Αξιοποίηση πολυφασματικών δεδομένων τηλεπισκόπησης με τον landsat-8 για λιθολογική χαρτογράφηση της νοτιοδυτικής Σαουδικής Αραβίας.

'''Αξιοποίηση πολυφασματικών δεδομένων τηλεπισκόπησης με τον landsat-8 για λιθολογική χαρτογράφηση της νοτιοδυτικής Σαουδικής Αραβίας.'''

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Utilization of multispectral landsat-8 remote sensing data for lithological mapping of southwestern Saudi Arabia

'''Συγγραφείς:''' Habes Ghrefat a*, Ali Y. Kahal a*, Kamal Abdelrahman a, b* , Hussain J. Alfaifi a*, Saleh Qaysi a*
a* Department of Geology and Geophysics, King Saud University, P.O. Box 2455, Riyadh 11451, Saudi Arabia
b* Seismology Department, National Research Institute of Astronomy and Geophysics, EL Marsad Street 1, Helwan, Cairo, Egypt

'''Δημοσιεύθηκε:''' Journal of King Saud University – Science, Ιούνιος 2021

'''Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου:''' https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1018364721000756

'''Λέξεις-Κλειδιά:''' Landsat – 8, χαρτογράφηση, μετασχηματισμός εικόνας, Σαουδική Αραβία, φασματικές μετρήσεις, ανακλαστικότητα 

[[Εικόνα:eikona_1_xb.jpg| thumb| right|'''Εικόνα 1:'''Γεωλογικός Χάρτης περιοχής μελέτης]]

[[Εικόνα:xb4.jpg| thumb| right|'''Eικόνα 2:'''Χαρακτηριστικά ζωνών landsat - 8 / θερμικού αισθητήρα υπέρυθρων (TRS)Ε]]

[[Εικόνα:eikona_3_xb.jpg| thumb| right|'''Εικόνα 3:'''Φάσματα των δειγμάτων πετρωμάτων]]

[[Εικόνα:xb3.jpg| thumb| right|'''Εικόνα 4:'''Φασματικό διάγραμμα landsat – 8]]

[[Εικόνα:eikona_5.jpg| thumb| right|'''Εικόνα 5:'''Συνδυασμός 7-5-3 δεδομένων landsat - 8]]

[[Εικόνα:eikona_6.jpg| thumb| right|'''Εικόνα 6:'''Αποτελέσματα με την μέθοδο PCA]]


'''Αντικείμενο Εφαρμογής'''

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι ο εντοπισμός και η γεωλογική χαρτογράφηση διαφόρων λιθολογικών ενοτήτων και γεωλογικών δομών χρησιμοποιώντας δεδομένα Landsat 8 Operational Land Imager (OLI) σε συνδυασμό με έρευνες πεδίου. Ακόμη, διάφορες τεχνικές φασματικής επεξεργασίας επιλέχθηκαν για να την χαρτογράφηση των ορυκτών και ιδιαίτερα των μαφικών και των πυριγενών. 

'''Εισαγωγή'''

Η γεωλογική χαρτογράφηση της περιοχής μελέτης επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας  διάφορα μέσα και τεχνικές τηλεπισκόπησης όπως:
α) Με διάφορα εναέρια και διαστημικά πολυφασματικά Landsat 8, ASTER, ALI, QuickBird και WorldView-3 και υπερφασματικά δεδομένα τηλεπισκόπησης Hyperion και AVIRIS
β) Τεχνικές φασματικής επεξεργασίας συμπεριλαμβανομένης της PCA, της αναλογίας ζώνης και της φασματικής όξυνσης Gram-Schmidt (GS), την ταξινόμηση εικόνας, ττου κλάσματος ελάχιστου θορύβου, του τεντώματος αποσυσχέτισης, του χάρτη φασματικής γωνίας κ.α.
γ) Την φασματική διάκριση που πραγματοποιείται με βάση την περιοχή ορατού-υπέρυθρου (0,4-14 μm) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Χρησιμοποιείται και για τον διαχωρισμό των ορυκτών με βάση τις ιδιότητες φασματικής ανάκλασης. Οι φασματικές καμπύλες ανάκλασης των πετρωμάτων εξαρτώνται από τις ιδιότητες υφής τους και το μέγεθος των κόκκων. 

'''Περιοχή μελέτης'''

Το Sarat Abidah βρίσκεται στη νοτιοδυτική Σαουδική Αραβία μεταξύ των γεωγραφικών σημείων 18°00′N–18°09′N και 43°18′E–43°32′25′′E και έχει επιλεχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη περιοχή για τουρισμό από τη Γενική Αρχή τουρισμού της Σαουδικής Αραβίας. Ο γεωλογικός χάρτης της περιοχής αποτελείται από μεταμορφωμένα ηφαιστειακά και ιζηματογενή πετρώματα τα οποία βρίσκονται πάνω σε ένα πλουτωνικό υπόβαθρο που αποτελείται κυρίως από γάβρο και γρανίτη. Τα πετρώματα έχουν υποστεί μεγάλα επεισόδια παραμόρφωσης και διείσδυσης από πυριγενή πετρώματα ηλικίας Πρωτεροζωϊκού (εικόνα 1).
Στην περιοχή μελέτης κυριαρχεί ο φολιωμένος βιοτίτης, καθώς και ο διορίτης και ο γάβρος που παρατηρούνται στο ανατολικό τμήμα της έχοντας υποστεί διάφορους βαθμούς μεταμόρφωσης. Οι πολυάριθμες ζώνες ρηγμάτων έχουν διεύθυνση Β και διαχωρίζουν λιθολογικές ενότητες οι οποίες διαφέρουν στην ηλικία και τη μεταμόρφωση. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται σε μια από τις 5 ζώνες ρηγμάτων, τη ζώνη Khadra.

'''Μεθοδολογία'''

'''1.Επεξεργασία εικόνας δεδομένων Landsat 8'''
Κάθε εικόνα Landsat 8 περιλαμβάνει 11 φασματικές ζώνες: πέντε στην περιοχή VNIR, δύο στην περιοχή SWIR, δύο στην περιοχή θερμικών υπέρυθρων και μία πανχρωματική ζώνη (band 8). Η χωρική ανάλυση αυτών των ζωνών κυμαίνεται από 15 έως 100μ (Πίνακας 1).
1. Τα δεδομένα landsat – 8 της περιοχής μελέτης είναι L1T τύπου και διορθώθηκαν ραδιομετρικά και γεωμετρικά χρησιμοποιώντας τσιπ ελέγχου εδάφους και ένα ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (DEM). 
2. H επεξεργασία των εικόνων πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό ENVI 
3. Για την μελέτη και την μετατροπή των ψηφιακών αριθμών (DN) των δεδομένων Landsat 8 σε δεδομένα ανάκλασης και τη μείωση των επιπτώσεων της ατμοσφαιρικής σκέδασης εφαρμόστηκε η μέθοδος QUAC. 
4. Οι εικόνες RGB με την βοήθεια του landsat – 8 OLI επιλέχθηκαν κυρίως με βάση τις ιδιότητες φασματικής ανάκλασης των κυρίαρχων τύπων πετρωμάτων της περιοχής. 
4. Η μέθοδος PCA εφαρμόστηκε σε πολυφασματικά και υπερφασματικά δεδομένα.
5. Μια ακόμη σημαντική μέθοδος είναι αυτή της αναλογίας ζώνης (band ratio technique) η οποία προκύπτει από την διαίρεση των τιμών DN των εικονοστοιχείων σε μια ζώνη με υψηλή συνολική ανάκλαση με  αυτές των αντίστοιχων εικονοστοιχείων σε μια ζώνη με χαμηλή συνολική ανάκλαση. Η επιλογή των αναλογιών ζώνης βασίζεται στις φασματικές υπογραφές των κυρίαρχων λιθολογικών μονάδων που δυνητικά υπάρχουν στην περιοχή. 
6. Η μέθοδος GS χρησιμοποιήθηκε για την όξυνση των πολυφασματικών δεδομένων Landsat 8 χαμηλής χωρικής ανάλυσης (bands 3,4,7) με υψηλής χωρικής ανάλυσης παγχρωματικά δεδομένα (band 8).

'''2. Φασματικές μετρήσεις και επαλήθευση πεδίου'''
Έγινε συλλογή αντιπροσωπευτικών δειγμάτων από διαφορετικές τοποθεσίες στην περιοχή μελέτης, τραβήχτηκαν φωτογραφίες από το καθένα και μετρήθηκα και οι γεωγραφικές συντεταγμένες κάθε τοποθεσίας. Τα φάσματα ανάκλασης των δειγμάτων λήφθηκαν στις ορατές προς βραχέων κυμάτων υπέρυθρες περιοχές (0,4-2,5 μm). Ακόμη χρησιμοποιήθηκε και μια εξωτερική πηγή φωτός, για την οποία η απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του δείγματος ήταν ≈25 εκ., για την τη διεξαγωγή των φασματικών μετρήσεων.

'''Αποτελέσματα'''

'''1.Φασματοσκοπία ανάκλασης'''
Με βάση την εργαστηριακή μελέτη των φασμάτων των δειγμάτων που συλλέχθηκαν στις περιοχές VNIR και SWIR προέκυψαν τα εξής αποτελέσματα (εικόνα 2):
1. Το φάσμα βιοτίτης  - γρανοδιορίτης – γνεύσιος (μαύρο χρώμα) και το φάσμα τοφφιτών (πράσινο χρώμα) εμφανίζουν χαρακτηριστικά απορρόφησης στα 1,4, 1,9 και 2,2 μm, που αντιστοιχούν σε και ζώνες απορρόφησης H2O και OH. 
2. Τα υπόλοιπα φάσματα εμφανίζουν ζώνες απορρόφησης που αντιστοιχούν σε υποσιδηρούχο (Fe+2) και σιδηρούχο (Fe+3) σε ~ 0,7 και ~ 1,0 μm αντίστοιχα. 
Το φασματικό διάγραμμα Landsat – 8 των δειγμάτων (εικόνα 3) έδειξε ότι:
1. Η φασματική ανάκλαση του βιοτίτη – γρανοδιορίτη – γνεύσιου (κίτρινο χρώμα) και των τοφφιτών (γκρί χρώμα) σε όλες τις φασματικές ζώνες του Landsat 8 είναι υψηλότερη από αυτή των άλλων συλλεγόμενων πετρωμάτων.
2. Το υπόλοιπα φάσματα παρουσιάζουν χαμηλότερες τιμές ανάκλασης στη ζώνη 5 του landsat λόγω της παρουσίας του σιδήρου.

'''2.Λιθολογική Χαρτογράφηση'''
Πάρθηκαν πολλά δεδομένα landsat – 8 με διάφορους συνδυασμούς χρωμάτων RGB για την λιθολογική χαρτογράφηση των πετρωμάτων. 
Ο συνδυασμός 7-5-3 που παρουσιάζεται στην εικόνα 4 αντιστοιχεί σε ακτινόλιθο – σχιστόλιθος ως σκούρο κόκκινο, o βασάλτης ως πράσινο, ο βιοτίτης και ο γρανοδιορίτης – γνεύσιος ως λευκό και ο βιοτίτης και ο τοναλίτης εμφανίζονται με γκρί που ‘ροζίζει’.
Στην εικόνα 5 οι συνθέσεις χρωμάτων των 3ων πρώτων καναλιών PCA που απεικονίζονται με κόκκινο (PC3), πράσινο (PC1) και μπλε (PC2) για δεδομένα landsat  8.  Με κυανό χρώμα παρουσιάζεται ο ακτινόλιθος – σχιστόλιθος, με σκούρο πορτοκαλί και ροζ χρώματα ο βιοτίτης – γρανοδιορίτης – γνεύσιος και με έντονο πορτοκαλί και ροζ ο βιοτίτης και ο τοναλίτης. 

'''Συμπεράσματα'''

Ο συνδυασμός πολυφασματικών δεδομένων Landsat 8 και εργαστηριακών φασματικών μετρήσεων με δεδομένα πεδίου (in situ), αποδείχθηκε πολύ χρήσιμο εργαλείο για τη χαρτογράφηση λιθολογικών μονάδων στην περιοχή μελέτης. Από τις μεθόδους που δοκιμάστηκαν, η μέθοδος pan-sharpening GS αξιολογήθηκε ως η πλέον ακριβής σε σχέση με όλες τις άλλες μεθόδους.


 [[category:Γεωλογία – Εδαφολογία]]