Разработка методики обработки многозональных космических изображений для решения геологических задач

Минерально-сырьевая база является основой любого промышленно развитого государства, поэтому поисково-разведочные работы полезных ископаемых постоянно развиваются и совершенствуются. При геологическом изучении территории и, в поисково-разведочных работах используются самые совершенные технологии обработки экспериментальных данных, и прежде всего, основанные на современных достижениях компьютерных технологий.

В геологии одним из наиболее актуальных и перспективных направлений является разработка автоматизированных технологий тематической обработки многозональных космических изображений для решения различных съёмочных и поисково-разведочных задач, а также прикладных геологических и геофизических задач, связанных с прогнозом опасных природных процессов, например, с прогнозом землетрясений.

Для территории Чили использование материалов дистанционного зондирования поверхности Земли имеет особое значение, не только потому, что аэрокосмические технологии, занимающие важное место в современных науках о Земле, позволяют получить новую тематическую геопространственную информацию, но еще и потому, что большая часть её территории занята труднодоступными высокогорными хребтами Анд (высота до 6880 м), где имеется много вулканов, и случаются частые землетрясения. В этих условиях применение известных и разработка новых автоматизированных компьютерных технологий обработки космических изображений с целью получения различной геологической информации с учетом геолого-географических особенностей территории Чили является очень актуальной проблемой, решение которой способствует получению новой геологической информации, повышению достоверности и оперативности её получения, а также прямому и косвенному экономическому эффекту — резкому снижению затрат на геолого-поисковые, прогнозные и другие виды работ, нацеленных на расширение минерально-сырьевой базы Чили и на осуществление прогноза землетрясений и других природных катастрофических явлений.

Актуальность данных научных исследований становится тем более очевидной, если учесть, что научных работ подобного рода в Чили до настоящего времени не производилось. Научные исследования, связанные с использованием динамики системы линеаментов, выявленной по космическим изображениям, в качестве предвестника землетрясений вообще являются пионерными в науке.

Целью работы является разработка методики обработки многозональных космических изображений для решения геологических задач с учётом геолого-географических особенностей территории Чили.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

• проведение обзора и анализа существующих классификаций геологических задач и компьютерных технологий их решения;

• проведение обзора и анализа технических средств дистанционного зондирования поверхности Земли и программных средств получения и предварительной обработки космической информации для решения различных геологических и географических задач;

• проведения обзора, анализа и выбора программных средств тематической обработки космической информации и разработка собственных программных модулей для решения задач, сформулированных в данной диссертации;

• проведение эксперимента по практическому использованию разработанной методики автоматизированной обработки многозональных космических изображений применительно к геолого-географическим особенностям территории Чили:

— изучение спектральных характеристик горных породсравнительный анализ геологической информативности космических изображений в зависимости от их оптических зонсравнительный анализ информативности космических изображений в зависимости от их разрешающей способности;

• комплексный анализ геологического строения, металлогенных, геофизических аномалий и линеаментов, выявленных в результате автоматизированного линеаментного анализа многозональных космических изображений с целью обнаружения их корреляции и осуществления на этой основе прогноза полезных ископаемых. • отработка метода прогноза землетрясений на основе использования в качестве предвестника закономерности, проявляющейся в динамике систем линеаментов, выявляемых при автоматизированной обработке космических изображений.

Основным фактическим материалом послужили космические изображения, полученные при помощи приборного комплекса ASTER в 14 спектральных каналах с пространственным разрешением от 15 до 90 метров. В работе в основном использовались изображения, полученные в первых трёх каналах: 0,52−0,60 мкм, 0,63−0,69 мкм и 0,78−0,86 мкм.

Автоматизированный поиск линеаментов осуществлялся при помощи пакета LESSA. Большинство программ по вторичной обработке цифровых космических изображений, было написано самим автором на языке MATLAB.

Методика исследования включала:

• изучение литературных и картографических материалов;

• изучение и получение практических навыков работы с программными пакетами ERDAS, IDRISI, MATLAB, LESSA.

• разработка собственного программного обеспечения для решения конкретных задач, сформулированных в диссертации;

• подбор многозональных космических изображений на тестовые участкиопределение оптимальных условий получения геологической информации в зависимости от типа и разрешающей способности зонального космического изображенияавтоматизированную обработку космических изображений с использованием разных программных средств для получения требуемой геологической информацииотработку методики прогнозирования землетрясений на основе космического (линеаментного) мониторинга сейсмических зон.

Научная новизна работы заключается в следующем: Разработан классификатор горных пород в зависимости от их спектральных характеристик применительно к геолого-географическим особенностям строения территории Чили;

На основе изучения корреляционных зависимостей геологического строения, металлогинии, магнитных аномалий и линеаментов установлена связь рудных полезных ископаемых (Аи, Си, Mn, Fe) и магнитных аномалий с диагональной системой трещиноватости. Установлено, что в, геологическо-географических условиях Чили наибольшей информативностью для региональных линеаментов является канал 3 (0,78−0,86 мкм), а для локальных (штрих-линеаментов) -канал 1 (0,52−0,60 мкм);

Выявлено, что в период, предшествующих землетрясению (за 1−2 месяца), значительно усиливается степень выраженности согласных и секущих по отношению к простиранию геологических структур линеаментов, а после землетрясения примерно за этот же отрезок времени система линеаментов приходит в первоначальное состояние.

Предмет защиты может быть сформулирован в виде следующих положений:

1. Разработан классификатор изверженных и осадочных горных пород в зависимости от их спектральных характеристик;

2. Осуществлена комплексная оценка информативности многозональных космических изображений в зависимости от оптической зоны их получения. Установлено, что в геолого-географических условиях Чили наиболее информативен для выделения сквозных (региональных) линеаментов канал 3 (0,780,86 мкм), а для локальных линеаментов — канал 1 (0,52−0,60 мкм).

3. Осуществлён комплексный анализ геологических и металлогенических карт, карты магнитных аномалии и схем линеаментов, полученных при автоматизированной обработке космических изображений. Установлено, что зоны линеаментов контролируют положение и форму магнитных и геохимических (металлогенических) аномалий, что позволяет более целенаправленно планировать и проводить поисково-разведочные работы.

4. Разработана методика прогноза землетрясений для геолого-географических условий Чили на основе использования в качестве предвестника динамики системы линеаментов: за 1−2 месяца до землетрясения значительно увеличивается плотность и степень выраженности линеаментов, при этом главное развитие получают секущие по отношению к главным геологическим структурам Андчерез 1−2 месяца после землетрясения система линеаментов возвращается в исходное состояние.

5. Разработаны программные пакеты, позволяющие производить оперативный анализ спектральных характеристик горных пород вдоль заданного профиля и облегчающие выработку классификатора изверженных и осадочных горных пород, а также программные пакеты, позволяющие производить сравнительный анализ полей плотностей линеаментов для изображений, полученных на различных стадиях подготовки землетрясений.

Основные результаты выполненных исследований предложены для использования в геологической службе Чили. Установленная практическая связь металлогенных и магнитных аномалий с зонами линеаментов (трещиноватости) уже сейчас может быть использована для переосмысления существующего перспективного плана поисков рудных полезных ископаемых (Аи, Си, Mn, Fe, и др.) на территории Чили.

Предложенный метод прогнозирования землетрясений может служить основой для организации космического сейсмологического мониторинга на территории Чили, главная цель которого выявление за 1−2 месяца до начала землетрясения изменение систем линеаментов тем, чтобы могли подключиться гораздо более дорогостоящие наземные методы прогноза (геофизические, геохимические, геодезические и др.) для уточнения места, силы и времени землетрясения.

Основные научные и практические результаты работы доложены на международных конференциях: 35th COSPAR Scientific Assembly, Париж, Франция, 18−25 июля 2004 г, XI Latin American Symposium on Remote Sensing and Spatial Information Systems, Сантьяго, Чили, 22−26 ноября, 2004 г, 59-й юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, 8−9 апреля 2004 г.

По результатам выполненных исследований по теме диссертации автором опубликовано 5 статей (в соавторстве), и 3 тезиса международных конференций.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, который насчитывает 106 наименований. Объём диссертации составляет 170 страниц основного текста, включая 10 таблиц, 43 иллюстраций.

Основные выводы к диссертации:

1. Предложенный способ быстрого анализа спектральных характеристик позволил существенно сократить время поиска классификационных признаков и выработку спектрального классификатора по каждому из образцов горных пород и проверить возможность их разделения.

2. Сравнительный анализ схем сквозных линеаментов и полей плотностей, роз диаграмм и других статистических показателей распределения штрихов-линеаментов, полученных при автоматизированном линеаментном анализе многозональных космических изображений, показал, что в геолого-географических условиях Чили целесообразно использовать изображения двух оптических зон спектра: 0,52−0,60 мкм и 0,78−0,86 мкм.

3. Выявлена ортогональная система линеаментов, которая сечёт геологические структуры и коррелирует с разрывными нарушениями, выявленными геофизическими методами, и с магнитными аномалиями.

4. Установлена приуроченность ареалов меди, золота и железа в узлах пересечений зон сквозных линеаментов, что позволяет локализовать проведение поисковых и поисково-разведочных работ на территории Чили.

5. Выявлено закономерное изменение систем линеаментов в подготовительную и завершающую стадии землетрясения. Увеличение количества линеаментов начинается за несколько месяцев до землетрясения, достигая максимума за 1−2 месяца до него, а через примерно такое же время после него система линеаментов возвращается в исходное состояние. Данная закономерность может быть использована в качестве предвестника землетрясения и является научной основой организации космического сейсмического мониторинга.

6. Разработаны программные пакеты, позволяющие производить быстрый анализ спектральных характеристик горных пород вдоль линии и облегчающие выработку классификатора изверженных и осадочных горных пород, а также программные пакеты, позволяющие производить сравнительный анализ полей плотностей линеаментов для изображенийполученных на различных стадиях подготовки землетрясений.

Основные выводы влияния разрешающей способности космоизобраэкения. В целом, подводя итоги выполненным исследованиям влияния размеров пикселей на результаты автоматизированного линеаментного анализа, можно заключить, что в условиях Чили, наилучший результат был достигнут при анализе изображения в 908×1033 писке ля, при котором происходит достаточно существенная генерализация поля линеаментов без потери его информативности, как на локальном так и на региональном уровнях. Это заключение подтверждает данные разработчиков программного пакета LESSA, которые пришли к выводу о наибольшей целесообразности использования данного пакета для решения геологических задач при сканировании 1000×1000 и 500×500 пикселей.

Самый оптимальный результат был достигнут, используя третий канал, при уменьшении размера исходного изображения до 1032×1044 пикселей при сохранении разрешающей способности в 30 м. В следующих разделах будет проведен подробный сравнительный анализ данных результатов и геологического строения района, карты магнитных аномалий и металлогенической карты.

3.3. Сравнительный анализ геологического строения района и результатов линеаментного анализа.

Закономерности геологического строения. Если сравнить результаты, полученные для изображения 1032×1044 пикселя (рис 3.3.1а) с геологической картой района Чили (рис 3.3.1.6), то можно отметить следующие закономерности в геологическом строении данного региона: а) в целом геологические границы стратиграфических толщ и интрузивных тел имеют преимущественные простирания близкие к субмеридиональным с небольшим отклонением (около 10°) к направлению ССЗ — ЮВ (север, северо-запад — юго-восток) — б) практически все локальные и региональные разрывные нарушения, показанные на геологической карте, являются продольными (согласными) по отношению к геологическим границам или слабо секущими с субмеридиональным простираниемв) остальные направления простираний геологических границ и разрывных нарушений являются лишь локальными отклонениями от генеральных направлений и не оказывают существенного влияния на общий план стратиграфо-структурного строения региона.

Сравнение геологических структур и сети линеаментов. Если сравнить основные геологические структурные линии (границы стратиграфических толщ и интрузивных тел, разрывные нарушения) с сетью линеаментов, выявленных при автоматизированном линеаментном анализе космоизображений (рис. 3.3.1д, е), то легко обнаружить практически полное отсутствие между ними какой-либо значительной корреляции. Основные отличия выявленных линеаментов от геологических структурных линий: а) Линеаменты образуют ортогональную сеть (при пороге 0) ротационной природы, которая не нашла хоть сколько-нибудь значимого выражения в геологическом строении регионаб) региональные линеаменты, выявленные при пороге 120 и более, имеют преимущественную ориентировку СЗ-ЮВ (с северо-запада на юго-восток), т. е. на 35−45° градусов отличаются от ориентировки главных геологических границ и зон разрывных нарушенийв) несколько крупных (региональных) линеаментов, имеющих простирания СВ-ЮЗ (с северо-востока на юго-запад), также не нашли своего отражения на геологической карте.

Рис. 3.3.1. Псевдоцветное изображение первых трех каналов спутника ASTER размером 1032−1044 пикселей и разрешением 30 м (а), геологическая карта (б), карта магнитных аномалий (в), металлогеническая карта (г), линаменты, выявленные по 3 каналу при пороге 120 (д), розы-диаграммы (е) для района Ильяпель. Г.

Ч’гаЛ.Чао B^t.'iO ^^^'ьЧии^^чо апйпн fcli — 0 0 t) $ о й ft о cccti’tiSb'-.^* i:"i)"Hi'i 'J d wt,^{flujttfnieniateautQ} ч S 5 ft I os? ц^ъиаая a^er^'i evs^^Vfti^ i i 4 taria вносит- *s\is su.

•^ЧИй^Ъв^СИЧЧ^ВИ С 'i Ч ч Ч Л •ьЧЛ Л rus^, ПСЬйС Я Й Р.-ТДЪЪ в йЧЧ^ nsttV^: огугвйгч n с йъ S асе s па вр/гач^в внес не t"челаnьй-ьчь trials, Согри^^ч-йи^ъ'аъъчъч'^ипи о о 110п «¦(JWn^^oiHi^u^i! о t й з ^ i 'i p в.

§-ЧЧЧ" 4 Vift tf? в rf H чч 4 4.

Я* a t invssibnj, ait л j^j iis^berati^ llfncftJeo^ocifiaa .," .1 V? о J iвЧМШОФ 4 0пгяа|1111 a 0 e^Mtiai.

CT t. Vt U, 1 со-' о i Q tjс ч г'^Л'РЕ^т&гпспйсу о^^Б'э^ь^'.з^^ъЧщ-*^ ас^шзй5^^^аиг^Чя ^t* а кзч.