«Η ανάλυση των Κύριων Συνιστωσών στην Οριοθέτηση Λιθολογικών Ενοτήτων και στην Αναγνώριση Γεωλογικών Δομών της Νήσου Νάξου

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 22:14, 8 Φεβρουαρίου 2010

Δημοσίευση Εφαρμογής Τηλεπισκόπισης: «Η ανάλυση των Κύριων Συνιστωσών στην Οριοθέτηση Λιθολογικών Ενοτήτων και στην Αναγνώριση Γεωλογικών Δομών της Νήσου Νάξου με τη χρήση Πολυφασματικών TM Εικόνων Landsat» Συγγραφείς: Ε. Γαλανού(1) και Δ. Ρόκος(2) 1) Γεωλόγος, 2) Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Ανάλυση – Παρουσίαση:

Αντικείμενο της εφαρμογής αποτελεί η γεωλογία. Στόχος της έρευνας ήταν να διερευνηθεί το είδος της γεωλογικής πληροφορίας, η οποία είναι δυνατό να εξαχθεί για τη νήσο Νάξο, δηλαδή η διερεύνηση της δυνατότητας οριοθέτησης διαφόρων λιθολογικών ενοτήτων και της αναγνώρισης γεωλογικών δομών της (σχήμα 1). Για την πραγματοποίηση της έρευνας χρησιμοποιήθηκαν δορυφορικές εικόνες Landsat5 TM. Τα πολυφασματικά δεδομένα Landsat TM δίνουν τη δυνατότητα συνοπτικής παρατήρησης μιας ευρύτερης περιοχής αναδεικνύοντας τις κύριες γεωλογικές ενότητες και τα τεκτονικά χαρακτηριστικά της (ρήγματα, πτυχές, άλλα γραμμικά γεωλογικά στοιχεία κ.λπ.). Η ψηφιακή τηλεπισκοπική εικόνα που περιέχει τη νήσο Νάξο, αποτελεί τμήμα με διαστάσεις 840 στήλες και 1095 γραμμές εικόνας που προέρχεται από το θεματικό χαρτογράφο ΤΜ του δορυφόρου Landsat5, με ημερομηνία λήψης 19.7.89. Αποτελείται από επτά κανάλια, στα οποία καταγράφεται η γήινη επιφάνεια σε ορισμένα μήκη κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ΗΜΑ). Το γεωγραφικό πλάτος και γεωγραφικό μήκος του κέντρου της ψηφιακής εικόνας ΤΜ είναι 37ο 48΄ και 26ο 14΄, αντίστοιχα. Το ύψος του ηλίου και το αζιμούθιο κατά την ημερομηνία λήψης της είναι 58ο 86΄ και 113ο 76΄, αντίστοιχα και έχει ληφθεί από τον σταθμό του Fucino (Ιταλία).

Η σειρά που εκπονήθηκαν οι εργασίες στην εφαρμογή ήταν οι εξής: l. Απόκτηση της αρχικής ψηφιακής τηλεπισκοπικής απεικόνισης της περιοχής έρευνας 2. Συλλογή και μελέτη των υφιστάμενων γεωλογικών στοιχείων. 3. Προεπεξεργασίες της αρχικής ψηφιακής τηλεπισκοπικής απεικόνισης 4. Εφαρμογή της τεχνικής της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών και, στη συνέχεια, της κατάλληλης τεχνικής επέκτασης διαβάθμισης του τόνου για δημιουργία νέων βελτιωμένων δευτερογενών εικόνων για οπτική ερμηνεία. 5. Επιλογή των καταλληλότερων δευτερογενών ψηφιακών εικόνων για ανάλυση και οπτική ερμηνεία. 6. Σύγκριση των αποτελεσμάτων της οπτικής ερμηνείας με τα υφιστάμενα γεωλογικά στοιχεία. 7. Πραγματοποίηση επίγειων ελέγχων. 8. Συμπεράσματα.

Αρχικά η δορυφορική εικόνα υποβλήθηκε σε γεωμετρική διόρθωση με τη μέθοδο της οριζοντιογραφικής αναγωγής με τη χρήση γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού. Στη συνέχεια, έγινε ατμοσφαιρική διόρθωση με τη μέθοδο της ρύθμισης των ιστογραμμάτων. Ακολούθως, εφαρμόστηκαν όλες οι τεχνικές επεξεργασίας εικόνας, για να παραχθούν βελτιωμένες ψηφιακές δευτερογενείς εικόνες, κατάλληλες για οπτική φωτοερμηνεία. Με εφαρμογή της τεχνικής της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών (principal component analysis) στα έξι κανάλια (1, 2, 3, 4, 5 και 7) καταγραφής της ανακλώμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τον ΤΜ, προέκυψαν έξι δευτερογενείς εικόνες. Στις εικόνες αυτές εφαρμόστηκαν διάφορες τεχνικές επέκτασης της διαβάθμισης του τόνου 3 (contrast stretching techniques), ώστε να δημιουργηθούν οι πλέον κατάλληλες τελικές δευτερογενείς ψηφιακές εικόνες για ανάλυση και φωτοερμηνεία. Από αυτές επιλέχθηκαν δύο για γεωλογική φωτοερμηνεία. Εκτός από την τεχνική της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών, εφαρμόστηκαν η αντικειμενοστραφής ανάλυση των κύριων συνιστωσών (feature oriented principal component analysis) και η τεχνική της διαφοράς καταλλήλων καναλιών (directed band difference techniques). Οι δευτερογενείς εικόνες, οι οποίες δημιουργήθηκαν με τη χρήση των πιο πάνω τεχνικών, δεν προσέθεσαν νέες πληροφορίες, ωστόσο επιβεβαίωσαν εκείνες που προέκυψαν από την ανάλυση των κύριων συνιστωσών.

Η εφαρμογή της τεχνικής της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών στην επεξεργασία ψηφιακών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων, στηρίζεται θεωρητικά σε γνωστή μέθοδο στατιστικής ανάλυσης πολλών μεταβλητών, κατά την οποία γίνεται αλλαγή του συστήματος συντεταγμένων σε νέο σύστημα ορθογώνιων αξόνων. Η χρήση στην επεξεργασία δορυφορικών εικόνων είναι συχνή αφού επιτυγχάνει σημαντική συμπίεση του όγκου των δεδομένων – μεγάλου ποσοστού σχετικής πληροφορίας - που περιέχονται σε αυτές. Έτσι δημιουργούνται νέες δευτερογενείς εικόνες (οι κύριες συνιστώσες), για τις οποίες ισχύει: α) Οι συνιστώσες-εικόνες (pc-images) είναι μεταξύ τους ασυσχέτιστες και επομένως, η καθεμία από αυτές μεταφέρει διαφορετική πληροφορία. β) Η πρώτη συνιστώσα-εικόνα (pc-1) περιέχει όλη σχεδόν την πληροφορία, την οποία περιέχουν μαζί και οι έξι αρχικές εικόνες.

Η τεχνική της ανάλυσης των κύριων συνιστωσών εφαρμόστηκε στα έξι κανάλια της ανακλώμενης ακτινοβολίας του ΤΜ (band1, band2, band3, band4, band5 και band7) και προέκυψαν οι έξι κύριες συνιστώσες ΡC1, ΡC2, ΡC3, ΡC4, ΡC5 και ΡC6. Η ανάλυση και η φωτοερμηνεία των δευτερογενών αυτών εικόνων στηρίχτηκαν στη μελέτη του πίνακα συντελεστών συσχέτισης των ψηφιακών τιμών των αρχικών καναλιών, του πίνακα μεταβλητότητας-συμμεταβλητότητάς τους, του πίνακα των ιδιοτιμών και του πίνακα των ιδιοδιανυσμάτων, από τον οποίο προέκυψαν οι ψηφιακές τιμές των κύριων συνιστωσών (PCi), καθώς και του γραφήματος των ιδιοδιανυσμάτων (σχ. 3). Από αυτούς διαπιστώθηκε οτι: Η PC1-εικόνα περίκλειε την περισσότερη πληροφορία (97.590%), συμμετέχοντας στη διαμόρφωσή της όλα τα αρχικά κανάλια με θετικό πρόσημο, ενώ το κανάλι 5 συμμετείχε σε μεγαλύτερο ποσοστό. Παρ’ όλα αυτά, δεν επιλέχτηκε για γεωλογική φωτοερμηνεία, διότι τα δεδομένα της αφορούσαν κυρίως στο ανάγλυφο4 και το albedo. l Η πληροφορία, της PC2-εικόνας, αφορούσε στη βλάστηση, αφού στη διαμόρφωσή της συμμετείχαν κυρίως τα κανάλια 4 και 3 με αντίθετα πρόσημα. l Η PC3-εικόνα μετέφερε κυρίως γεωλογική πληροφορία με συμμετέχοντα κανάλια το 4 και το 5 με αντίθετα πρόσημα. l Η PC4-εικόνα μετέφερε σχεδόν την ίδια πληροφορία με το κανάλι 7. l Η PC5-εικόνα μετέφερε κυρίως γεωλογική πληροφορία. Στη διαμόρφωσή της συμμετείχαν κυρίως το κανάλι 3 με αρνητικό πρόσημο και με θετικά πρόσημα τα κανάλια 1 και 2. l Η PC6-εικόνα απέδιδε σχεδόν την ίδια γεωλογική πληροφορία, με τη PC5, αλλά η πρώτη περιείχε περισσότερο θόρυβο επειδή στη διαμόρφωσή της συμμετείχαν τα κανάλια 1 και 2 με διαφορετικά πρόσημα, εμφανίζοντας την υψηλότερη συσχέτιση (πίν. 2).

Για την εφαρμογή επιλέχθηκαν δύο κύριες συνιστώσες η PC3 και η PC5. Η PC3 χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ταυτότητας των λιθολογικών ενοτήτων της δυτικής Νάξου, ενώ η PC5 για το υπόλοιπο τμήμα της νήσου. Για την ερμηνεία των χαρακτηριστικών, που αναδεικνύονται σε μια κύρια συνιστώσα, προσδιορίστηκε το βασικό κανάλι ή τα κανάλια, που συμμετείχαν με υψηλό ποσοστό στη διαμόρφωσή της. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι συντελεστές, με τους οποίους κάθε κανάλι συμμετέχει, και η μεταξύ τους σχέση. Ακολούθησε η φωτοερμηνεία, η οποία, στην περίπτωση που μοναδικά δεδομένα είναι οι ψηφιακές τιμές της συνιστώσας, στηρίζεται στη γνώση της φασματικής συμπεριφοράς διαφόρων σωματιδίων (μορίων, ριζών, ιόντων) κατά την αλληλεπίδρασή τους με την ΗΜΑ στις φασματικές περιοχές καταγραφής των καναλιών του ΤΜ, οι οποίες διαμορφώνουν τη συγκεκριμένη συνιστώσα.

Για την 3η συνιστώσα, από τη μελέτη των ιδιοδιανυσμάτων (πίν. 5, σχ. 3), προέκυψε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό πληροφορίας, η οποία περιέχεται στην εικόνα της προέρχεται από τα κανάλια 4 και 5. Επίσης, συμμετέχουν στη διαμόρφωσή της τα κανάλια 3, 2 και 1 με μικρότερα ποσοστά. Το κανάλι 5 συμμετέχει με αρνητικό πρόσημο, ενώ το κανάλι 4 με θετικό. Τα ορυκτά, που περιέχουν ιόντα δισθενούς σιδήρου, απορροφούν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε τμήμα της περιοχής του φάσματος, στην οποία καταγράφεται η γήινη επιφάνεια από το κανάλι 4 του ΤΜ. Αντίθετα, η απορρόφηση είναι μικρή από τα πιο πάνω ορυκτά στην περιοχή, στην οποία καταγράφεται η γήινη επιφάνεια από το κανάλι 5. Βάση των παραπάνω: 1. Περιοχές, οι οποίες περιέχουν μεταξύ των συστατικών τους ιόντα δισθενούς σιδήρου, απεικονίζονται με σκούρους τόνους (εμφανίζουν υψηλή απορρόφηση στο κανάλι 4 και χαμηλή στο κανάλι 5). 2. Περιοχές, οι οποίες συνίστανται από ανθρακικά πετρώματα ή περιέχουν μεταξύ των συστατικών τους αργιλικά ορυκτά, απεικονίζονται με ανοικτούς τόνους (εμφανίζουν χαμηλή απορρόφηση τόσο στο κανάλι 4 όσο και στο κανάλι 5). Μετά από μελέτη της εικόνας της 3ης κύριας συνιστώσας και λαμβάνοντας υπόψη όσα προαναφέρθηκαν, τα υφιστάμενα γεωλογικά στοιχεία και τους επίγειους ελέγχους, προέκυψαν γεωλογικές πληροφορίες, οι οποίες αφορούν στη λιθολογία και τη δομή της δυτικής Νάξου (σχήμα 2).

Για την 5η συνιστώσα, από τη μελέτη των ιδιοδιανυσμάτων (πίν. 5, σχ. 3), εντοπίστηκε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό πληροφορίας, η οποία περιέχεται στην εικόνα της προέρχεται από το κανάλι 3, το οποίο συμμετέχει με αρνητικό πρόσημο. Τα κανάλια 1 και 2, ακολουθούν συμμετέχοντας με θετικό πρόσημο. Έτσι τονίζονται οι διαφορές μεταξύ του καναλιού 3 και των καναλιών 1 και 2. Τα οξείδια και υδροξείδια του σιδήρου απορροφούν έντονα την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε τμήμα της περιοχής του φάσματος, στην οποία καταγράφεται η γήινη επιφάνεια από τα κανάλια 1 και 2 του ΤΜ. Αντίθετα, η απορρόφηση είναι μικρή από τα πιο πάνω οξείδια στην περιοχή, στην οποία καταγράφεται η γήινη επιφάνεια από το κανάλι 3. Από αυτά προέκυψε ότι: 1. Περιοχές, οι οποίες απεικονίζονται με σκούρους τόνους, συνίστανται από υλικά, τα οποία περιέχουν οξείδια και υδροξείδια του σιδήρου. Αυτό είναι δυνατό να συμβαίνει σε περιοχές, οι οποίες συνίστανται είτε από λιθολογικές ενότητες, οι οποίες περιέχουν εξαλλοιωμένα σιδηρούχα ορυκτά, λόγω ατμοσφαιρικής αποσάθρωσης ή λόγω δράσης υδροθερμικών διαλυμάτων, είτε από έδαφος πλούσιο σε οξείδια και υδροξείδια του σιδήρου. 2. Περιοχές, οι οποίες απεικονίζονται με ανοικτούς τόνους στην 5η συνιστώσα, είναι πιθανόν να συνίστανται είτε από ανθρακικά πετρώματα είτε από λιθολογικές ενότητες, οι οποίες περιέχουν αργιλικά ορυκτά, αλλά δεν περιέχουν οξείδια του σιδήρου. Αυτό το συμπέρασμα προκύπτει, διότι τα παραπάνω υλικά, τόσο στο κανάλι 3 όσο και στα 1 και 2, παρουσιάζουν μικρή απορρόφηση (σχήμα 3).

Στην επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας για την δημιουργία δευτερογενών εικόνων, χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πακέτα Idrisi for Windows v. 2 (πακέτο επεξεργασίας εικόνας και ψηφιδωτού γεωγραφικού συστήματος πληροφοριών) και ERMapper v. 5 (πακέτο επεξεργασίας εικόνας). Έτσι διευκολύνθηκε η οπτική ερμηνεία βάση της γνώσης της φασματικής συμπεριφοράς διαφόρων σωματιδίων, τα οποία αποτελούν συστατικά λιθολογικών ενοτήτων. Με την ολοκλήρωση της οπτικής φωτοερμηνείας προέκυψαν οι πρώτες γεωλογικές πληροφορίες, οι οποίες αφορούν στη λιθολογία και τη γεωλογική δομή της περιοχής έρευνας. Στη συνέχεια, οι υφιστάμενες γεωλογικές πληροφορίες τροφοδότησαν με νέα στοιχεία τις πρώτες πληροφορίες. Ακολούθως, πραγματοποιήθηκαν οι επίγειοι έλεγχοι και προέκυψε η τελική πληροφορία.

Add Your Content Here