Fjärranalys (geologi)
Fjärranalys inom geologi är fjärranalys som används inom geologiska vetenskaper som en datainsamlingsmetod som kompletterar fältobservation , eftersom den tillåter kartläggning av geologiska egenskaper för regioner utan fysisk kontakt med de områden som utforskas. Ungefär en fjärdedel av jordens totala yta är exponerad mark där information är redo att extraheras från detaljerad jordobservation via fjärranalys. Fjärranalys utförs via detektering av elektromagnetisk strålning av sensorer. Strålningen kan komma naturligt (passiv fjärranalys) eller produceras av maskiner (aktiv fjärranalys) och reflekteras från jordytan. Den elektromagnetiska strålningen fungerar som informationsbärare för två huvudvariabler. Först detekteras reflektansintensiteterna vid olika våglängder och plottas på en spektralreflektanskurva . Detta spektrala fingeravtryck styrs av de fysiokemiska egenskaperna hos målobjektets yta och hjälper därför till att identifiera mineraler och därmed geologisk kartläggning, till exempel genom hyperspektral avbildning . För det andra kan tvåvägsrestiden för strålning från och tillbaka till sensorn beräkna avståndet i aktiva fjärranalyssystem, till exempel interferometrisk radar med syntetisk bländaröppning . Detta hjälper geomorfologiska studier av markrörelser och kan således belysa deformationer som är förknippade med jordskred , jordbävningar etc.
Fjärranalysdata kan hjälpa studier som involverar geologisk kartläggning, geologiska faror och ekonomisk geologi (dvs. prospektering efter mineraler, petroleum, etc.). Dessa geologiska studier använder vanligtvis en mängd verktyg som klassificeras efter korta till långa våglängder av den elektromagnetiska strålningen som olika instrument är känsliga för. Kortare våglängder är i allmänhet användbara för platskarakterisering upp till mineralogisk skala, medan längre våglängder avslöjar ytinformation i större skala, t.ex. regionala termiska anomalier, ytjämnhet, etc. Sådana tekniker är särskilt fördelaktiga för utforskning av otillgängliga områden och andra planeter än jorden. Fjärranalys av källor , såsom jordar och vegetation som företrädesvis växer ovanför olika typer av bergarter, kan också hjälpa till att sluta sig till de underliggande geologiska mönstren. Fjärranalysdata visualiseras ofta med hjälp av GIS-verktyg ( Geographical Information System) . Sådana verktyg tillåter en rad kvantitativa analyser, som att använda olika våglängder av insamlade datamängder i olika röd-grön-blå-konfigurationer för att producera falska färgbilder för att avslöja nyckelfunktioner. Bildbehandling är således ett viktigt steg för att dechiffrera parametrar från den insamlade bilden och för att extrahera information.
Översikt
Vid fjärranalys fungerar den elektromagnetiska strålningen som informationsbärare, med ett avstånd på tiotusentals till tusentals kilometers avstånd mellan sensorn och målet. Proximal Sensing är en liknande idé men hänvisar ofta till laboratorie- och fältmätningar, istället för bilder som visar en stor rumslig utsträckning. Geofysiska metoder , till exempel ekolod och akustiska metoder , delar liknande egenskaper med fjärravkänning men elektromagnetisk våg är inte det enda mediet. Geotekniska instrument, till exempel piezometer , tiltmeter och Global Positioning System (GPS), å andra sidan, hänvisar ofta till instrument installerade för att mäta diskreta punktdata, jämfört med bilder inom fjärranalys. En lämplig sensor som är känslig för det speciella våglängdsområdet, i enlighet med den avsedda användningen, väljs och används för att samla in den elektromagnetiska vågen som reflekteras eller emitteras från målobjektet.
Arbetsprinciper
Vid fjärranalys mäts två huvudvariabler i ett typiskt fjärranalyssystem: strålningen (eller intensiteten) och ankomsttiden för aktiva system. Radiansen (dvs återvändande signalintensitet) kontra våglängden plottas till en spektral reflektanskurva . Som en punkt att notera är de insamlade data en blandning av både reflektion av solstrålning och emission (enligt Plancks lag ) från objektet för synligt och nära infrarött (VNIR) område. Det termiska infraröda (TIR) området mäter huvudsakligen emission medan mikrovågsområdet registrerar tillbakaspridningsdelen av reflektion. Strålningen bestäms av interaktioner mellan strålning och materia, som styrs av målobjektets fysiokemiska egenskaper. Framträdande absorptioner i specifik våglängd som visas på den spektrala reflektanskurvan är fingeravtrycken för identifiering i spektroskopi. Strålningens tvåvägsfärdstid kan härleda avståndet eftersom hastigheten är ungefär lika med ljusets hastighet , ungefär 3 x 10^8 m/s. Detta gör det möjligt för applikationer att mäta avstånd i ljusdetektering och avstånd (LiDAR) och radiodetektering och avstånd (Radar) etc.
Eftersom sensorerna tittar genom atmosfären för att nå målet finns det atmosfärisk absorption. Tre huvudsakliga atmosfäriska fönster, som tillåter penetrering av strålning, kan identifieras. De är 0,4–3 mikrometer (Visible and Near-Infrared (VNIR)), 3–14 mikrometer (Thermal Infrared TIR) och några millimeter till meter (mikrovåg). Kamera i vardagen är ett passivt bildsystem i VNIR-våglängdsregionen. En enkel klassificering av rådande fjärranalysinstrument inom geologi, modifierad från Rees (2013) i enlighet med sammanhanget på denna sida. Text i [ ] hänvisar till relaterade instrument.
| Våglängdsområde | Våglängd | Känslig för | Passiv | Aktiva system (räckvidd eller bildbehandling) |
|---|---|---|---|---|
| VNIR | 0,4-3 mikrometer | Intraatomära elektroniska övergångar | Spektroskopi [ spektrometer ]; Flygfoto / Fotogrammetri [ kamera ] | [ LiDAR ] |
| TIR | 3–14 mikrometer | Interatomisk bindningsstyrka i molekyler | [ TIR Imager] | / |
| Mikrovågsugn | några millimeter till meter (mikrovågsugn) | temperatur, terrängjämnhet, partikelstorlek | / | Syntetisk bländarradar / InSAR [ Radar ] |
Bärplattform
Sensorn kan vara rymdburen (buren av satellit ), luftburen (buren av flygplan , eller senast Unmanned Aerial Vehicle (UAV)) eller markbaserad (kallas ibland proximal avkänning). Data inhämtad från högre höjd fångar ett större synfält / rumslig täckning, men upplösningarna är ofta lägre. Före uppdragsplanering avseende flygbana, viktbelastning, bärsensor etc. måste göras före utplacering. Upplösningskravet är ofta högt i geologiska studier, därför råder luftburna och markbaserade system vid mätning .
Vanlig geologisk tillämpning
| Våglängdsområde | Verktyg | Vanliga tillämpningar i geologi |
|---|---|---|
| VNIR | Multi / hyperspektral bildbehandling | Mineral / Rock Identifiering |
| Fotogrammetri | Landformstudier _ | |
| LiDAR | Geodetisk undersökning | |
| TIR | Termisk infraröd avbildning | Termiska anomalier |
| Mikrovågsugn | Syntetisk bländarradar | Förskjutning tidsserie |
Fördelar och begränsningar
Den största fördelen med att använda fjärranalys för att hantera geologiska problem är att den ger direkt information om ytbeläggningen med hjälp av en synoptisk täckning eller ibland stereoskopisk vy . Därför kunde den stora bilden av kinematik uppskattas bättre. Det minskar också bördan av fältarbete som krävs för området genom synoptiska studier av intresseområdet. Den spektrala visionen möjliggör identifiering av stenattribut för ytlig kartläggning. Upplösningen styr dock noggrannheten.
Det finns en avvägning mellan rumslig upplösning och spektral upplösning. Eftersom intensiteten av den infallande strålen är fast, för en högre spektral upplösning, förväntas den ha en lägre rumslig upplösning (en pixel representerar större yta) för att bibehålla ett upp till standard signal-brusförhållande för analys. Dessutom är datavolymen för överföring begränsad på grund av signaltekniska problem. Man kan aldrig få data med maximal upplösning i alla rumsliga, spektrala och radiometriska upplösningar på grund av dessa begränsningar. Den tidsmässiga upplösningen kan förstås som både återbesöksfrekvensen och deformationens varaktighet. Till exempel kunde ett ögonblickligt jordskred eller sjunkhålskollaps knappast registreras utan höghastighetskamera, medan reliker kunde avbildas i tidsserier där den tidsmässiga förändringen, till exempel iskalvning, kunde avslöjas.
En annan brist är den inkonsekventa datainsamlingsmetoden, plus deras tolkningsscheman. Som ett resultat är en idealisk databas knappast möjlig på grund av dynamiska miljöförhållanden på olika platser. Istället föreslås upprepad spaning för att studera ett specifikt område.
Fältobservation och spaning förblir oersättliga och ska aldrig tas över helt av fjärranalys eftersom fältdata i hög grad stöder tolkning av fjärranalysdata. Fjärranalys bör bättre anses vara komplementär som syftar till att ge ögonblickliga vyer av olika skala, perspektiv eller spektralseende. Kartläggning av underjorden genom geofysiska undersöknings- och simuleringsmodeller spelar fortfarande en viktig roll i den 3-dimensionella karakteriseringen av jord under jord. Ett varningens ord är att det inte finns någon sådan "ideal" sensor som kan eller är optimerad för att studera allt. Det är ofta upp till forskarnas preferenser och erfarenhet att välja vilken datauppsättning och extrahera information. Till exempel kan flygfoton vara mer förnuftig i molnfritt område, men annars kan radar prestera bättre för mulet väder.
Geologisk kartläggning
Fjärranalys kan underlätta ytlig geologisk kartläggning och karakterisering av landform.
Spektrala egenskaper
De synliga och nära infraröda (VNIR) och termiska infraröda (TIR) är känsliga för intraatomära elektroniska övergångar och interatomisk bindningsstyrka respektive kan hjälpa till att identifiera mineraler och bergarter. Instrumentet som används kallas spektroradiometer i lab och avbildningsspektrometer eller multi-/hyperspektral skanner som avbildande fjärrsensorer. Förutsatt att marken inte är skymd av tät vegetation , kan vissa egenskaper hos ytlig jord (de okonsoliderade sedimentära material som täcker marken som ytliga avlagringar från vittring och erosion av berggrund) mätas med ett penetrationsdjup i luft-jord-gränsytan på ungefär hälften av använda våglängd (t.ex. grönt ljus (~0,55 mikrometer ) ger penetrationsdjup till ~0,275 mikrometer). Därför ger de flesta fjärranalyssystem som använder VNIR-våglängdsregionen egenskaper hos ytjord, eller ibland exponerad sten. En annan parameter som styr den totala reflektansen är ytjämnhet . Samma yta kan verka grov i VNIR kan verka slät i mikrovågsugn , liknande vad vi uppfattar när vi använder en meterregel för att mäta grovhet där ytfluktuationer är i cm-skala. När kornstorleken minskar, ökar ytgrovheten och följaktligen ökar den totala reflektansen när diffus reflektion , istället för spegelreflektion , dominerar. Speglande reflektion av slät yta, till exempel lugnt vatten, ger lite bakåtspridning och ser därför mörkt ut. Som ett exempel är is mestadels genomskinlig i en stor bit men blir mycket reflekterande när den krossas i små korn.
Mineral och sten
I litologiska sammansättningsstudier kan laboratorie- och fältspektroskopi av proximal och fjärranalys hjälpa. Spektralreflektansdata från avbildningsspektrometri som använder kort våglängd, till exempel från Airborne visible/infrared imaging spektrometer ( AVIRIS ), tillhandahåller kemiska egenskaper hos målobjektet. Till exempel kan järnhalten, som är en indikation på markens bördighet och sedimentets ålder , uppskattas. För jord med hög järnoxid, som är röd till färgen, bör ge högre reflektans i röd våglängdsdel och minskar i blått och grönt . Det kan även förekomma absorption vid 850-900 nm. Rödhetsindex och absorptionsarea i 550 nm i spektral reflektanskurva är exempel för att kvantifiera järnhalten i jord.
För att identifiera mineral, sammanfattar tillgängliga spektralreflektansbibliotek, till exempel USGS Spectral Library , diagnostiska absorptionsband för många material som inte är begränsade till stenar och mineraler. Detta hjälper till att skapa en mineralkarta för att identifiera typen av mineral som delar liknande spektra, med minimalt in situ fältarbete. Mineralogin identifieras genom att matcha insamlat prov med spektralbibliotek genom statistisk metod, såsom partiell minsta kvadraters regression . Förutom högt signal-brusförhållande (>40:1) främjar en fin rumslig upplösning, som begränsar antalet element inuti en enda pixel, också beslutsnoggrannheten. Det finns också digitala subpixel spektral unmixing-verktyg tillgängliga. USGS Tetracorder som tillämpar flera algoritmer på en spektraldata med avseende på spektralbiblioteket är känslig och ger lovande resultat. De olika tillvägagångssätten är sammanfattade och klassificerade i litteraturen men tyvärr finns det inget universellt recept för mineralidentifiering.
För bergarter, vare sig de är magmatiska , sedimentära eller metamorfa , finns de flesta av deras diagnostiska spektrala egenskaper av mineralogi i längre våglängder (SWIR och TIR), som till exempel finns i ASTER -uppdraget. Detta beror på känsligheten hos vibrationsband med längre våglängd. Till skillnad från den automatiska statistiska tolkningen som nämns ovan för mineraler, är det mer tillrådligt att anta visuell tolkning för identifiering av bergarter eftersom den ytliga förändringen av berget kan uppvisa mycket olika spektrala svar.
Flera index föreslås för bergartsidentifiering, såsom Quartz Index, Carbonate Index och Mafic Index, där Di är data för det i:te bandet i ASTER.
- Karbonatindex (CI): D13/D14
- Kvartsindex (QI): D11*D11 / D10*D12
- Mafic Index (MI): D12/D13
Jord
Ytjord är en bra proxy för geologin under. Vissa av markens egenskaper, vid sidan av litologi som nämnts ovan, kan hämtas i fjärranalysdata, till exempel Landsat ETM+, för att utveckla markhorisonten och därför underlätta dess klassificering .
Jordens struktur och fukthalt
Mängden fukt i jordpartiklarna styrs av partikelstorleken och jordstrukturen eftersom det mellanliggande utrymmet kan fyllas med luft för torr jord och vatten för mättad jord. I huvudsak, ju finare kornstorlek , desto högre förmåga att hålla fukt. Som nämnts ovan är blötare jord ljusare än torr jord i radarbilden. För VNIR-regionen med kort våglängd, enligt samma teori, borde lerig yta med mindre kornstorlek som främjar mer tillbakaspridning ge högre spektral respons. Men den högre markfuktigheten och det organiska innehållet gör leran mörkare på bilder, jämfört med siltig och sandig jordtäcke efter nederbörd . När det gäller VNIR-regionen, när fukthalten ökar, sker mer framträdande absorption (vid 1,4, 1,9, 2,7 mikrometer och ibland vid 1,7 för hydroxylabsorptionsband). Å andra sidan är radar känslig för ytterligare en faktor: dielektrisk konstant . Eftersom vatten har en hög dielektricitetskonstant har det hög reflektivitet och därmed sker mer bakåtspridning, dvs verkar ljusare på radarbilder. Därför verkar jorden ljusare med högre markfuktighetshalt (med närvaro av kapillärvatten ) men verkar mörk för översvämmad jord (spegelreflektion). Kvantitativt, medan markens textur bestäms av statistiska metoder för regression med kalibrering , utvecklade forskare också ett jordvattenindex (SWI) för att upptäcka förändringar på lång sikt. Ett annat tillvägagångssätt är en ytenergibalansmodell, som gör förutsägelser om den faktiska evapotranspirationen .
Kort sagt, den totala reflektansen för markfuktigheten skulle kunna tabelleras.
| Verktyg | Torr jord | Våt jord | Översvämmad jord |
|---|---|---|---|
| Radar | mörkare (energi tränger in i jord med låg dielektrisk konstant) | ljusare (vatten har hög dielektricitetskonstant) | mycket mörk (spegelreflektion) |
| VNIR | ljusare (mindre absorption) | mörkare (framträdande vattenabsorption) | samma som vatten (lågt penetrationsdjup) |
Jordens organiskt kol
Organiskt kol i marken härrör huvudsakligen från proximal avkänning med medelinfraröd reflektans. En mörkare jordfärg resulterar från det mättade organiska materialet plus varierande mängd svart humussyra och jordfuktighet. Ju högre mängd organiskt innehåll i jorden, skulle infallande energi absorberas kraftigt och som ett resultat förväntas lägre reflektans generellt. Kontrasten i jordfärgen möjliggör kvantitativ analys av banddjupanalys, huvudkomponentanalys och modellering.
Markens salthalt
Markens salthalt är resultatet av otillräcklig nederbörd av regnvatten vilket leder till ackumulering av lösligt salt i markens horisont. Den spektrala proximala avkänningen i VNIR är känslig för absorption av vatten i hydratiserade evaporate mineraler , mest framträdande vid 505 nm, 920 nm, 1415 nm och 2205 nm. För ännu mer salthaltig jord skulle 680, 1180 nm och 1780 nm också ge lägre reflektans (högre absorption) och högre reflektans vid 2200 nm möjligen på grund av förlusten av kristallinitet i lermineral. Spektralkurvan visar också en minskande total lutning från 800 nm till 1300 nm för högre salthalt. Den totala reflektanskurvan i alla våglängder ökar med högre saltkoncentration, medan saltkompositionerna skulle visa vissa variationer i absorptionsband.
_Working_Flowchart.png)
Geomorfologi
Tredimensionella geomorfologiska särdrag som härrör från regional tektonik och bildningsmekanismer kan också förstås ur ett perspektiv av småskaliga bilder som visar ett stort område förvärvat i höjdled. Topografin i ett område kännetecknas ofta av vulkanisk aktivitet eller orogenes . Dessa bergsbyggnadsprocesser bestäms av spännings-töjningsrelationen i enlighet med bergarter. De beter sig som elastiska/plastiska/sprickande deformationer, som svar på olika kinetik. Fjärranalystekniker ger bevis som observerat lineament, bergsfördelning i global skala, seismicitet och vulkaniska aktiviteter för att stödja tektonik och geodynamiska studier i jordskorpan. Ytterligare spektral information hjälper också. Till exempel skiljer kornstorleken åt snö och is. Bortsett från en plan geologisk karta med tvärsnitt kan ibland 3-dimensionell vy från stereofoton eller representation i Digital Elevation Model (DEM) hjälpa visualiseringen. I teorin ger LiDAR den bästa upplösningen upp till cm grad medan radar ger 10m grad på grund av dess höga känslighet för småskalig grovhet. Snedbilder skulle kunna förbättra den tredje dimensionen avsevärt, men användare bör tänka på skuggning och förvrängningar.
Otillgängliga områden
Även om fältkartläggning är det mest primära och föredragna sättet att skaffa marksanning, fungerar inte metoden när områden blir otillgängliga, till exempel är förhållandena för farliga eller extrema. Ibland hindrar politiska frågor att forskare kommer in. Fjärranalys, å andra sidan, ger information om området av intresse och skickar varken en man eller en sensor till platsen.
Öken
Ökenområdet formas av eoliska processer och dess landformer av erosion och avsättning . Stereoparen av flygfoton ger tredimensionell visualisering för landfunktionen medan hyperspektral bild ger kornskaleinformation för kornstorlek, sandsammansättning etc. Bilderna är ofta av höga fototoner i korta våglängder i VNIR motsvarande den knappa vegetationen och lite fukt. Ett annat verktyg är radar, som har förmågan att penetrera ytlig sand, ett material med låg dielektrisk konstant. Denna genomskinliga egenskap, särskilt för L-bandet (1,25 GHz) mikrovågsugn med 1–2 m penetration, tillåter kartläggning under ytan och möjligen identifiering av tidigare akvifärer. Paleohydrografin i Saharaöknen och Gobiöknen avslöjas och ytterligare studier med luftburet P-band (435 MHz) för penetration på 5 m föreslås i framtida forskning.
Politiskt känsligt område
Politiken utgör en utmaning för vetenskaplig forskning. Ett exempel är Tibestibergen , som är avlägset och politiskt instabilt under de senaste decennierna på grund av konflikter om uranfyndigheter under. Området kan dock möjligen fungera som ett spektakulärt exempel på intrakontinental vulkanism eller hotspot . Detaljerade studier av området uppdelat i västra, centrala och östra Tibesti vulkaniska provinsen visar inga signifikanta tecken på rumsligt progressiv vulkanism, och därför är det osannolikt att det är en hotspot som manifestationen av Hawaii- eller Galapagosöarna . Mer data och systematiska fältundersökningar och studier, till exempel geokemisk och radiometrisk datering , är bra ämnen att fokusera på inom en snar framtid. Tibesti-brädets svällkupol studeras också som ett regionalt flodsystem för att uppskatta höjningshastigheten.
Vattendrag, till exempel hav och glaciärer, skulle kunna studeras med hjälp av fjärranalys. Här är två exempel på plankton- och glaciärkartering.
Blomningen av fotosyntetiserande växtplankton är en ekologisk proxy för gynnsamma miljöförhållanden. Satellit fjärranalys i VNIR-våglängdsregionen hjälper till att lokalisera sporadisk händelse av förändring i havets färg på grund av relativ ökning av relaterad absorption i spektralkurvan. Olika bandmatematik (t.ex. bandförhållandealgoritmer och spektrala bandskillnader) har utvecklats för att tillgodose kustnära och öppet vatten, och även vissa specifika typer av blomningar (t.ex. Coccolithophore-blomningar och Trichodesmium-blomningar). Möjligheten till realtidsövervakning genom kombinerad användning av långtidssatellitdata ger bättre insikt i havets dynamik.
Kartläggningen av glaciärer underlättas av fjärranalys i motsats till att bära tung utrustning till farligt isigt land. Några anmärkningsvärda tillämpningar inkluderar kartläggning av glaciärer täckta av ren is och skräp, glaciärfluktuationsrekord, massbalans- och volymförändringsstudier för att hjälpa generera topografisk karta och kvantitativ analys. På samma sätt är ett automatiserat tillvägagångssätt som använder bandmatematik och DEM-beräkningar med högupplösta data nödvändigt för att undersöka glaciala variationer på grund av dynamiska miljöförhållanden.
Geologiska faror
Geologiska faror orsakar olyckor och allvarliga skador på fastigheter. Även om det är nästan omöjligt att förhindra naturkatastrofer, kan deras inverkan minskas och minimeras med lämplig riskbedömning och planering i förväg.
Jordbävningar
Jordbävningar visar sig i rörelse av jordytan. Fjärranalys kan också hjälpa jordbävningsstudier av två aspekter. En är att bättre förstå det lokala marktillståndet. Till exempel gör vissa jordtyper, som är benägna att smälta (t.ex. mättat löst alluvialt material), mer skada under vibrationer och därför kan zonindelning för jordbävningsrisker hjälpa till att minska egendomsförlusten. En annan är att lokalisera historiska jordbävningar i neotektonism (senaste 11 000 åren) och analysera dess rumsliga fördelning, och följaktligen kartläggs förkastningszoner med strukturella brott för vidare undersökningar. Ur ett geodetiskt perspektiv ger radartekniken ( SAR Interferometry , även kallad InSAR) landförskjutningsmätning upp till cm-skala. SAR-interferometri är en teknik som använder flera SAR-bilder som registrerar bakåtspridningen av mikrovågssignaler. Den återkommande signalen kan användas för att uppskatta avståndet mellan mark och satellit. När två bilder erhålls vid samma punkt men vid olika tidpunkt, visar vissa pixlar som visar fördröjda returer förskjutning, förutsatt att ingen jordförändring. En förskjutningskarta (interferogram) genereras för att visualisera förändringarna med en precision upp till hälften av våglängden, dvs cm-graden. En annan liknande teknik är Global Positioning System (GPS) , som registrerar förskjutningen med tiden av diskreta punkter genom trilateration av mikrovågs GPS-satellitsignaler. Samma idé och princip för att mäta markförskjutning skulle också kunna utvidgas till övervakning av andra naturrisker, såsom vulkanism, jordskred och laviner. De termiska satellitbilderna med mitten av IR (11–12 mikrometer) har visat några termiska fält i geologiska aktiva områden, såsom linje- och förkastningssystem. Bortsett från dessa långlivade termiska fält, finns det några positiva termiska anomalier på 3–4 °C på landytan eller runt −5 °C för havsvatten i jordbävningsepicentrumområden . Kontrasten uppträder 7–14 dagar före jordrörelsen. Även om observationen stöds av laboratorieexperiment, kan de möjliga orsakerna till dessa skillnader fortfarande diskuteras.
Tsunami
Mangrove erbjuder skydd mot tsunami och stormar från att svepa bort inlandsområden eftersom mangrovefransarna skadades och tog all energi. Fjärranalys av mangrove och vegetation som en naturlig barriär för att hantera risker blir därför ett hett ämne. De senaste framstegen och utvecklingen är mycket efterlängtade inom en snar framtid, särskilt som hyperspektrala bildsystem och mycket högupplösta (upp till undermetersgrad) satellitbilder råder. Nya klassificeringsscheman som skiljer arter från sammansättning skulle kunna utvecklas för miljöstudier. Uppskattning av bladarea , kapellhöjd, biomassa och produktivitet kan också förbättras med uppkomsten av befintliga och kommande sensorer och algoritmer. Tsunami-inducerad översvämning leder till förändringar i kustområdet, vilket skulle kunna kvantifieras genom fjärranalys. Delat-baserad metod för att dela in stora bilder i underbilder för vidare analys genom att omdefiniera ändringsdetekteringströskel har minskat beräkningstiden och har visat sig stämma överens med manuell kartläggning av påverkade områden.
Vulkanism
Den dynamiska magman under plattorna vi lever på inducerar vulkanisk aktivitet på jordens yta. För att främja förståelsen inom vulkanologisk vetenskap och aktiv vulkanövervakning inkluderar de viktigaste dataströmmarna med hjälp av fjärranalys ytdeformation och termisk mätning plus gasflödet och sammansättningen. Seismicitet anses å andra sidan som geofysisk metod. Data kunde samlas in under hela utbrottscykeln, från oroligheter till utbrott och sedan avslappning. Till exempel är den ultravioletta (UV) och VNIR-regionen känslig för svaveldioxid , en av de vulkaniska gaserna. BrO (bildad från bromexplosionen i plymer) och CO 2 är också möjliga kandidater för vulkanisk övervakning i dessa dagar. Den termiska störningen, till exempel genom temperaturförändringar i kratersjöar och injicering av het gas i atmosfären, kunde detekteras med hjälp av TIR-sensorer för att automatisera termiska vulkanvarningar. Markhöjningen och sänkningen av marken kunde kvantifieras på distans med InSAR- teknik. Vulkanismens ytliga manifestation tenderar att gynna enkla geometrier medan komplexiteter introduceras av interaktioner under ytan. uppmuntras 3D-modellering med finita elementanalys tillagd med geofysisk underjordisk undersökning starkt.
Jordskred
Jordskred är en form av massförlust som orsakas av gravitation och instabilitet i sluttningar . Stenet och skräpet faller snabbt nedåt och utåt från sluttningen. Förutom platskarakterisering genom geologisk kartläggning, skulle många av de nämnda fjärranalysverktygen kunna användas. Till exempel är användningen av flygfoton för att uppdatera jordskredinventeringen populärt i jordskredstudier i Hongkong . LiDAR -tekniken för att skapa en högupplöst digital höjdmodell (HRDEM) och digital terrängmodell (DTM) med vegetationstäcke är avgörande för kvantifieringen av lutning , lutningsaspekt , strömstyrka , dräneringstäthet och många fler parametrar för jordskredriskmodeller. Mikrovågsradar kan också delta i igenkänning av jordskred i syntetiska aperturradarbilder (SAR) och övervakning genom InSAR -tekniken som effektivt visar småskalig deformation. Faroriskhanteringen skulle kunna diskuteras ytterligare med hjälp av geografiska informationssystem (GIS) .
Ekonomisk geologi
Inom ramen för ekonomisk geologi hjälper ytliga data till att lokalisera möjliga reserver av naturresurser .
Mineral- och petroleumprospektering
Förekomsten av naturreservat som är exploaterbara står i nära anslutning till den omgivande geologin. Genomförbara resursutforskningar bör backas upp av noggranna geologiska modeller för att lokalisera prospekteringsmalm och petroleumfyndigheter från en preliminär regional översikt. Fjärranalys kan ge skalbar undersökning allt eftersom prospekteringsprogrammet framskrider till rimliga kostnader. Ett exempel är att övervaka ytdeformationen i en gruva med hjälp av InSAR- tidsserier. Ett annat exempel är att använda kortvågsområdet i VNIR för att uppskatta petroleumreservoaren eftersom VNIR kan tillhandahålla både exakt avståndsmätning med lidar och spektraldata från spektralskanning. En punkt att komma ihåg är arvsbegränsningen, att fjärranalys är för ytdetektering medan naturresurser är koncentrerade på djupet, därför är användningen något begränsad. Icke desto mindre finns det några proxyservrar som ger värdefulla input, inklusive följande exempel
- stratigrafiskt-litologiska: vissa mineraler är syngenetiska eller epigena med värdstenar
- geomorfologisk: mekanisk koncentration av mineraler i morfologi
- strukturell: skärning av strukturella egenskaper för att bilda strukturella fällor
- bergförändring: kvarts - fältspat , karbonater , hydroxylhaltiga mineraler, arksilikater , järnoxider ( limonit ), vanligen uppenbara som ring eller halo med zonförändring , med hjälp av bildförbättring
- geobotanisk: vegetationsstress och onormal tillväxt kan bero på metall i marken
En ny metod föreslås med avseende på ovanstående bergomvandlingsorgan, i ljuset av bristerna i låg reflektans på grund av vegetationstäcke och tvetydigheten hos vissa mineral, till exempel kaolinit som kan eller inte kan vara resulterande förändrat mineral . Den övergripande spektrala formen från hyperspektral avbildning betraktas först, följt av absorptionsband, i deras algoritm. Korrelationskoefficienter för varje pixel beräknas sedan genom jämförelse mellan fjärravkänningsdata och markfältdata. Beslutet skulle tilldelas varje pixel av det mest mottagliga dominerande objektet, men inte genom att sätta upp tröskel.
Grundvattenundersökningar
Att inrikta grundvattenresurserna för försörjning är ett av de yttersta målen inom vattenförvaltning. Även om mycket av informationen verkligen kommer från hydrogeologi , geofysiska metoder och borrning, kan fjärranalystekniken, som använder samma princip för att integrera data som samlats in för ytan, sluta sig till möjliga instängda/oavgränsade akviferer . Till exempel i radardata ( markpenetrerande radar ), som kan penetrera marken djupt in i meter, kan visa viss diffus reflektion för "grov" yta i förhållande till den använda våglängden. Förändringen i litologi kan antyda mjukt berg och okonsoliderade sediment, där porositeten är hög.
Vegetation
De ytliga vegetationsstudierna utförs huvudsakligen genom multispektral eller hyperspektral bildanalys, främst på grund av det lägre penetrationsdjupet och högre upplösningar av VNIR-våglängdsregionen. Det finns en mängd sensorer, bildbehandlings- och klassificeringsalgoritmer och resultatutvärderingsscheman från kompletterande data tillgängliga i vegetationsanalys. Som ett exempel kan karakterisering av utmarksmark med avseende på biomassakvantitet och kvalitet härledas från hyperspektrala data. Detekteringen av fotosyntetisk aktiv (stående levande) kontra icke-fotosyntetisk aktiv (stående död) och deras förhållande inom området av intresse stöder kvantifieringen av biomassa . Kvaliteten på foder som presenteras i Kol : Kväve -förhållandet kunde uppskattas genom hyperspektral datamanipulation med mer än 80 % noggrannhet.
]Ur ett geologiskt perspektiv kan någon ytlig täckning skymma intresseområdet i en bild. Med vegetation kan tidsserien av Normalized difference Vegetation Index (NDVI) som kännetecknar växttillväxt härleda jordmönster. Den biogeografiska gradienten med miljöparametrar, såsom floristiska förhållanden, nederbörd och temperatur, ger också ledtrådar till jordtäcket. Spektral avblandningsteknik som antar att den totala reflektansen för en pixel är en linjär blandning av komponentreflektans avgränsar objekt som bidrar med den resulterande signalen som tas emot i sensorn. Vissa andra parametrar och markproxies såsom icke-fotosyntetisk vegetationstäcke, lavar, växtfunktionstyper och Ellenberg-indikatorvärden är möjliga för markkarakterisering.
Planetarisk observation
Bortsett från jorden har fjärranalys gjort planetarisk utforskning möjlig utan att skicka en astronaut ut i rymden. För de flesta planetariska utforskningar, på grund av den tjocka atmosfären , är radar ett lämpligt instrument för att undersöka planetens yta. Radar kan penetrera atmosfären och upptäcka ytjämnheten. Topografiska kartor kan också härledas från radarhöjdsmätningar och InSAR -metoder, till exempel vid kartläggning av Venus . Som ett exempel på planetariska tillämpningar som använder fjärranalys kan illustreras av vulkanismens observation på Io , som har det högsta antalet aktiva vulkaner per kvadratkilometer i solsystemet . Även om betydelsen av Io Volcanology är väl dokumenterad som läroböcker, påpekar nya observationer att den tidsmässiga utvecklingen av spektralförhållandet mellan 2:5 mikrometer termiska utsläpp (termisk signatur) kan sluta sig till utbrottslägen, från lavafontän ner till kiselhaltiga lavaflöden. Nyligen har förslag gjorts för att förbättra den rumsliga upplösningen för att mer exakt lokalisera värmekällans ventil , för att belysa vulkanologins olösta pussel, som är starkt relaterad till tidvattenuppvärmningen som orsakas av Jupiters orbitalexcentricitet . Modellering har visat att ett lämpligt avstånd mellan den undersökta marken och sensorn måste upprätthållas för att säkerställa en meningsfull pixelstorlek för att lösa Io-ytan. Fjärravkänning via satellit minskar också jitter då sensorn hålls stabil i rymden och ger korrekta data i frånvaro av atmosfär för markobservationer, trots den starka strålningszonen i Jupiter som dramatiskt begränsar sensorns livslängd. Allt detta främjar framtida instrumentering och design av omloppsbana.
Bildbehandling
Bildbehandling är avgörande för att omvandla rådata till användbar information. För avbildning av fjärranalys, där spektraldata samlas in och registreras i pixlar av en bild , en tvådimensionell representation. Efter borttagning av brus och kalibrering , georefereras bilderna för att relatera pixel till verklig geografi. Förstahandsdata korrigeras sedan för att ta bort brus som atmosfärisk störning, strukturella effekter och distorsion . Fjärranalysdata valideras ofta av ground truth , som vanligtvis fungerar som träningsdata i bildklassificering för att säkerställa kvalitet. Bildtolkningen kan åstadkommas av en tolk eller beräkning. Tillförlitligheten hos den tolkade kartan är hög endast om experten har en grundlig förståelse för geomorfologi, hur ytlandskapet skulle kunna formas av möjliga interaktioner av många faktorer och begränsningen av metoden. Även om det finns en mängd erfarenheter för visuell tolkning av flygfoton, är metoden tidskrävande och utsatt för mänskliga fel. Digital övervakad eller oövervakad klassificering av landform som använder skarp eller luddig klustringslogik har öppnat nya möjligheter för livskraftiga lösningar. Emellertid är beräkningsalgoritmer föremål för skalberoendefrågor och godtyckliga definitioner av klassgränser. Förekomsten av vegetationstäcke och oländig terräng kan också minska användbarheten. Statistiska och beräkningsalgoritmer för att identifiera korrelationer utvecklas kraftigt för bildanalys. Till exempel blir uppkomsten av icke-parametriska klassificerare som neurala nätverk ett alternativ för att klassificera massiva data.
Integration med GIS
Fjärranalystekniken är intimt kopplad till senare datatolkning och visualisering, vilket är en av funktionerna i Geographical Information System ( GIS). GIS tillåter också inmatning av annan information såsom socioekonomiska förhållanden och biofysiska förhållanden i termer av lager. Ytterligare analyser i samma rumsliga omfattning genomförs och tematiska kartor genereras sedan för presentation. På intet sätt skulle tillämpningen genom integrering av GIS och fjärranalys kunna vara uttömmande, men här diskuteras ämnena hydrologi, jordskred och stadsplanering.
Hydrologi
Det finns en mängd olika tillämpningar av GIS och fjärranalysdata inom vattenhantering, allt från prospektering, modellering av underjordiska flöden och naturlig återladdning, föroreningskontroll och hydrogeologisk processövervakning. I huvudsak topografin , vegetationstäcket , dräneringslandformer och akvifärtyper härledas från fjärranalysdata och bilder från olika typer av sensorer och plattformar. En fallstudie i Burdur , Turkiet som presenterar användningen av fjärranalysdata och rumslig analys utförd av GIS är ett av pionjärprojekten. Fjärranalys samlade in data för geologi och lineamentdensitet medan GIS härledde dräneringstäthet, topografihöjd, gradient, landanvändning och årliga nederbördsdata. Med viktad överlagring genereras en grundvattenpotentialkarta för att lokalisera möjliga nya vattenkällor.
Jordskred
En mängd litteratur har visat att användningen av fjärranalystekniker för jordskred är framgångsrik i alla aspekter av igenkänning, övervakning och riskbedömning. Förutom exemplen i Europa ledde jordskred i Hongkong till dödsoffer och egendomsskador till territoriet innan en relevant statlig organisation inrättades för att utföra systematiska studier för att minska risken för sluttningsfel. De huvudsakliga bidragande faktorerna, liknande jordskred över hela världen, inkluderar geologi, diskontinuiteter (strukturella), väderpåverkan och nederbörd . Den intensiva nederbörden (>2000 mm/år) ökar snabbt portrycket på grund av infiltration . Medan lokala hydrogeologiska modeller genererade med hjälp av in situ, till exempel, piezometriska mätningar och diskontinuitetskartläggning, skulle kunna hjälpa till att belysa kinematiken för jordskred, är det aldrig brist på erfarenhet att använda fjärranalys för jordskredutvärdering i Hong Kong. Till exempel interferometrisk radar med syntetisk apertur och flygfototolkning det verktyg som använts i historien för att detektera ytdeformation respektive uppdatera jordskredinventeringen. GIS används också för att överlägga lager av terräng (höjd och lutningsvinkel), litologi med nederbördsdata för att generera kartor över jordskred. Med de olika viktningarna i respektive parametrar skulle faran kunna zoneras för att få risken kontrollerad.
Stadsmiljötillämpningar
Fjärranalys har stor potential i miljötillämpningar. För att nämna några, har markanvändningsplanering (till exempel kärnkraftverkens läge & dumpningsplatser), övervakning av jorderosion och luftföroreningar, vegetation etc. varit i stort intresse under det senaste decenniet.
externa länkar
-
Media relaterade till fjärranalys på Wikimedia Commons
