Η επίδραση της Τηλεπισκόπησης και τεχνικών GIS στον εντοπισμό γεωλογικών ρηγμάτων στο νησί της Κρήτης, Ελλάδα

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 19:34, 13 Ιανουαρίου 2021

Εικόνα 1. Περιοχή μελέτης, πηγή: https://www.researchgate.net

Εικόνα 2. Εντοπισμός ρηγμάτων με χρήση του έγχρωμου σύνθετου FCC14, πηγή: https://www.researchgate.net

Η επίδραση της Τηλεπισκόπησης και τεχνικών GIS στον εντοπισμό γεωλογικών ρηγμάτων στο νησί της Κρήτης, Ελλάδα

Integration of remote sensing and geographic information systems for geological fault detection on the island of Crete, Greece

Mohamed Elhag and Dalal Alshamsi

Πηγή: [[1]]

Οι μηχανισμοί αστοχιών είναι μεγάλης σημασίας στο πεδίο των γεωλογικών δομών. Στην παρούσα μελέτη έγινε μια προσπάθεια να σχεδιαστούν οι τεκτονικές δομές στη Κρήτη με το συνδυασμό δορυφορικών δεδομένων από το δορυφόρο Sentinel-2 και την χωρική ανάλυση. Για τη ενίσχυση και τον καλύτερο διαχωρισμό των γραμμικών στοιχείων όπως αποτυπώνονται στις δορυφορικές εικόνες, έγινε εφαρμογή διαφόρων τεχνικών που εξαρτήθηκαν από τους εξής παράγοντες: i) το ψηφιακό μοντέλο εδάφους, ii) την κλίση των εδαφών iii) το υδρολογικό δίκτυο iv) τη γεωλογία και παρατηρήσεις που αφορούν τη κάλυψη της βλάστησης.

Η ανίχνευση γραμμικών στοιχείων στις αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες μπορεί να αποκαλύπτει την ύπαρξη ποικίλων τοπογραφικών χαρακτηριστικών. Πληροφορίες που σχετίζονται με τη γεωμορφολογία και τη γεωλογία της περιοχής ενοποιήθηκαν με τα δορυφορικά δεδομένα και οδήγησαν στο τελικό χαρακτηρισμό συγκεκριμένων χαρακτηριστικών ως ρήγματα.

Περιοχή μελέτης: Η υδρολογική λεκάνη της περιοχής μελέτης βρίσκεται στο δυτικό κομμάτι της Κρήτης και ανήκει διοικητικά στον Δήμο Κολυμβαρίου. Η κοιλάδα του Κολυμβαρίου είναι αγροτική περιοχή όπου καλλιεργούνται ελιές, σιτηρά , λαχανικά.

Δεδομένα Τηλεπισκόπησης: Στόχος της επεξεργασίας των δορυφορικών δεδομένων είναι η βελτίωση των φασματικών υπογραφών και η παραγωγή εικόνων πιο ερμηνεύσιμων από τις πρώτες. Η ψηφιακή εικόνα της Sentinel-2A λήφθηκε στις 12 Μαρτίου 2018 (χωρίς νέφη) και εφαρμόστηκαν σε αυτή τεχνικές ενίσχυσης. Η Sentinel-2 δημιουργήθηκε με βάση 12 φασματικά κανάλια ανάλυσης 10 μέτρων για τα ορατά κανάλια, ανάλυσης 20 μέτρων για τα κανάλια βλάστησης κόκκινου (red edge) και τα κανάλια μικροκυματικού φάσματος infrared (SWIR). Για την εικόνα χρησιμοποιήθηκαν επιπλέον τρία κανάλια που σχετίζονταν με υδάτινα στοιχεία 60 μέτρων ανάλυσης. Ήταν αναγκαίο να αναγνωριστούν οι ραδιομετρικές και γεωμετρικές στρεβλώσεις πριν εφαρμοσθούν οι μέθοδοι ενίσχυσης.

Εκτίμηση γραμμικών στοιχείων με χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης: Εφαρμόσθηκε μια ποικιλία μεθόδων ενίσχυσης στα πρωτογενή ψηφιακά δεδομένα για τη βελτίωση των φασματικών χαρακτηριστικών των αντικειμένων και να δοθεί έμφαση στην αποτύπωση γραμμικών στοιχείων της περιοχής μελέτης. Τα πραγματικά κανάλια ενισχύθηκαν υπερβολικά ως προς τις αντιθέσεις των τόνων του γκρι, ώστε οι ψηφιακοί αριθμοί (DNS) να καταλαμβάνουν περισσότερα γκρι επίπεδα από πριν σύμφωνα με τη συχνότητα εμφάνισής τους. Η ανάλυση βασικών συστατικών (principal components analysis) στόχευσε στη συμπίεση πληροφοριών σε λιγότερα κανάλια από τα πρωτογενή, ασυσχέτιστα μεταξύ τους. Τα ραδιομετρικά εύρη (min και max DN τιμές) σε κάθε ένα από τα χρησιμοποιούμένα έξι κανάλια (Sentinel-2 B2-B7) από το πρωτεγενές σύνολο δεδομένων διορθώθηκαν.

Το σκεπτικό της χωρικής ενίσχυσης βασίζεται σε ένα κινούμενο παράθυρο (kernel window) που περιλαμβάνει μια σειρά από παράγοντες βάρους και κινείται πάνω από όλα τα pixel μιας ασπρόμαυρης εικόνας (με ένα φασματικό κανάλι), αποδίδοντας νέες τιμές DN ως αποτέλεσμα εφαρμογής των παραγόντων βάρους στις αρχικές τιμές.

Στη παρούσα μελέτη εφαρμόστηκαν αρκετοί συνδυασμοί μεταξύ των αρχικών καναλιών, των ενισχυμένης αντίθεσης καναλιών, των προϊόντων με τα βασικά συστατικά και των αναλογικών εικόνων. Στόχος ήταν η παραγωγή μια εικόνας FCC όπου διακρίνονται γραμμικά στοιχεία σε ικανοποιητικό βαθμό για την περαιτέρω ψηφιοποίηση τους στην οθόνη.

Εκτίμηση γραμμικών στοιχείων με χρήση μεθόδων GIS: Xαρακτηριστικά στοιχεία πολιτισμού όπως το οδικό δίκτυο έπρεπε να είναι αναγνωρίσιμα στα δορυφορικά δεδομένα προκειμένου να αποφεύγεται η σύγχυσή τους με ρήγματα γεγονός που θα οδηγούσε σε μη ορθή φωτοερμηνεία.

Αποτελέσματα

Για τη μετατροπή των παραδοσιακών δεδομένων σε νέες συνιστώσες PC (principal components), έπρεπε να αποκτηθούν συντελεστές μετατροπής. Η PC1 έχει μόνο θετικά αποτελέσματα, που σημαίνει πως κανένα χαρακτηριστικό της εξαγόμενης φωτογραφίας δε θα χρειαστεί να ενισχυθεί. H PC2 ως μια απλή ασπρόμαυρη εικόνα, δίνει έμφαση στις διαφορετικές ομάδες χαρακτηριστικών που είναι ευαίσθητα στα κανάλια 5 και 2. Το PC1 είναι υψηλά συσχετισμένο με όλα τα κανάλια αλλά περισσότερο με το Sentinel-2 B6 και B7, ενώ το PC2 είναι συσχετισμένο με το Sentinel-2 B5 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα έγχρωμο σύνθετο.

Οι μέθοδοι ενίσχυσης οδήγησαν στην ενίσχυση μεμονωμένων καναλιών (ασπρόμαυρες εικόνες) σε ικανοποιητικό βαθμό αλλά λόγω της χαμηλής ορατότητας του ανθρώπινου ματιού, ήταν αδύνατο να διακρίνει τις ελάχιστες φασματικές αποκρίσεις των αντικειμένων στην κλίμακα του γκρι και δεν κατέστη δυνατή η διάκριση φασματικών αποκρίσεων αντικειμένων σε γκρι κλίμακα. Έτσι η ανάγκη για πολυφασματική απεικόνιση οδήγησε στη δημιουργία λάθος έγχρωμων σύνθετων προϊόντων FCC. Ο συνδυασμός FCC14 αποδείχθηκε ως ο πιο κατάλληλος για το διαχωρισμό γραμμικών στοιχείων στις φωτογραφίες. Δυστυχώς παρά τη συνεισφορά του Sentinel-2 B7 στην ίδια αναλογία, δεν κατέστη δυνατός ο εντοπισμός στρωματογραφικών επαφών εκτός από τη χρήση του FCC14 στην περιοχή μελέτης.

Για την εκτίμηση των φωτογραφιών των γραμμικών στοιχείων που εντοπίσθηκαν στον συνδυασμό FCC14 έπρεπε να αναγνωριστούν κάποια φαινόμενα που συνοδεύουν τις ζώνες αστοχίας του εδάφους και για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν χωρικά μοντέλα.

Συμπεράσματα

Η καταγραφή των ρηγμάτων με χρήση δορυφορικών δεδομένων σε συνδυασμό με χρήση χωρικών πληροφοριών μπορεί να οδηγήσει σε αξιόλογα αποτελέσματα. Η εμπειρία είναι εξαιρετικής σημασίας για μια ακριβή φωτοερμηνεία.

Στη συγκεκριμένη μελέτη τα περισσότερα από τα ρήγματα που είχαν καταγραφεί στο παρελθόν με εργασία και έρευνα επί του πεδίου, αναγνωρίσθηκαν και στις δορυφορικές φωτογραφίες. Για το σύνολο των γραμμικών στοιχείων που αναγνωρίσθηκαν στην δορυφορική φωτογραφία και δημιούργησαν υποψία για αστοχία στον φλοιό της γης, συνιστάται η επί τόπου συλλογή στοιχείων για επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων και καλύτερη γνώση της τεκτονικής συμπεριφοράς του εδάφους της περιοχής μελέτης.