Διάκριση των λατεριτών πετρωμάτων χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat, Aster και Ali

Από RemoteSensing Wiki

Διάκριση των λατεριτών πετρωμάτων χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat, Aster και Ali – Παραδείγματα από την Ερυθραία και την Αραβία.

Deller Andrews M.E., Facies discriminations in laterites using Landsat Thematic Mapper, Aster and Ali data – examples from Eritrea and Arabia, International Journal of Remote Sensing, Vol 27, No. 12, 20 June 2006, 2389 – 2409[6].

Αντικείμενο και στόχος μελέτης

Τα λατερικά πετρώματα[7] καλύπτουν περίπου το 33% της επιφάνειας της γης. Η μελέτη αυτή παρουσιάζει τον τρόπο με τον οποίο οι φασματικές ιδιότητες των αργιλικών και σιδηρικών ορυκτών, χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση και χαρτογράφηση των λατερικών πετρωμάτων και της σύστασής τους, εφαρμόζοντας τεχνικές ψηφιακής τηλεσκόπησης. Η χρησιμοποίηση δορυφορικών δεδομένων και τεχνικών επεξεργασίας εικόνας αποδεικνύεται ιδανική για την αποτελεσματική χαρτογράφηση των λατεριτών σε μεγάλες περιοχές με δύσβατο έδαφος, έτσι ώστε να γίνει αξιολόγηση της οικονομικής σημασίας τους. Παράληλα η χαρτογράφηση της διανομής των λατεριτών σε σχέση με την τοπογραφία ρίχνει φως στην τεκτονική εξέλιξη της ΒΑ Αφρικής και παρέχει ενδείξεις για το αρχαίο επίγειο κλίμα.

Περιοχή μελέτης

Η περιοχή των δοκιμών(βλέπε εικόνα 1) καλύπτει μια έκταση των 700 km2 και βρίσκεται 100 χιλιόμετρα νοτιοδυτικά της Ασμάρα, πρωτεύουσα της Ερυθρέας. Συνορεύει δυτικά με την πεδιάδα της Mensuru και ανατολικά με την Ερυθρά θάλασσα. Πρόκειται για μια περιοχή με ελαφριά βλάστηση που κυριαρχείται από έντοντους γκρεμούς και πλαγιές, ιδανική για λεπτομερείς εδαφικές μελέτες της ορυκτολιγικής σύστασης των λατερικών πετρωμάτων, αλλά και για την τηλεανίχνευσή της.

Εικόνα 1 : Περιοχή μελέτης.[1]πηγή

Συλλογή δεδομένων
Τα δορυφορικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα εξής: • Μια ψηφιακή εικόνα Landsat – 5TM • Μια ψηφιακή εικόνα Landsat – 7ETM • Μια ψηφιακή εικόνα Level – 1B Aster • Μια ψηφιακή εικόνα Ali Σε όλες της ψηφιακές απεικονίσεις που χρησιμοποιήθηκαν, έγινε γεωαναφορά των εικόνων και καταχωρήθηκαν σε συντεταγμένες UTM. Όλες οι εικόνες αποκτήθηκαν κατά την περίοδο της ξηρασίας, έτσι ώστε να μειωθεί η επιπλοκή από την επίδραση της βλάστησης κατά την φασματική επεξεργασία των εικόνων. Επίσης πραγματοποιήθηκαν εδαφικές και γεωλογικές μελέτες στην περιοχή. Το αποτέλεσμα ήταν να καθοριστούν 200 τοποθεσίες για την επικύρωση των δορυφορικών δεδομένων και την επεξεργασία τους. Από αυτές τις τοποθεσίες λήφθηκαν δείγματα για τη μελέτη της ορυκτολογικής σύστασης των λατεριτών, έτσι ώστε μετέπειτα να γίνει σύγκριση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της επεξεργασίας των ψηφιακών απεικονίσεων.

Μεθοδολογία

Γίνεται επιλογή των στοιχείων και τεχνικών επεξεργασίας εικόνας που θα χρησιμοποιηθούν για την αναγνώριση και χαρτογράφηση των διαφόρων λατερικών πετρωμάτων που υπάρχουν στην περιοχή, η οποία βασίζεται στις ξεχωριστές φασματικές καμπύλες απόκρισης φωτεινότητας των ορυκτών που χαρακτηρίζουν των λατερίτες (βλέπε εικόνα 2). Επιλέγονται τα κανάλια από κάθε δορυφόρο που παρουσιάζουν καλύτερα τα διακριτικά φασματικά χαρακτηριστικά των ορυκτών από τα οποία αποτελούνται οι λατερίτες. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται συνδυασμοί καναλιών και λόγων καναλιών για την ανάδειξη των φασματικών χαρακτηριστικών του κάθε φασματικού στόχου – ορυκτού (Endmember[8]). Διαλέγονται συνδυασμοί καναλιών και λόγοι καναλιών που ξεχωρίζουν φασματικά τον αιματίτη, το γαιτίτη και τον καολινίτη. Ουσιαστικά οι λατερίτες που βρίσκονται στην Ερυθρέα είνα φασματικές αναμίξεις αυτών των τριών φασματικών στόχων, αφού αυτά είναι τα τρία κυριότερα ορυκτά από τα οποία αποτελούνται. Τα αποτελέσματα αυτών των συνδυασμών είναι ψηφιακές εικόνες που απεικονίζονται μέσω προσθετικών έγχρωμων σύνθετων, χρησιμοποιώντας τα τρία κύρια χρώματα, δηλαδή το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε (RGB). Σε όποια έγρωμα σύνθετα κρίνεται απαραίτητο εφαρμόζονται τεχνικές ενίσχυσης της αντίθεσης της φωτεινότητάς τους, μεταβάλοντας κάθε μία από τις τρεις συνιστώσες (την κόκκινη, τη μπλε και την πράσινη), αναξάρτητα της μίας από την άλλη, με σκοπό τη βελτίωση του χρωματικού κορεσμού των εικόνων. Η φασματικές αναμίξεις – υπογραφές αυτών των ορυκτών, οι οποίες αναγνωρίζονται από την απόχρωση που έχουν στις ψηφιακές εικόνες ύστερα από την διαδικασία επεξεργασίας που έχουν υποστεί, χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των λατερικών πετρωμάτων. Έπειτα γίνεται έλεγχος και επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της επεξεργασίας των ψηφιακών εικόνων με τις εδαφικές μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στην περιοχή. Κάθε χρώμα ερμηνεύεται ως μία μονάδα χάρτη – εικονοστοιχείο και ένας γεωλογικός χάρτης παράγεται από ψηφιοποίηση επί της οθόνης των εν λόγω μονάδων – εικονοστοιχείων. Τα λογισμικά που χρησιμοποιήθηκαν για όλη αυτή τη διαδικασία είναι το TNT και Lite και το TNT Mips[9].

Εικόνα 2 : (α) Φασματικές καμπύλες των ελαφριών ορυκτών και της βλάστησης σε σχέση με τη φασματική απορρόφηση στα κανάλια του LANDSAT TM και του Aster (β) Φασματικές καμπύλες των ορυκτών πλούσια σε σίδηρο και χλωρίτη σε σχέση με τη φασματική απορρόφηση στα κανάλια του LANDSAT TM ,του Aster και του ALi.[2]πηγή

Αποτελέσματα επεξεργασίας Landsat TM εικόνων[10]

Τα κανάλια που παρουσιάζουν καλύτερα τα διακριτικά φασματικά χαρακτηριστικά των λατερικών ορυκτών είναι τα TM2, TM3, TM4, TM5, TM7 σε διάφορους RGB συνδυασμούς καναλιών και RGB εικόνων – λόγων. Συγκεκριμένα ο TM2 ξεχωρίζει από τον αιματίτη από τον γκετίτη. Ο ΤΜ3 παρουσιάζει υψηλή ανάκλαση για τον χαλαζία και τον καολινίτη. Τα οξείδια του σιδήρου παρουσιάζουν ζώνη φασματικής απορρόφησης στο ΤΜ4. Ο ΤΜ5 λόγω της υψηλής ανάκλασης που παρουσιάζει σε όλα τα ορυκτά και της χαμηλής ανάκλασης για τη βλάστηση, είναι χρήσιμος για συνδυασμούς σε λόγους καναλιών. Ορυκτά που συσχετίζονται με άργιλο (Clay – EA – OH, Mg – OH) παρουσιάζουν ζώνη φασματικής απορρόφησης στο κανάλι ΤΜ7. • Η Landsat TM742 εικόνα παρέχει μια εξαιρετική βάση(βλέπε εικόνα 3) για τη γενικότερη γεωλογική ερμηνεία της περιοχής και την ανίχνευση λατερικών πετρωμάτων. • Η Landsat TM5/4-3/2-7/5 εικόνα – λόγος ξεχωρίζει τα λατερικά πετρώματα με διαφορετική ποσοτική σύσταση σε οξείδια του σιδήρου. • Η Landsat TM754 ξεχωρίζει τα λατερικά πετρώματα από τους βασάλτες. • Η Landsat TM PC2 – PC2 – PC4 εικόνα είναι χρήσιμη για τη χαρτογράφηση και ανίχνευση των λατεριτών σε αστικοποιημένες περιοχές. Στη συγκεκριμένη εικόνα εφαρμόστηκε μετασχηματισμός σε κύριες συνιστώσες (PCA[11]) με σκοπό να εξαλείψουν ή να ελαττώσουν σε ένα βαθμό, τα προβλήματα που παρουσιάζονται από τη συσχέτιση μεταξύ των τριών καναλίων (του ΤΜ2, του ΤΜ3 και του ΤΜ4).

Εικόνα 3 : LANDSAT TM 742 έγχρωμη σύνθετη εικόνα της περιοχής μελέτης.[3]πηγή

Αποτελέσματα επεξεργασίας Aster εικόνων[12]

Ο δορυφόρος Αster παρέχει σχεδόν ισοδύναμες εικόνες με αυτές του δορυφόρου Landsat όσον αφορά στη χαρτογράφηση και την ανίχνευση των λατερικών πετρωμάτων. Τα πλεονεκτήματά του έναντι του Landsat είναι ότι έχει χωρική διακριτκή ικανότητα της τάξεως των 15 μέτρων, ενώ ο Landsat έχει χωρική διακριτική ικανότητα της τάξεως των 30 μέτρων κάτι που είναι πολύ χρήσιμο για τοπογραφικές διεργασίες αλλά και για εδαφικές παρατηρήσεις. Επίσης τα ορυκτά που συσχετίζονται με το άργιλο (AI – OH – Mg – OH) παρουσιάζουν ζώνη φασματικής απορρόφησης σε τέσσερα κανάλια του δορυφόρου Aster (6,7,8,9), έναντι ενός του Landsat με αποτέλεσμα η διάκρισή τους να είναι καλύτερη στις ψηφιακές εικόνες του Aster. Η διάκριση των λιθολογικών διαφορών στις δορυφορικές απεικονίσεις τοτυ Landsat, είναι καλύτερη όταν η επιφάνεια της περιοχής έχει χαμηλή βλαστική κάλυψη, κάτι που δεν επηρεάζει σε τέτοιο βαθμό τις απεικονίσεις από το δορυφόρο Aster. To κανάλι 6 του Aster ξεχωρίζει ικανοποιητικά τα ορυκτά που σχετίζονται με άργιλο. Το κανάλι 3 του Aster παρουσιάζει υψηλές τιμές ανάκλασης για τον καολινίτη. Τα οξείδια του σιδήρου παρουσιάζουν ζώνη φασματικής απορρόφησης στο κανάλι 4 . • Η Aster 631(βλέπε εικόνα 4) εικόνα είναι παρόμοια με τη Landsat TM742 εικόνα. Παρέχει μία εξαιρετική βάση για τη γενικότερη ερμηνεία της περιοχής και διακρίνεται και ο καολινίτης. • Η Aster 4/3 – 2/1 – 6/4 εικόνα – λόγος ξεχωρίζει τον ferricrete από την mottled zone. Σε γενικές γραμμές οι Landsat εικόνες – λόγοι δίνουν καλύτερα αποτελέσματα από τις Aster εικόνες – λόγοι.

Αποτελέσματα επεξεργασίας ΕΟ – 1 ALi εικόνων[13]

Εικόνα 4 : (α) Aster 631 Έγχρωμη σύνθετη εικόνα (β) ASTER 4/3,2/1,6/4 έγχρωμη σύνθετη εικόνα.[4]πηγή

Τα ALi δορυφορικά δεδομένα είναι πιο δαπανηρά από αυτά του Aster και του Landsat και δεν είναι άμεσα διαθέσιμα εκτός αν πραγματοποιηθεί αίτηση απόκτησης των δεδομένων. Τα κανάλια 1,2,3 και 4 παρέχουν πιο ολοκληρωμένη κάλυψη των οξειδίων του σιδήρου και οι ζώνες φασματικής απορρόφησής του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λιθολογική διάκριση του αιματίτη, του γαιτίτη και του ιαροσίτη. Τρία από το εννέα κανάλια του ALi (5,6,7) είναι πιο κατάλληλα από αυτά του Landsat και του Aster, για την κάλυψη της κρυσταλλικής απορρόφησης Fe3 του αιματίτη, γαιτίτη και του ιαροσίτη. Η ALi 765(βλέπε εικόνα 5) εικόνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την ανίχνευση σιδήρου.

Εικόνα 5 : Ali 765 Έγχρωμη σύνθετη εικόνα της περιοχής μελέτης. Τα λατερικά πετρώμετα πλούσια σε σίδηρο φάινονται με κόκκινο.[5]πηγή

Συμπεράσματα

Η αναγνώριση και χαρτογράφηση των λατερικών πετρωμάτων είναι εφικτή, με τη χρησιμοποίηση δορυφορικών δεδομένων από τους δορυφόρους Landsat TM, Aster και ALi. Η διαφοροποιήσεις ορυκτών που υπάρχουν στα λατερικά πετρώματα μπορούν να διακριθούν ικανοποιητικά λόγω των διακριτών φασματικών χαρακτηριστικών τους. Απλοί RGB συνδυασμοί καναλιών και λόγων καναλιών είναι τα πιο αποτελεσματικά μέσα για τη χαρτογράφηση των λατεριτών. Τόσο ο Landsat TM και ο Aster ικανοποιούν τις ανάγκες για χαμηλού κόστους, ταχείας, ακριβούς και αποτελεσματικής χαρτογράφησης των λατεριτών, η αξία των οποίων δε θα έπρεπε να υποτιμάται.