Soil copper concentration map in mining area generated from AHSI remote sensing imagery
Από RemoteSensing Wiki
ΧΑΡΤΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΧΑΛΚΟΥ ΣΕ ΕΔΑΦΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΕΞΟΡΥΞΗΣ ΠΟΥ ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΕ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗ ΛΗΨΗ ΕΙΚΟΝΩΝ ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ AHSI
ΤΙΤΛΟΣ: Soil copper concentration map in mining area generated from AHSI remote sensing imagery
ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Weichao Suna,⁎ , Shuo Liua , Mengfei Wangb , Xia Zhanga , Kun Shangc , Qingjie Liua
ΠΗΓΗ: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160511
1.Εισαγωγή Τις τελευταίες δεκαετίες, το κύριο ρεύμα της οπτικής τηλεπισκόπησης είναι η πολυφασματική τηλεπισκόπηση. Ωστόσο, η ποσοτική πρόβλεψη και η χαρτογράφηση των ιδιοτήτων του εδάφους με πολυφασματική τηλεπισκόπηση δεν είναι επιτυχείς, λόγω της αδρής φασματικής ανάλυσης (Castaldi et al., 2016).Για να μετριαστεί το πρόβλημα, χρησιμοποιήθηκε ένα όριο πιθανότητας για τη βελτίωση της ταξινόμησης. 2.1.1.Περιοχή μελέτης Η νοτιοδυτική Κίνα έχει πλούσια κοιτάσματα ορυκτών και εντοπίζεται ενεργή εξόρυξη και τη βιομηχανία τήξης. Η περιοχή μελέτης περιέχει ορυχείο μόλυβδου και ψευδάργυρου στη νοτιοδυτική Κίνα. 2.1.2. Δειγματοληψία εδάφους και χημική ανάλυση Πραγματοποιήθηκαν δειγματοληψίες εδάφους από τον Μάρτιο έως τον Απρίλιο του 2020 και συλλέχθηκαν 538 δείγματα εδάφους. Τα δείγματα εδάφους που συλλέχθηκαν αναλύθηκαν για συγκέντρωση χαλκού (Cu). και τιμή pH.Τα παρασκευασμένα δείγματα εδάφους υπέστησαν για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης Cu φασματομετρία οπτικής εκπομπής πλάσματος (ICP-OES). 2.2.1. Απόκτηση και προεπεξεργασία εικόνας Η υπερφασματική εικόνα τη επισκόπησής που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν τη μελέτη λήφθηκε στις 6 Μαρτίου 2020 από τον αισθητήρα AHSI στον δορυφόρο GF-5. Η κεντρική συντεταγμένη της εικόνας AHSI είναι 104,06°Α και 26,86°Β. Ο αισθητήρας AHSI καλύπτει 400–2500 nm και έχει 330 φασματικές ζώνες. Οι εικόνες Sentinel-2 υψηλής χωρικής ανάλυσης στην περιοχή μελέτης έχουν σχετικά υψηλή κάλυψη σύννεφων. 2.3. Μέθοδος μεταβλητής στάθμισης Η μέθοδος μεταβλητής στάθμισης προτάθηκε για τη μέτρηση των φασματικών ζωνών με βάση τη σπουδαιότητα τους. Τα βάθη απορρόφησης χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρησή των φασματικών ζωνών και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν σταθμισμένα φάσματα ανάκλασης για την πρόβλεψη και τη χαρτογράφηση της συγκέντρωσης Cu του εδάφους στα πλαίσια αυτής της εργασίας. 2.4. Βαθμονόμηση και αξιολόγηση μοντέλου Τα εξαγόμενα φάσματα ανάκλασης εδάφους και η αντίστοιχη συγκέντρωση Cu χωρίστηκαν σε δείγματα βαθμονόμησης και επικύρωσης σε αναλογία 2:1. Με αναφορά στη μελέτη (Sun et al., 2019), η συστηματική δειγματοληψία χρησιμοποιήθηκε μέθοδος για τη διαίρεση των δειγμάτων εδάφους. Για την αξιολόγηση του εδάφους σε Cu δημιουργήθηκαν χάρτες συγκέντρωσης από υπερφασματικές εικόνες τηλεπισκόπησης. 2.5. Δημιουργία χάρτη συγκέντρωσης cu εδάφους χρησιμοποιώντας εικόνες τηλεπισκόπησης AHSI Ένα διάγραμμα ροής δημιουργίας χαρτών συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων στο έδαφος χρησιμοποίησε υπερφασματικές εικόνες τηλεπισκόπησης όπως φαίνονται στο Σχ. 2. Για να ληφθούν σχετικά καθαρά εικονοστοιχεία γυμνού εδάφους, το όριο ορίστηκε στο 0,9. Οι ταξινομήσεις πραγματοποιήθηκαν με το λογισμικό ENVI 5.3. 3.1. Συγκέντρωση Cu και τιμές pH Στατιστική περιγραφή της συγκέντρωσης Cu και της τιμής του pH για τα 84 δείγματα εδάφους. Σύμφωνα με το τρέχον πρότυπο ποιότητας περιβάλλοντος εδάφους (GB 15618-2018) που δημοσιεύθηκε από το Υπουργείο Περιβάλλοντος και Οικολογίας, Κίνα, η τιμή ελέγχου κινδύνου της συγκέντρωσης Cu για γεωργικά εδάφη με τιμή pH μικρότερη από 6,5 είναι 50 mg kg−1. Μεταξύ των 84 δειγμάτων εδάφους που συλλέχθηκαν, υπάρχουν τέσσερα δείγματα εδάφους που υπερβαίνουν την τιμή ελέγχου, περίπου το 4,8 % των δειγμάτων εδάφους που συλλέχθηκαν. 3.2. Πρόβλεψη συγκέντρωσης Cu στο έδαφος χρησιμοποιώντας μετρημένα φάσματα ανακλαστικότητας Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο πληθυσμός GA αρχικοποιήθηκε τυχαία, το GA-PLSR εκτελέστηκε πέντε φορές για να ληφθεί μια σταθερή ακρίβεια πρόβλεψης. Ως σύγκριση, τα ακατέργαστα φάσματα ανάκλασης χρησιμοποιήθηκαν επίσης για την πρόβλεψη της συγκέντρωσης Cu του εδάφους. Για να επεξηγηθεί περαιτέρω η βελτίωση που επιφέρει η χρήση των ζυγισμένων φασμάτων του εδάφους, παρέχονται διαγράμματα διασποράς στο Σχ. 3. 3.3. Πρόβλεψη συγκέντρωσης Cu στο έδαφος χρησιμοποιώντας εικόνες γυμνού εδάφους Η χωρική κατανομή των κατηγοριών εδάφους που ελήφθησαν από τις δύο ταξινομήσεις φαίνεται στο Σχ. 4. Οι δύο κατηγορίες εδάφους χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την εξαγωγή της εικόνας γυμνού εδάφους από την εικόνα AHSI. Τα φάσματα εδάφους που εξάγονται από την κατηγορία εδάφους της βελτιωμένης ταξινόμησης εμφανίζονται στο Σχ. 5(β) και τα φάσματα εδάφους που εξάγονται από συντεταγμένες δειγμάτων εδάφους παρέχονται στο Εικ. 5(α) ως σύγκριση. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε το βαθμονομημένο μοντέλο πρόβλεψης για την πρόβλεψη της συγκέντρωσης Cu του εδάφους χρησιμοποιώντας τις εικόνες γυμνού εδάφους και το αποτέλεσμα φαίνεται στο Σχ. 6. 3.4. Χάρτες συγκέντρωσης Cu του εδάφους Με βάση την πρόβλεψη της συγκέντρωσης Cu στο έδαφος χρησιμοποιώντας εικόνα γυμνού εδάφους, ο αντίστοιχος χάρτης συγκέντρωσης Cu του εδάφους δημιουργήθηκε με συνηθισμένη χωρική παρεμβολή kriging, όπως φαίνεται στο Σχ. 7(α) και (β). Για να αξιολογηθούν οι χάρτες συγκέντρωσης Cu του εδάφους που δημιουργούνται από την εικόνα AHSI, ένας χάρτης συγκέντρωσης Cu που δημιουργήθηκε από συνηθισμένη χωρική παρεμβολή kriging χρησιμοποιώντας τις τιμές χημικής ανάλυσης παρέχεται στο Σχ. 7(c). 4.1. Αποτελεσματικότητα της μεθόδου μεταβλητής στάθμισης Τα υπερφασματικά δεδομένα έχουν εκατοντάδες και χιλιάδες στενά φασματικά συγκροτήματα. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές συνεισφορές αυτών των φασματικών ζωνών σε ποσοτικές εφαρμογές, προτάθηκε μια μέθοδος μεταβλητής στάθμισης για το χειρισμό υπερφασματικών δεδομένων. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι η προτεινόμενη μέθοδος μεταβλητής στάθμισης είναι αποτελεσματική. 4.2. Το πρόβλημα των αρνητικών τιμών πρόβλεψης Κατά την πρόβλεψη της συγκέντρωσης Zn του εδάφους με το αναπτυγμένο μοντέλο χρησιμοποιώντας εικόνες τηλεπισκόπησης AHSI, λαμβάνονται ορισμένες αρνητικές τιμές πρόβλεψης (Sun et al., 2022). Aυτή τη διαδικασία, στοχεύει στην απόκτηση ισχυρών μοντέλων πρόβλεψης με υψηλή ακρίβεια. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι το πρόβλημα των αρνητικών τιμών πρόβλεψης θα μπορούσε να μετριαστεί ή εξαλείφεται με τη βελτίωση της εξαγωγής εικόνας γυμνού εδάφους. 4.3. Πιθανές εναλλακτικές λύσεις για τη λήψη βελτιωμένων εικόνων γυμνού εδάφους Για να διερευνηθούν πιθανές εναλλακτικές λύσεις που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον μετριασμό του προβλήματος των μη φυσιολογικών τιμών πρόβλεψης σε μελλοντικές μελέτες, εξετάστηκε ο συντελεστής συσχέτισης Pearson και η Ευκλείδεια απόσταση. Ο συντελεστής συσχέτισης και η Ευκλείδεια απόσταση θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως εναλλακτικοί δείκτες για να βελτιωθεί η ταξινομημένη εικόνα του γυμνού εδάφους. 5. Συμπέρασμα Η υπερφασματική τηλεπισκόπηση έχει πλεονεκτήματα στην παρακολούθηση της συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων στο έδαφος. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες τηλεπισκόπησης AHSI για την πρόβλεψη και τη χαρτογράφηση της συγκέντρωσης Cu του εδάφους σε μια περιοχή εξόρυξης. Λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές φασματικές αποκρίσεις των υπερφασματικών ζωνών, προτάθηκε μια μέθοδος μεταβλητής στάθμισης για τη στάθμιση των υπερφασματικών ζωνών.Η εξαγωγή εικόνας γυμνού εδάφους από υπερφασματική τηλεπισκόπηση είναι ένα βασικό βήμα για τη δημιουργία χαρτών συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων στο έδαφος. Σεόρους μελλοντικών εφαρμογών, πιθανές εναλλακτικές λύσεις για να βελτιωθούν εξετάστηκαν εικόνες εδάφους. Η εξέταση δείχνει ότι ορισμένοι δείκτες με τα κατάλληλα κατώφλια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη λήψη βελτιωμένων εικόνων γυμνού εδάφους και την ισορροπία μεταξύ του αριθμού των εδαφικών φασμάτων που εξάγονται από την εικόνα του γυμνού εδάφους και του μετριασμού του προβλήματος της μη φυσιολογικής πρόβλεψης οι τιμές θα μπορούσαν να επιτευχθούν.
