مقارنة بيانات التصوير الطيفي الفائق عبر الأقمار الصناعية في رسم الخرائط الجيولوجية - قسم البيانات

توفر أجهزة الاستشعار الطيفية الفائقة (HS) الفضائية من الجيل التالي إمكانات هائلة لرسم خرائط المعادن الإقليمية واسعة النطاق. مع ذلك، وكما هو الحال مع جميع أجهزة الاستشعار الفضائية، تعتمد نتائجها على عمليات تصحيح معقدة تتطلب إزالة تأثيرات الغلاف الجوي والتضاريس والهندسة قبل الحصول على أطياف الانعكاس بدقة. غالبًا ما تُجرى هذه التصحيحات يدويًا، وقد تُسفر الطرق المختلفة عن نتائج متباينة. قارن روبسا وزملاؤه بيانات الأقمار الصناعية الطيفية الفائقة من PRISMA وEnMAP وEMIT مع بيانات الصور الجوية التي التقطتها أجهزة استشعار HyMap لدراسة مدى اتساق هذه البيانات ومدى ملاءمتها لرسم الخرائط الجيولوجية. ونظرًا لأهميتها الجيولوجية، وتعرضها الجيد نسبيًا، ومناخها الجاف، وتوافر البيانات، اختار روبسا وزملاؤه مجمعي مارينكاس-كويلين وإيبيمبي الكربوناتيين في ناميبيا للمقارنة. أُجريت مقارنات نوعية وثلاث مقارنات كمية مختلفة على بيانات الطيف الفائق لهذه المواقع، شملت: (1) مقارنة ارتباط قيم الانعكاس في نطاق الطيف المرئي القريب من الأشعة تحت الحمراء (VNIR) إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (SWIR)؛ (2) مقارنة المؤشرات الطيفية لمعادن محددة في كل مشهد؛ و(3) مقارنة الوفرة الطيفية المقدرة باستخدام التحليل الخطي. تُظهر النتائج اختلافات كبيرة في الاتساق بين أجهزة الاستشعار المختلفة عبر نطاق الطيف المرئي إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (VNIR إلى SWIR)، مع اتساق أفضل في نطاق VNIR واتساق أقل في نطاق SWIR. وجدت الدراسة أن بيانات الطيف SWIR من جهازي الاستشعار EnMAP وEMIT كانت الأكثر منطقية (حيث أظهرت خصائص امتصاص أكثر وضوحًا)، بينما كانت الوفرة الطيفية للمكونات النهائية لجهازي الاستشعار HyMap وPRISMA متسقة مع التغيرات الجيولوجية. تُبرز هذه الدراسة ضرورة التصحيح الإشعاعي والطبوغرافي الدقيق في نطاق SWIR لرسم الخرائط الجيولوجية.

استخدم روبسا وزملاؤه بيانات طيفية فائقة الجودة (خالية من السحب والدخان والغبار) من ثلاثة أقمار صناعية: EnMAP وEMIT وPRISMA. مع ذلك، لم تُجمع البيانات في الوقت نفسه، بل توجد فواصل زمنية بين مجموعات البيانات المختلفة. وقد تطلّبت جميع البيانات الطيفية الفائقة، بما فيها تلك المُستقاة من الأقمار الصناعية والمنصات المحمولة جوًا، معايرةً وتصحيحًا جويًا لتحويل الإشارات الرقمية المقاسة إلى انعكاس السطح الحقيقي على أجهزة الاستشعار.

الشكل 1. منطقة تغطية كل مستشعر

الجدول 1. معلومات تفصيلية عن مختلف أجهزة الاستشعار الطيفية الفائقة

منطقة الدراسة

يُعدّ مجمع مارينكاس-كويلين، الواقع في جنوب ناميبيا بالقرب من الحدود مع جنوب أفريقيا، مجمعاً كربونياً يحتوي على صخور سيليكاتية وكربوناتية، بما في ذلك أنواع كربوناتية كلسية ومغنيسية وحديدية. يعود تاريخ هذا المجمع الكربوني إلى العصر الكامبري وحتى أوائل العصر الكامبري، ويرتبط تكوينه بنشاط الصدوع الداخلية.

يتألف مجمع إيبيمبي الكربوناتي، الواقع شمال ناميبيا، بشكل أساسي من الكربونات الكلسية (السوفيت) مصحوبة بمناطق ضيقة جدًا من الكربونات المغنيسية. ويعود تاريخ هذا المجمع إلى أوائل العصر الميزوزوي، ويقع ضمن منطقة منفصلة ذات اتجاه شمالي غربي تمتد من الشمال إلى الجنوب.

استند اختيار هذين المجالين البحثيين إلى الاعتبارات التالية:

الأهمية الجيولوجية: ترتبط مركبات الكربونات في ناميبيا بعناصر أرضية نادرة مهمة لانتقال الطاقة الخضراء.

التعرض الجيد: يتميز التركيب الجيولوجي لمنطقة الدراسة بتعرض جيد، مما يساعد على إجراء أبحاث الاستشعار عن بعد.

المناخ الجاف: تقلل المناخات الجافة من الغطاء النباتي، مما يجعل اكتشاف المعالم الصخرية أسهل بواسطة أجهزة الاستشعار عبر الأقمار الصناعية.

توافر البيانات: تتوفر بيانات الأقمار الصناعية متعددة الأطياف وبيانات عينات الصخور الأرضية لمنطقة الدراسة.

الشكل 2. الموقع الجغرافي والخصائص الجيولوجية لمنطقة الدراسة

أساليب البحث

1. معالجة البيانات المسبقة

يقدم مزودو بيانات التصوير الطيفي الفائق عبر الأقمار الصناعية عادةً مستويات مختلفة من البيانات المعالجة مسبقًا، بما في ذلك:

• بيانات المعايرة الهندسية وبيانات معايرة المستشعر (المستوى L0): البيانات الخام، بدون أي معالجة للمعايرة.
• الإشعاع الجوي المصحح للإشعاع (المستوى L1): تم تصحيح هذه البيانات للإشعاع لتوفير معلومات إشعاعية محسنة، ولكنها لا تزال تتضمن العوامل الجوية وغيرها من العوامل المؤثرة.
• تقديرات انعكاس السطح المصححة جوياً (المستوى L2): توفر البيانات المصححة جوياً تقديرات هي الأقرب إلى انعكاس السطح الحقيقي.

استُخدمت بيانات المستوى الثاني (L2) في هذه الدراسة (انظر الجدول 2). وقد رُوعي أداء المستشعرات والاختلافات بينها الناتجة عن عدم دقة عمليات المعالجة المسبقة الخاصة بها. وفيما يلي عمليات المعالجة المسبقة المختلفة:

• التصحيح الهندسي: يضمن الدقة المكانية للصور ويصحح أي تشوه ناتج عن حركة المستشعر أو تغيرات التضاريس.
• تصحيح الإشعاع: يحول الإشارة الرقمية المسجلة إلى قيمة إشعاع حقيقية يمكن استخدامها للتحليل، مما يلغي تأثير خصائص المستشعر.
• التصحيح الجوي: يزيل تأثيرات التشتت والامتصاص الجوي للحصول على انعكاسية قريبة من انعكاسية سطح الأرض.

الجدول 2: معلومات عن كل مجموعة بيانات في الدراسة

بريزما

تتضمن عملية توليد بيانات الإشعاع في PRISMA L1 تصحيح عتبة المجال المسطح وطرق البكسل المظلم لتوليد وتحديث معلمات الإشعاع والطيف والهندسة. بعد ذلك، يستخدم معالج L2 بيانات الإشعاع الجوي من المستوى الأعلى L1 والنطاقات البانكروماتية كمدخلات لتوليد بيانات انعكاس السطح النهائية المصححة جويًا.

خريطة الطاقة

استُخدمت بيانات المستوى الثاني (L2) في هذه الدراسة من قِبل مشروع EnMAP، وذلك باستخدام وحدة تصحيح المناخ (PACO) المبنية على لغة بايثون، والتي طوّرها المركز الألماني لأبحاث الفضاء (DLR). وعلى الرغم من أن PACO تعتمد بشكل أساسي على كود ATCOR-IDL، إلا أنها معروفة بإجراءات المعايرة والتحقق الفريدة والدقيقة. يُحدد النموذج تلقائيًا كثافة المناطق الأحيائية ومستويات الأوزون والفصل لكل مشهد، وذلك باستخدام معايير تكوين المستشعر، مثل زاوية سمت الشمس وزاوية انحراف الرصد. ثم تُستخدم هذه المعايير لتصحيح الأوزون والسحب الرقيقة والضباب. وتشمل المخرجات الناتجة عن هذه العملية أقنعة الصور، والسماكة البصرية للهباء الجوي، وخرائط الأطوال الموجية، وصور انعكاس الغلاف الجوي عند المستويات المنخفضة. ويُمثل منتج انعكاس L2A النهائي مزيجًا من هذه المخرجات. كما يُوفر مشروع EnMAP مجموعة من معايير الاستحواذ التي يُمكن للمستخدم تحديدها، مثل زاوية الرصد، والتي تُعد ذات أهمية خاصة في المناطق ذات التضاريس المتغيرة بشكل ملحوظ.

انبعاث

يمثل جهاز EMIT نقلة نوعية هامة في مجال التصوير الطيفي الفائق، إذ يستخدم كاشفًا مبتكرًا لالتقاط طيف الأشعة المرئية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (VNIR) والأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (SWIR) بالكامل على مستشعر واحد. تفتح هذه التقنية آفاقًا جديدة أمام مهمات ناسا القادمة لدراسة بيولوجيا وجيولوجيا السطح (SBG)، مما يُسهم في تقليل التباينات بين نطاقي VNIR وSWIR. يستخدم EMIT أدوات نمذجة نقل الإشعاع لإنتاج بيانات الانعكاس النهائية، ويُجري معايرة إشعاعية لضمان اتساق الافتراضات وتقليل الأخطاء الناتجة عن النموذج. كما يستفيد من خصائص السحب الساطعة في المشهد لمراقبة معايرة الأطوال الموجية القصيرة (VNIR). علاوة على ذلك، يستخدم EMIT المعايرة المتبادلة مع أجهزة أخرى في المدار لتقييم الدقة المطلقة لبروتوكولات المعايرة المُحددة مسبقًا. يضمن سير العمل المبتكر للمعالجة المسبقة في EMIT جودة منتج ثابتة طوال دورة حياته. وتلبي دقته المكانية البالغة 60 مترًا احتياجات مهماته العلمية واسعة النطاق، مثل رسم خرائط المعادن وتدفقات الغبار. كما يوفر نشر جهاز EMIT في مدار أرضي منخفض على متن محطة الفضاء الدولية فرصًا للحصول على بيانات عالية التردد.

خريطة هـ

تم الحصول على مجموعة بيانات التصوير الطيفي الفائق المحمول جواً باستخدام مستشعر HyMap على ارتفاع 2000 متر، مع أخذ عينات مكانية كل 5 أمتار. أجرت شركة HyVista، التي حصلت على البيانات، تصحيحات هندسية وإشعاعية. استخدمت التصحيحات الجوية نموذجاً للهباء الجوي القاري ونموذجاً جوياً صيفياً لخطوط العرض المتوسطة، بافتراض تركيز أوزون يبلغ 340 جزءاً في المليون ورؤية تبلغ 75 كيلومتراً، لتقدير انعكاس السطح.

في مشهد HyMap المستلم من إيبيمبي، تم إخفاء بقع الغطاء النباتي. ومع ذلك، لم يتم تطبيق هذا الإخفاء في المشاهد الأخرى لأنه عند دقة 30 مترًا و60 مترًا، تحتوي معظم وحدات البكسل على بعض الغطاء النباتي.

المرجع: Chakraborty, R.; Rachdi, I.; Thiele, S.; Booysen, R.; Kirsch, M.; Lorenz, S.; Gloaguen, R.; Sebari, I. مقارنة طيفية ومكانية لبيانات طيفية فائقة الدقة مُستقاة من الأقمار الصناعية لرسم الخرائط الجيولوجية. الاستشعار عن بعد 2024، 16، 2089. https://doi.org/10.3390/rs16122089