Метады апрацоўкі спадарожнікавых здымкаў у геафізіцы
Спадарожнікавае дыстанцыйнае зандзіраванне стала найважнейшай асновай сучасных геафізічных даследаванняў і іх прымянення. Дзякуючы спадарожнікавым здымкам геафізікі могуць шырока, перыядычна і паслядоўна назіраць за паверхняй Зямлі — ад геалагічных характарыстык і тэктанічнай дынамікі да змяненняў берагавой лініі і дэфармацыі паверхні, выкліканай землятрусамі або вулканічнай актыўнасцю. Аднак спадарожнікавыя здымкі не так проста выкарыстоўваць. Для паляпшэння якасці дадзеных, атрымання адпаведнай геафізічнай інфармацыі і мінімізацыі перашкод, такіх як аблокі, шум або геаметрычныя скажэнні, патрабуецца шэраг метадаў апрацоўкі. У гэтым артыкуле абмяркоўваюцца асноўныя метады апрацоўкі спадарожнікавых здымкаў у геафізічным кантэксце, ад папярэдняй апрацоўкі да паглыбленага аналізу.
1. Тыпы спадарожнікавых здымкаў, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў геафізіцы
У геафізіцы часта выкарыстоўваюцца некалькі тыпаў спадарожнікавых дадзеных:
1. Мультыспектральная оптыка (напрыклад, Landsat, Sentinel-2)
Забяспечвае інфармацыю аб адлюстраванні паверхні на розных даўжынях хваль. Карысна для картаграфавання літалогіі, змяненняў мінералаў, расліннасці (як ускосны паказчык глебавых умоў) і змяненняў ландшафту.
2. Цеплавыя (напрыклад, Landsat TIRS, MODIS)
Вымярэнне цеплавых выпраменьванняў паверхні для аналізу цеплавых анамалій, напрыклад, маніторынг вулканаў, лававых патокаў або змяненняў тэмпературы паверхні, звязаных з гідратэрмальнай актыўнасцю.
3. Радар (радар з сінтэтычнай апертурай/SAR: Sentinel-1, ALOS PALSAR)
Здольны пранікаць скрозь воблакі і працаваць кругласутачна, ён неабходны для картаграфавання структур, змяненняў паверхні і аналізу дэфармацый з выкарыстаннем метадаў InSAR.
4. Спадарожнікавая альтыметрыя і гравітацыя (напрыклад, CryoSat, GRACE/GRACE-FO)
Хоць гэтыя дадзеныя і не з'яўляюцца «выявамі» ў звычайным візуальным сэнсе, яны часта апрацоўваюцца ў геафізічныя карты, такія як змены ў масе вады, анамаліі гравітацыі або змены ў таўшчыні лёду.
Выбар тыпу дадзеных будзе вызначаць адпаведны паток апрацоўкі, паколькі шумавыя характарыстыкі, раздзяляльная здольнасць і фізічныя ўласцівасці сігналаў адрозніваюцца.
2. Папярэдняя апрацоўка: аснова якасці аналізу
Этап папярэдняй апрацоўкі мае на мэце падрыхтаваць дадзеныя такім чынам, каб яны былі прыдатнымі для колькаснага аналізу і маглі параўноўвацца з цягам часу або паміж датчыкамі.
а. Радыеметрычныя і атмасферныя папраўкі
Аптычныя выявы фіксуюць інтэнсіўнасць, на якую ўплываюць атмасферныя ўмовы (аэразолі, вадзяная пара) і вугал сонечнага выпраменьвання. Радыеметрычная карэкцыя пераўтварае лічбавыя значэнні (ЛЗ) у фізічна значныя каэфіцыенты адлюстравання або яркасці. Атмасферная карэкцыя, напрыклад, з выкарыстаннем метаду аднімання цёмных аб'ектаў або падыходаў на аснове атмасфернай мадэлі, дапамагае атрымаць больш дакладныя дадзеныя аб каэфіцыенце адлюстравання паверхні. У геафізіцы гэта вельмі важна, каб адрозненні ў спектральных значэннях сапраўды адлюстроўвалі адрозненні ў матэрыяле або ўмовах паверхні, а не атмасферныя змены.
б. Геаметрычная карэкцыя, артапраектыфікацыя і рэпраекцыя
Геаметрычныя скажэнні могуць узнікаць з-за вуглоў сканавання датчыкаў, тапаграфіі і руху спадарожніка. Артарэктыфікацыя выкарыстоўвае лічбавую мадэль рэльефу (DEM) для карэкцыі рэльефных эфектаў, каб пазіцыі пікселяў супадалі з рэальнымі каардынатамі. Гэты крок мае вырашальнае значэнне для картаграфавання разломаў, складак, літалагічных межаў або змяненняў паверхні, якія патрабуюць высокай прасторавай дакладнасці.
c. Маскіроўка аблокаў і ценяў
У аптычных здымках аблокі з'яўляюцца сур'ёзнай перашкодай. Метады маскіроўкі выкарыстоўваюць дыяпазоны якасці (дыяпазоны QA), спектральныя парогі або алгарытмы, такія як Fmask, для ідэнтыфікацыі аблокаў і іх ценяў. Для даследаванняў змяненняў рэльефу або геалагічнага картаграфавання ў трапічных рэгіёнах часта выкарыстоўваюцца стратэгіі шматчасовага кампазіціравання, каб "запоўніць" абласці, схаваныя аблокамі.
г. Фільтрацыя плям для дадзеных SAR
На здымках SAR ёсць характэрны шум, які называецца крапчатасць. Для памяншэння крапчатасці без страты дэталізацыі па краях, што важна для інтэрпрэтацыі геалагічных структур, выкарыстоўваюцца розныя фільтры (Лі, Фрост, Гама-MAP). Выбар фільтра патрабуе балансу: занадта агрэсіўны фільтр зацямніць лінеамент, а занадта слабы — шум.
3. Паляпшэнне выявы для геалагічнай інтэрпрэтацыі
Пры структурным і літалагічнай картаграфіі паляпшэнне выявы накіравана на вылучэнне пэўных асаблівасцей для лёгкага распазнавання.
а. Кампазіт палос і трансфармацыя колеру
Кампазіцыі RGB з пэўных палос могуць падкрэсліць адрозненні ў матэрыялах. Напрыклад, спалучэнне блізкага інфрачырвонага і караткахвалевага інфрачырвонага дыяпазонаў часта эфектыўнае для адрознення тыпаў горных парод або зон змяненняў. Тэхнікі дэкарэляцыйнага расцяжэння таксама выкарыстоўваюцца для ўзмацнення кантрасту паміж палосамі, што робіць бачнымі нязначныя адрозненні.
б. Завострыванне і прасторавае пераўтварэнне
Высокачастотны фільтр або нерэзкая маскіроўка могуць падкрэсліць краю і лінеаменты, якія часта асацыююцца з зонамі разломаў або разломаў. Акрамя таго, тэкстурны аналіз (напрыклад, GLCM — матрыца сумеснага ўзнікнення ўзроўняў шэрага) дапамагае колькасна ацаніць разнастайнасць паверхневых узораў, што карысна для адрознення геамарфалагічных і літалагічных адзінак.
c. Спектральнае пераўтварэнне: PCA і суадносіны палос
Аналіз галоўных кампанент (АПК) памяншае памернасць мультыспектральных дадзеных і вылучае дамінуючыя варыяцыі, якія могуць быць звязаны з геалагічнымі адрозненнямі. Суадносіны зон часта выкарыстоўваюцца ў разведцы карысных выкапняў, паколькі некаторыя мінералы маюць характэрнае паглынанне на пэўных даўжынях хваль. У прыкладной геафізіцы суадносіны зон могуць даць пачатковае ўяўленне аб перспектыўных зонах перад палявымі даследаваннямі або падрабязнай геафізікай.
4. Класіфікацыя і здабыванне інфармацыі
Пасля таго, як выява будзе гатовая, наступным крокам будзе сістэматычнае здабыванне геафізічнай інфармацыі.
а. Класіфікацыя з кантролем і без кантроля
Кіраваная класіфікацыя (напрыклад, SVM, Random Forest) патрабуе навучальных дадзеных з палявых даследаванняў або эталоннай карты. Некіраваная класіфікацыя (k-сярэднія, ISODATA) групуе пікселі на аснове спектральнага падабенства без папярэдняй маркіроўкі. У геафізіцы вынікі класіфікацыі могуць дапамагчы ў картаграфаванні літалогіі паверхні, размеркавання адкладаў, зон гідратэрмальных змяненняў або геамарфалагічных адзінак, звязаных з тэктанічнымі працэсамі.
б. Сегментацыя і аб'ектна-арыентаваны аналіз малюнкаў (OBIA)
OBIA групуе пікселі ў аб'екты на аснове спектру і формы, а затым класіфікуе іх. Гэты метад часта лепш падыходзіць для здымкаў з высокім разрозненнем, таму што геалагічныя структуры, такія як лінеаменты, алювіяльныя канары або дрэнажныя схемы, маюць большае значэнне як аб'екты, чым асобныя пікселі.
c. Выманне лінеаментаў
Лінеаменты — гэта лінейныя аб'екты, якія могуць прадстаўляць разломы, расколіны або літалагічныя кантакты. Метады здабывання ўключаюць выяўленне краёў (Кэні, Собел), пераўтварэнне Хафа і накіраваную фільтрацыю. Карты лінеаментаў затым можна параўнаць з іншымі геафізічнымі дадзенымі, такімі як магнітныя анамаліі або сейсмічныя дадзеныя, для інтэрпрэтацыі падпаверхневых структур.
5. Інтэрфераметрыя SAR (InSAR) для дэфармацыі паверхні
Адным з найвялікшых унёскаў спадарожнікавых здымкаў у геафізіку з'яўляецца InSAR, які выкарыстоўвае рознасць фаз радарных хваль з двух або больш здымкаў для разліку змяненняў адлегласці ад спадарожніка да паверхні. З дапамогай InSAR дэфармацыі ад некалькіх сантыметраў да міліметраў могуць быць адлюстраваны на вялікіх плошчах для:
– касейсмічная і постсейсмічная дэфармацыя,
– вулканічная інфляцыя/дэфляцыя,
– прасяданне зямлі з-за адбору грунтавых вод,
– устойлівасць схілаў і апоўзні.
Апрацоўка InSAR уключае сурэгістрацыю малюнкаў, фарміраванне інтэрфераграмы, тапаграфічнае памяншэнне фазы (з выкарыстаннем DEM), фазавую фільтрацыю, разгортванне і атмасферную карэкцыю. Метады часовых шэрагаў, такія як PSInSAR або SBAS, павышаюць дакладнасць, аналізуючы некалькі малюнкаў на працягу доўгага перыяду.
6. Інтэграцыя з іншымі геафізічнымі дадзенымі і праверка палявых дадзеных
Спадарожнікавыя здымкі рэдка сустракаюцца асобна. Найбольшая каштоўнасць іх узнікае ў спалучэнні з іншымі геафізічнымі дадзенымі, такімі як:
– магнітныя і гравітацыйныя метады для ацэнкі структуры і шчыльнасці падземных пластоў,
– сейсмічныя дадзеныя для геаметрыі пластоў і разломаў,
– геахімія для праверкі змяненняў,
– GPS і нівеліраванне для праверкі вынікаў дэфармацыі InSAR.
Палявая праверка застаецца важнай, асабліва для пацверджання літалагічных інтэрпрэтацый, пацверджання актыўных разломаў і адбору проб.
7. Праблемы і напрамкі развіцця
Сярод асноўных праблем апрацоўкі спадарожнікавых здымкаў у геафізіцы — тапаграфічная неаднароднасць, воблачнасць, адрозненні ў характарыстыках датчыкаў і вылічальныя патрабаванні да вялікіх набораў дадзеных. Аднак развіццё воблачных вылічэнняў і такіх платформаў, як Google Earth Engine, разам з дасягненнямі ў галіне машыннага навучання і глыбокага навучання паскарае шматчасовую і шматдатчыкавую апрацоўку дадзеных. У будучыні інтэграцыя аптычных, SAR, цеплавых і класічных геафізічных спадарожнікавых дадзеных яшчэ больш палепшыць магчымасці маніторынгу дынамічных працэсаў Зямлі ў рэжыме, блізкім да рэальнага часу.
Закрыццё
Метады апрацоўкі спадарожнікавых здымкаў у геафізіцы ўключаюць папярэднюю апрацоўку (радыеметрычную, геаметрычную і фільтруючую карэкцыі), паляпшэнне выяваў, класіфікацыю і вылучэнне прыкмет, а таксама пашыраны аналіз, такі як InSAR, для дэфармацыі паверхні. Пры правільным падыходзе спадарожнікавыя здымкі могуць быць вельмі эфектыўным інструментам для разумення геалагічных і геадынамічных працэсаў, падтрымкі разведкі рэсурсаў і ліквідацыі наступстваў стыхійных бедстваў. Ключ да поспеху заключаецца ў правільным выбары дадзеных, дбайнай апрацоўцы, інтэграцыі некалькіх крыніц і адэкватнай палявой праверцы.
