουν αποτελεσματικά και γρήγορα. Η επεξεργασία πρέπει να είναι πιο γρήγορη, πιο ακριβής και συνεπής και να αναπτυχτούν νέοι αλγόριθμοι για την αναγνώριση ορυκτών. Ένα από τα πιο σημαντικά θέματα που σπάνια αντιμετωπίζονται είναι η αξιολόγηση της ακρίβειας. Αυτό σημαίνει λεπτομερής έλεγχος με φασματόμετρα και X-Ray Fluorescence (XRF), όταν πρόκειται για μέταλλα.

Γενική περιγραφή της μεθόδου

Η υπό ανάπτυξη μέθοδος για την αξιολόγηση των αποβλήτων περιλαμβάνει τις ακόλουθες εργασίες για να επιτευχθεί ένα τελικό προϊόν από υπερφασματικές εικόνες και χάρτες των αποβλήτων: 1) κατάρτιση γεωλογικού υπόβαθρου και ιστορικές πληροφορίες, 2) αναγνώριση της περιοχής, 3) απόκτηση εναέριων δεδομένων, 4) γεωχημικές αναλύσεις (π.χ., XRD, XRF, SEM), 5) την συλλογή όλων των δεδομένων, 6) επεξεργασία εικόνας, 7) τον έλεγχο περιοχής από εικόνες, και 8) αξιολόγηση της ακρίβειας.

Η αναγνώριση της περιοχής που ερευνάται έχει γίνει πριν ή κατά τη στιγμή της απόκτησης αερομεταφερόμενων στοιχείων. Τα ακόλουθα είδη είναι οι πληροφορίες που συλλέγονται: 1) SWIR φάσματα ανάκλασης για τα πετρωμάτα, το έδαφος, τα ιζήματα, και τη βλάστηση, 2) φάσματα ηλιακής για τη βαθμονόμηση και ανάκλαση της βλάστησης, 3) χημικές αναλύσεις XRF σε δείγματα που συλλέχθηκαν στο πεδίο, 4) φωτογραφίες των θέσεων που έγινε η συλλογή δειγμάτων, και 5) GPS για την καταγραφή των συντεταγμένων των θέσεων.

Δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές τις μελέτες, είναι από : AVIRIS, SFSI (SWIR Full Spectrum Imager) και CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager). Η AVIRIS έχει πετάξει για τη NASA από το Jet Propulsion Εργαστήριο, συνήθως σε ύψος 65.000 πόδια και SFSI CASI έχουν πετάξει σε ύψος 10.000 –12.000 πόδια. Στον πίνακα 1 γίνεται σύγκριση των τριών υπερφασματικών αισθητήρων. Το πακέτο λογισμικού ENVI ήταν το κύριο πρόγραμμα που χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία των δεδομένων στην παρούσα μελέτη. Η παραγωγή υψηλής ποιότητας υπερφασματικών εικόνων είναι διαδικασία που απαιτεί πολλές βαθμονομήσεις, υπολογισμούς και βελτιώσεις.

Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά των τριών αισθητήρων

Σημαντική είναι η κατανόηση της γεωλογίας της περιοχής ώστε έχοντας οι ερευνητές μια ιδέα για το τι είναι στην επιφάνεια ή τι συγκεκριμένα μέταλλα υπάρχουν στο πεδίο μελέτης καθώς και τα φάσματα, η επεξεργασία γίνεται πιο εύκολα. Τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις χρησιμοποιήθηκαν για την ανάλυση αυτών των δεδομένων και για παραγωγή εικόνων διαφορετικής πολυπλοκότητας. Στην πρώτη χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές που βασίζονται στις ήδη γνωστές μεθόδους Landsat. Μια διόρθωση IARR εφαρμόστηκε για τη διόρθωση μιας σχετική ανάκλασης. Δεν είναι ασυνήθιστο να χρησιμοποιούν εκατοντάδες σημεία ελέγχου για να διορθώσουν σωστά τις εικόνες. Ο Crosta Landsat επεξεργασμένος αλγόριθμος χρησιμοποιήθηκε για να υπογραμμίσει την ορυκτά σιδήρου. Ακολούθησε η διαδικασία ταξινόμησης.

Περιοχή μελέτης το μεταλλείο Dragon

Η μελέτη της περίπτωσης του μεταλλείου Dragon (σχήμα 1) αποτελεί μέρος της έρευνας των NASA EOCAP και EPA Utah AML. Το μεταλλείο Dragon επιλέχθηκε από την EPA (Αμερικανικής Υπηρεσίας Προστασίας Περιβάλλοντος) για μελέτη ως ως ένας κοινός τόπος αναφοράς για τους συμμετέχοντες στην έρευνα , όπου τα στοιχεία θα μπορούσαν να συγκεντρώνονται επίγεια αλλά και εναέρια. Από το μεταλλείο και τα απορρίμματα του έδειχνε να υπήρχε όξινη απορροή.

Σχήμα 1: Χάρτης τοποθεσίας του μεταλλείου Dragon

Το μεταλλείο ανακαλύφθηκε το 1870 και ήταν το δεύτερο ορυχείο στην ιστορική περιοχή Tintic. Αρχικά αξιοποιούνταν φλέβες Au-Ag-Cu-Pb, ενώ αργότερα τα άφθονα μεταλλεύματα οξείδια του σιδήρου εξορύσσονται ως χρήσιμο υλικό για τη σύντηξη.

Το 1938, ο αλλουσίτης εντοπίστηκε από περίθλαση ακτίνων Χ. Από το 1949, η Filtrol Corp. είχε κατοχυρώσει τον αλλουσίτη ως καταλύτης για την πυρόλυση πετρελαίου και την εξόρυξη του μεταλλείου μέχρι το 1976, όταν ένα συνθετικό καταλύτης αναπτύχθηκε για να αντικαταστήσει το φυσικό αλλουσίτη. Άλλα ορυκτά που υπήρχαν ήταν καολινίτης , πορφυρίτης , γύψος, φωσφορικά, πυρίτιο, ιλλίτης, μοντμοριλλονίτης και ανθρακικά ,ασβεστίτης και δολομίτης.

Ο Δράκος είναι ένα άριστο παράδειγμα ενός τόπου με την οπτική δυναμική της όξινης απορροής, καθώς είναι πολύ οξειδωμένο και έχει προταθεί για αξιοποίηση ζαροσίτη. Ωστόσο, δεν υπάρχει πρόβλημα λόγω της όξινης . Αν και στο ορυχείο υπερτερεί το κίτρινο χρώμα, αυτό είναι οξείδιο σιδήρου και όχι θείου. Υπάρχουν επίσης, πολύ χαμηλές περιεκτικότητες σε βαρέα μέταλλα. Το ημι-άνυδρο κλίμα δεν παρείχε επαρκή δραστηριότητα στα υπόγεια ύδατα ώστε να μετακινηθούν υπολογίσιμες ποσότητες των μετάλλων. Η εικόνα 2 δείχνει την κατανομή των δειγμάτων εδάφους που περιέχουν ζαροσίτη. Υπάρχουν μόνο 15 από τα 100 δείγματα που συλλέχθηκαν. Το φασματόμετρο PIMA και αργότερα οι υπερφασματικές εικόνες ήταν σε θέση να καταδείξουν τις διαφορές μεταξύ των πιο επικίνδυνων όξινων σημείων και των πιο ουδέτερων.

Εικόνα 2: Χάρτης δειγμάτων, από ορθοφωτογραφία, συμπεριλαμβανομένων και των δειγμάτων ζαροσίτη.

Εικόνες AVIRIS

Τόσο AVIRIS όσο και SFSI εικόνες αποκτήθηκαν και επεξεργάστηκαν πάνω από την περιοχή Dragon. Το ανοιχτό μπλε τονίζει τις αλλαγές που έγιναν στο μεταλλείο και άλλα αργιλικά πετρώματα ενώ η βλάστηση είναι πράσινη και κόκκινο δείχνει θάμνους και πλαγιές.

Το Dragon (βέλος) είναι στο νότιο κεντρικό τμήμα της εικόνας. Η εικόνα ταξινόμησης AVIRIS στην εικόνα 3 είναι ένας χάρτης που έχει επικεντρωθεί στον αλουνίτη γύρω από το μεταλλείο. Υπάρχουν πολύ λίγα σημεία που εμφανίζεται αλουνίτης στα 20 m pixel.

Εικόνα 3,4 : Από αριστερά προς τα δεξιά: AVIRIS RGB και AVIRIS εικόνες ταξινόμηση αλουνίτη, όπου το μεταλλείο Dragon υποδεικνύεται με ένα βέλος.

Τα πολλά ανόργανα συστατικά που βρέθηκαν στο μεταλλείο είναι στο σχήμα 5 σε μια συλλογή φασμάτων από τις εικόνες SFSI. Τα είδη αυτά εντοπίστηκαν για πρώτη φορά με PIMA στο έδαφος και στη συνέχεια από εικόνες.

Εικόνα 5: Τέλος φάσματα από τις εικόνες SFSI. Φάσματα έχουν κατά μέσο όρο αρκετά pixels συνδυασμένο ανά φάσμα και περιλαμβάνουν αλουνίτη [A], καολινίτη [B], αλλουσίτη [C], ιλλίτη [D], σμεκτίτης [Ε], νοντρονίτης [F] και ασβεστίτης. [G]. Αλουνίτης είναι πολύ αραιά διανεμημένος στο μεταλλείο.

Εικόνα 6: Κατανομή των δειγμάτων αλουνίτη στο Dragon (1998 μόνο). Αυτή η εικόνα είναι ένα ιδιαίτερα καλό παράδειγμα για τις δυνατότητες υψηλής επίλυσης του SFSI.

Εικόνα 7: SFSI υποσύνολο της εικόνας 3 (αλουνίτη) όπου φαίνεται το μεταλλείο. Τα κόκκινα εικονοστοιχεία έχουν το υψηλότερο διάστημα εμπιστοσύνης, έπειτα το κίτρινο και στη συνέχεια το πράσινο.

Από το SFSI ήταν σε θέση να διακρίνουν τον αλουνίτη, όπως εμφανίζεται στην εικόνα 8. Αυτό το είδος της λεπτομέρειας δεν φαίνεται εξίσου καλά στο AVIRIS λόγω υψομέτρου αλλά είναι πολύ σημαντικό για την εξερεύνηση του περιβάλλοντος και για τον εντοπισμό της πηγής και των απορριμμάτων από μη ρυπασμένες θέσεις.

Εικόνα 8: Διατομή της περιοχής του μεταλλείου

Η εικόνα SFSI στο σχήμα 9 δείχνει την κατανομή των ορυκτών καολινίτη μέσω της τάφρου.

Εικόνα 9: Αυτή η εικόνα SFSI δείχνει ένα μετασχηματισμό από αλλουσίτη σε καολινίτη μέσω διαφόρων σταδίων. Το βασικό χρώμα για αλλουσίτη είναι μοβ-> ματζέντα-> κόκκινο-κίτρινο-> μαύρο (ίσο) -> πράσινο θάλασσα -> πράσινο –> κυανό-> μπλε στο τέλος καολινίτης

Αυτά τα ορυκτά έχουν παρόμοια χημεία και κρυσταλλική δομή και ως εκ τούτου πολύ παρόμοια φάσματα όπως φαίνεται στην εικόνα 10, SFSI. Αυτό είναι μοναδικό διότι δείχνει τις διαφορές μεταξύ πολύ συγγενών ειδών ορυκτών. Δείχνει πραγματικά λεπτές διαφορές στην οκταεδρική βάση διαμόρφωσης αυτών των μετάλλων.

Εικόνα 10: SFSI φάσματα που εξάγονται από την εικόνα φ, όπου ο αλλουσίτης στο τέλος εμφανίζεται στην κορυφή της στοίβας με μοβ χρώμα και ο καολινίτης στο τέλος με μπλε χρώμα στο κάτω μέρος της στοίβας.

Η περίπτωση μελέτης του μεταλλείου Dragon δείχνει τις δυνατότητες που έχει πλέον η τηλεπισκόπιση με τη νέα τεχνολογία. Αποδεικνύεται η ικανότητα του αισθητήρα SFSI σε διακρίσεις μεταξύ των μεταβατικών φάσεων των ορυκτών σε δευτερογενή. Το σύστημα SFSI είναι εξαιρετικό για αυτό το έργο, λόγω της λεπτομέρειας του τόσο φασματικά όσο και χωρικά. Το παράδειγμα Dragon δείχνει επίσης ότι οι διαφορές μεταξύ όξινου και ουδέτερου pH σε λεκάνες απορροής μπορούν να προσδιοριστούν χρησιμοποιώντας υπερφασματικά αερομεταφερόμενα στοιχεία.