APPLICATION OF REMOTE SENSING IN GEOLOGICAL MAPPING, CASE STUDY Al MAGHRABAH AREA – HAJJAH REGION, YEMEN

Από RemoteSensing Wiki

ΠΗΓΗ: https://isprs-annals.copernicus.org/articles/IV-4-W4/63/2017/isprs-annals-IV-4-W4-63-2017.pdf

ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: F. Al-Nahmia, O. Saddiqia, A. Hilalia, H. Rhinanea, L. Baiddera, H. El arabia, K. Khanbarib

ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Δορυφορικές εικόνες, γεωλογικός χάρτης, Sentinel-2, OIF, ICA, MNF, Yemen

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η τεχνολογία της τηλεπισκόπησης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη γεωλογική έρευνα, χαρτογράφηση, ανάλυση και ερμηνεία, η οποία παρέχει μια μοναδική ευκαιρία για τη διερεύνηση των γεωλογικών χαρακτηριστικών των απομακρυσμένων περιοχών της γήινης επιφάνειας, χωρίς την ανάγκη επιτόπιας έρευνας. Στόχος της παρούσας μελέτης είναι η δημιουργία ενός γεωλογικού χάρτη της περιοχής μελέτης. Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται είναι εικόνες Sentinel-2, διαδικασίες που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη και ο OIF Optimum Index Factor που είναι μια στατιστική τιμή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού τριών καναλιών σε μια δορυφορική εικόνα. Ο OIF βασίζεται στη συνολική διακύμανση εντός των καναλιών, καθώς και στον συντελεστή συσχέτισης μεταξύ των καναλιών. Η ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών ICA (3,4,6) είναι μια στατιστική και υπολογιστική τεχνική για την αποκάλυψη κρυφών παραγόντων που βρίσκονται πίσω από σύνολα τυχαίων μεταβλητών, μετρήσεων ή σημάτων. Το MNF Ελάχιστο κλάσμα θορύβου (1,2,3) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της εγγενούς διαστατικότητας των δεδομένων εικόνας, τον διαχωρισμό του θορύβου στα δεδομένα και τη μείωση των υπολογιστικών απαιτήσεων για την επακόλουθη επεξεργασία. Οι συντελστές ICA και MNF είναι επίσης πρακτικός τρόπος για την δημιουργία χαρτών τεχνικής γεωλογίας. Τα αποτελέσματα στην παρούσα εργασία δείχνουν ότι, η περιοχή που μελετήθηκε μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις κύριες γεωλογικές ενότητες: Κρυσταλλικά (μετα-ηφαιστειακά, μετα-ιζηματογενή), ιζηματογενή, διεισδύσεις, και ηφαιστειακά πετρώματα. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη προσφέρει μεγάλες δυνατότητες για γεωλογική χαρτογράφηση, με τη χρήση εικόνων Sentinel-2. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τους υπάρχοντες γεωλογικούς χάρτες και φάνηκαν πιο αξιόπιστα, ενώ θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την επικαιροποίηση των υφιστάμενων χαρτών.

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η περιοχή μελέτης καλύπτεται από προκάμβριας έως τριτογενής ηλικίας πετρώματα. Τα τριτογενή απαρτίζονται από σχηματισμούς προκάμβριων πετρωμάτων που είναι γενικά μετα - ιζηματογενή και μετα - ηφαιστειακά πετρώματα, γρανιτικές διεισδύσεις. Κατά τη διερεύνηση αυτής της περιοχής επεξεργάστηκε και αναλύθηκε μια εικόνα Sentinel-2 για τον εντοπισμό των επιφανειακών δομικών χαρακτηριστικών, του πραγματικού έγχρωμου σύνθετου (4,3,2), της υπέρυθρης ζώνης (8,4,3) που είναι καλή για την αναγνώριση της βλάστησης, της υπέρυθρης ζώνης μέσου μήκους κύματος (12,11,8a) που είναι χρήσιμη για την χαρτογράφηση καμένων εκτάσεων. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το Sentinel-2 συγκρίθηκαν με τον τοπικό γεωλογικό χάρτη της υδροθερμικής περιοχής και φαίνεται ότι υποστηρίζουν το υπάρχον γεωλογικό μοντέλο επιθερμικού κοιτάσματος. Η χρήση πολυφασματικών απεικονιστών, όπως ο Operational Land Imager επί του Landsat-8 και του Sentinel-2 σε συνδυασμό με υπερφασματικά διαστημικά όργανα, όπως το Hyperion και το EnMAP, θα αυξηθεί στις εκστρατείες γεωλογικής χαρτογράφησης, ώστε να μειωθεί στο ελάχιστο δυνατό βαθμό το σχετικό κόστος των αερομεταφερόμενων μέσων.

Στην παρούσα μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι OIF για τον προσδιορισμό του καλύτερου συνδυασμού καναλιών κόκκινου-πράσινου-μπλε (RGB) στις δορυφορικές εικόνες. Η ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA) είναι μια τεχνική για το διαχωρισμό ενός συνδυασμού σημάτων στις συνιστώσες αυτών και έχουν προταθεί για να παρέχουν μια αντικειμενική προσέγγιση στην επίτευξη αυτού του στόχου. Ο μετασχηματισμός ελάχιστου κλάσματος θορύβου (MNF) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της εγγενούς διαστατικότητας των δορυφορικών εικόνων, για την απομάκρυνση του θορύβου και την μείωση των υπολογιστικών απαιτήσεων για την επακόλουθη επεξεργασία. Ο παράγοντας βέλτιστου δείκτη (OIF), η ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA) και το ελάχιστο κλάσμα θορύβου (MNF) εφαρμόστηκαν για την ενίσχυση της οπτικής ερμηνείας για την αποτύπωση της γεωλογικής χαρτογράφησης της περιοχής, αυξάνοντας έτσι τις δυνατότητες για την εξαγωγή χρήσιμων γεωλογικών πληροφοριών και την ερμηνεία των γεωλογικών γεγονότων.

Γεωλογικές Συνθήκες

Η γεωλογία της περιοχής Hajjah είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη, καθότι έχει εκτεθεί σε διάφορα γεωλογικά γεγονότα. Η περιοχή μελέτης αποτελεί μέρος της Αραβο-Νουβικής ασπίδας, η οποία είναι μέρος του Ανατολικοαφρικανικού Ωρογενούς που σχηματίστηκε από τεκτονικά γεγονότα σύγκρουσης πλακών κατά τη διάρκεια του κλεισίματος του Ωκεανού της Μοζαμβίκης και της επακόλουθης σύγκρουσης της ανατολικής και δυτικής Γκοντβάνα περίπου στα 540 Ma. Η περιοχή που καλύπτεται από προκάμβρια πετρώματα στην Υεμένη εμφανίζεται στο δυτικό τμήμα της χώρας, καθώς η περιοχή αυτή γνώρισε ανύψωση του υποβάθρου που σχετίζεται με τα ρήγματα της Ερυθράς Θάλασσας και του Κόλπου του Άντεν, (As-Saruri et al. 2010).

Οι ομάδες πετρωμάτων στην περιοχή Hajjah είναι διάφορες, γενικά αποτελούνται από μετα-ηφαιστειακά, μετα-γάββρους, συν-τεκτονικά γρανιτοειδή, μετα-τεκτονικά γρανιτοειδή και ιζηματογενή πετρώματα του Ιουρασικού. Τα πετρώματα αυτά έχουν διεισδύσεις από γάββρους, συν-τεκτονικούς μετατεκτονικούς γρανίτες και γρανοδιορίτες. Η περιοχή έχει εκτεθεί σε διάφορα παραμαμορφωτικά γεγονότα, συμπιεστικά κυρίως που φαίνονται μέσα από μικρές πτυχώσεις οι οποίες τείνουν προς τα ΝΝΔ και ΒΒΑ. Τα terranes στην Υεμένη μπορούν να συσχετιστούν με συγκρίσιμα terranes στο ανατολικό περιθώριο της Αραβικής Ασπίδας και στη βόρεια Σομαλία. Έτσι, η Υεμένη παρέχει έναν σύνδεσμο μεταξύ του τόξου της Αραβικής Ασπίδας και της γνευσιογενούς ζώνης της Μοζαμβίκης της Ανατολικής Αφρικής.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Κατά τη μελέτη του σχήματος της γήινης επιφάνειας, σε σχέση με τα στρώματα των πετρωμάτων και τις παραμορφώσεις τους λόγω τεκτονικών δυνάμεων, παρατηρείται συχνά μια συσχέτιση μεταξύ των σχημάτων και των δομών στην επιφάνεια και στο υπέδαφος (Short and Blair, 1986). Στην παρούσα μελέτη, η δορυφορική εικόνα Sentinel-2 υπέστη επεξεργασία, με την εφαρμογή του παράγοντα βέλτιστου δείκτη (OIF) που είναι μια στατιστική τιμή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού τριών καναλιών για την δημιουργία ενός έγχρωμου σύνθετου, με την ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA), και με το ελάχιστο κλάσμα θορύβου (MNF).

Συντελεστής βέλτιστου δείκτη (OIF)

Ο παράγοντας βέλτιστου δείκτη (OIF) είναι μια στατιστική τιμή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού τριών καναλιών σε μια δορυφορική εικόνα για την δημιουργία ενός έγχρωμου σύνθετου.

Μερικές φορές τα διαφορετικά κανάλια των πολυφασματικών εικόνων εμφανίζονται παρόμοια και συσχετίζονται με διπλότυπες πληροφορίες, (Pournamdari et al.2014). Στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιήθηκε και υπολογίστηκε ο συντελεστής συσχέτισης για τα ανακλαστικά κανάλια του Sentinel-2.

Ελάχιστο κλάσμα θορύβου (MNF)

O μετασχηματισμός MNF χρησιμοποιείται για: την αφαίρεση του υπολειμματικού θορύβου από τα φασματικά δεδομένα και την παροχή ενός εύχρηστου μηχανισμού για την επιλογή πρωτοτύπων φασμάτων. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης εφαρμόστηκε για να παρουσιαστεί η χρησιμότητα των οπτικών πολυφασματικών εικόνων στην λιθολογική χαρτογράφηση, η οποία επιτρέπει την αποτύπωση των γεωλογικών ενοτήτων στην περιοχή μελέτης. Η MNF εφαρμόστηκε στα κανάλια των εικόνων Sentinel-2 (VNIR-VRE-SWIR), επειδή περιέχουν τις κατάλληλες πληροφορίες που επιτρέπουν την ανίχνευση της λιθολογίας των πετρωμάτων. Με βάση στατιστικές μελέτες για το ποσοστό διακύμανσης των δεδομένων, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η πρώτη ζώνη του MNF αφορούσε τις υψηλότερες ιδιοτιμές με τον χαμηλότερο θόρυβο και η τελευταία ζώνη του MNF αφορούσε τις χαμηλότερες ιδιοτιμές με τον υψηλότερο θόρυβο. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, χρησιμοποιήθηκε η ζώνη MNF (1,2,3), επειδή έχει τις υψηλότερες ιδιοτιμές με το χαμηλότερο θόρυβο και είναι εύκολη η αναγνώριση των γεωλογικών ενοτήτων (Εικόνα 2).

Ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA)

Η ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών (ICA) είναι μια στατιστική και υπολογιστική τεχνική για την ανίχνευση κρυφών παραγόντων που βρίσκονται πίσω από σύνολα τυχαίων μεταβλητών, μετρήσεων ή σημάτων. Μπορεί να θεωρηθεί ως επέκταση της ανάλυσης κύριων συνιστωσών και της ανάλυσης παραγόντων. Είναι όμως μια πολύ πιο ισχυρή τεχνική, ικανή να βρίσκει τους υποκείμενους παράγοντες ή πηγές όταν οι κλασικές μέθοδοι αποτυγχάνουν πλήρως, (Aapo Hyvärinen et al. 2001). Το σημαντικότερο πλεονέκτημα αυτού του μετασχηματισμού ICA έναντι των μεθόδων PCA και MNF είναι ότι βασίζεται στη μη Γκαουσιανή υπόθεση των ανεξάρτητων πηγών, η οποία αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα των υπερφασματικών συνόλων δεδομένων, (Veeramallu Satya Sahithi and Iyyanki V Murali Krishna, 2016). Χρησιμοποιεί στατιστικές ανώτερης τάξης για να ανακαλύψει ορισμένα ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά σε μη Γκαουσιανά σύνολα υπερφασματικών δεδομένων (Yusuf and He, 2011). Όπως η PCA και η MNF το πρώτο κανάλι στην ICA έχει την υψηλότερη ιδιοτιμή και το τελευταίο κανάλι έχει τη χαμηλότερη ιδιοτιμή. Η ζώνη ICA (3,4,6), επιλέχθηκε για την ταυτοποίηση των γεωλογικών ενοτήτων στην περιοχή μελέτης, εικόνα 3.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Στη παρούσα μελέτη, οι σχηματισμοί μπορούν να αναγνωριστούν εύκολα και τα όρια τους να σχεδιαστούν με ακρίβεια. Συγκεκριμένα, τα γρανιτικά πετρώματα των Ανδεσιτών, τα ηφαιστειακά πετρώματα Meta, ο ψαμμίτης Kohlan, ο ασβεστόλιθος Amran και οι ηφαιστειακοί σχηματισμοί (παλαιογενής-νεογενής βασάλτης), λόγω των διαφορών υδατοπερατότητας τους, μπορούν να διακριθούν σαφώς μεταξύ τους. Ως αποτέλεσμα, παρατηρείται ότι ποικίλα κανάλια που εξαρτώνται από το OIF εξυπηρετούν περισσότερο τη χάραξη των ορίων των γεωλογικών σχηματισμών. Ωστόσο, οι διάφοροι σχηματισμοί που επηρεάζουν τη φυτοκάλυψη εμφανίζονται καλύτερα στο σύνθετο 12,8a,4. Ως εκ τούτου, η ζώνη (12,8a,3) ή η ζώνη (11,8a,2) χρησιμοποιήθηκαν συνδυαστικά και συμπληρωματικά για τη σύνταξη του γεωλογικού χάρτη. Τα όρια των λοιπών γεωλογικών σχηματισμών εμφανίζονται επίσης καλύτερα στη ζώνη (11, 8a, 4). Η ζώνη MNF (1,2,3), η ζώνη ICA (3,4,6), καθώς και η ενισχυμένη εικόνα βοηθούν στην εύκολη διάκριση μεταξύ των γεωλογικών σχηματισμών, καθώς σε αυτές τις ζώνες, η αντίθεση φωτός-σκιάς των γεωμορφών είναι πολύ σαφής. Με βάση την έρευνα πεδίου, τα αποτελέσµατα επεξεργασίας των εικόνων, τους γεωλογικούς χάρτες και τις προηγούµενες µελέτες και εκθέσεις, επαληθεύτηκε η εγκυρότητα των αποτελεσµάτων, με τον τελικό χάρτη να παρουσιάζεται στην εικ.4

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Οι εφαρμογές της τεχνικής OIF επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητά της στην επιλογή των κατάλληλων έγρωμων συνθέτων για τη διάκριση των διαφορετικών πετρωμάτων, καθώς και τη μείωση του χρόνου και της προσπάθειας που απαιτείται για να επιλεγούν τα εν λόγω σύνθετα. Το ελάχιστο κλάσμα θορύβου MNF και η ανάλυση ανεξάρτητων συνιστωσών ICA βελτίωσαν τις δορυφορικές εικόνες, οι οποίες διευκολύνουν τις γεωλογικές ερμηνείες. Στην παρούσα μελέτη, επιχειρείται η ερμηνεία και η διάκριση μεταξύ των ενοτήτων των πετρωμάτων, της γεωλογικής δομής και του ρήγματος. O Sentinel-2 έχει αποδειχθεί κατάλληλος για γεωλογικές μελέτες και χαρτογραφήσεις. Τα λιθολογικά χαρακτηριστικά και οι ηλικίες των γεωλογικών σχηματισμών στον γεωλογικό χάρτη της εικόνας 1, έχουν βασιστεί σε προηγούμενες μελέτες, (Heikal, 1989, YGSMB, 2006). Ωστόσο, κατέστη δυνατή η διόρθωση σημαντικού αριθμού ορίων σχηματισμών στον παλαιότερο, μικρής κλίμακας (1: 250.000) γεωλογικό χάρτη του YGSMB. Η βελτίωση της εικόνας με τις ζώνες MNF (1,2,3), ICA (3,4,6), βοηθά επίσης στην εύκολη διάκριση μεταξύ των γεωλογικών σχηματισμών. Η βελτίωση της εικόνας με τις ζώνες MNF (1,2,3), ICA (3,4,6), βοηθά επίσης την εύκολη διάκριση μεταξύ των γεωλογικών σχηματισμών. Σε αυτές τις ζώνες, η αντίθεση φωτός-σκιάς των γεωμορφών είναι πολύ σαφής. Με βάση τις διάφορες αναλύσεις συνδυασμών, η τεχνική OIF είναι πολύ χρήσιμη για τον εντοπισμό και την διάκριση διαφορετικών γεωλογικών σχηματισμών. Η χρήση του συνδυασμού RGB που περιλαμβάνει τον συνδυασμό ICA και MNF συμβάλλει στην βελτίωση της γεωλογικής χαρτογράφησης, την διάκριση διαφορετικών γεωλογικών σχηματισμών, ρηξιγενών ζωνών και λιθολογικών ορίων.