Perbandingan Data Hiperspektral Satelit dalam Pemetaan Geologi—Bahagian Data

Sensor hiperspektral (HS) satelit generasi akan datang menawarkan potensi yang ketara untuk pemetaan mineral serantau berskala besar. Walau bagaimanapun, seperti semua sensor satelit, hasilnya bergantung pada proses pembetulan kompleks yang memerlukan penyingkiran kesan atmosfera, topografi dan geometri sebelum memperoleh spektrum pantulan dengan tepat. Pembetulan ini sering dilakukan secara manual, dan kaedah yang berbeza boleh menghasilkan hasil yang berbeza. Rupsa et al. membandingkan data satelit hiperspektral daripada PRISMA, EnMAP dan EMIT dengan data imejan bawaan udara yang diperoleh oleh sensor HyMap untuk menyiasat konsistensi antara set data ini dan kebolehgunaannya dalam pemetaan geologi. Berdasarkan kepentingan geologi, pendedahan yang agak baik, iklim gersang dan ketersediaan data, Rupsa et al. memilih kompleks karbonat Marinkas-Quellen dan Epembe di Namibia untuk perbandingan. Perbandingan kualitatif dan tiga kuantitatif berbeza telah dilakukan pada data hiperspektral lokasi-lokasi ini, termasuk: (1) perbandingan korelasi nilai pantulan dalam julat spektrum inframerah dekat-nampak (VNIR) kepada inframerah gelombang pendek (SWIR); (2) perbandingan indeks spektrum untuk mineral tertentu dalam setiap pemandangan; dan (3) perbandingan kelimpahan spektrum yang dianggarkan menggunakan penyahcampuran linear. Keputusan menunjukkan perbezaan ketara dalam konsistensi antara sensor yang berbeza merentasi julat spektrum inframerah gelombang pendek yang boleh dilihat (VNIR hingga SWIR), dengan konsistensi yang lebih baik dalam julat VNIR dan konsistensi yang lebih lemah dalam julat SWIR. Kajian mendapati bahawa data spektrum SWIR daripada sensor EnMAP dan EMIT adalah yang paling munasabah (menunjukkan ciri penyerapan yang paling ketara), manakala kelimpahan spektrum anggota akhir bagi sensor HyMap dan PRISMA adalah konsisten dengan variasi geologi. Kajian ini mengetengahkan keperluan pembetulan radiometrik dan topografi yang tepat dalam julat SWIR untuk pemetaan geologi.

Rupsa dkk. menggunakan data hiperspektral berkualiti tinggi (bebas awan, bebas asap dan bebas habuk) daripada tiga satelit: EnMAP, EMIT dan PRISMA. Walau bagaimanapun, data tersebut tidak diperoleh pada masa yang sama dan terdapat selang masa antara set data yang berbeza. Semua data hiperspektral, termasuk data daripada satelit dan platform udara, memerlukan penentukuran dan pembetulan atmosfera untuk menukar isyarat digital yang diukur kepada pantulan permukaan sebenar pada sensor.

Rajah 1. Kawasan liputan setiap sensor

Jadual 1. Maklumat terperinci tentang sensor hiperspektral yang berbeza

Kawasan kajian

Marinka-Quellen, yang terletak di selatan Namibia berhampiran sempadan Afrika Selatan, merupakan kompleks karbonat yang mengandungi batuan silikat dan karbonat, termasuk varian karbonat berkapur, magnesia dan feruginosa. Kompleks karbonat ini berasal dari zaman Kambrium hingga awal Kambrium dan pembentukannya dikaitkan dengan aktiviti rekahan pedalaman.

Kompleks karbonat Epembe, yang terletak di utara Namibia, terutamanya terdiri daripada karbonat berkapur (Soviet) yang disertai oleh kawasan karbonat magnesia yang sangat sempit. Bermula sejak era Mesozoik awal, kompleks ini terletak dalam zon pemecahan yang berarah sub-barat laut yang mengalir dari utara ke selatan.

Pemilihan kedua-dua bidang penyelidikan ini adalah berdasarkan pertimbangan berikut:

Kepentingan geologi: Kompleks karbonat Namibia dikaitkan dengan unsur nadir bumi yang penting untuk peralihan tenaga hijau.

Pendedahan yang baik: Struktur geologi kawasan kajian terdedah dengan baik, yang kondusif untuk penyelidikan penderiaan jauh.

Iklim gersang: Iklim gersang mengurangkan litupan tumbuh-tumbuhan, menjadikan ciri-ciri batuan lebih mudah dikesan oleh sensor satelit.

Ketersediaan data: Data multispektral satelit dan data sampel batuan tanah tersedia untuk kawasan kajian.

Rajah 2. Lokasi geografi dan ciri-ciri geologi kawasan kajian

Kaedah Penyelidikan

1. Prapemprosesan Data

Penyedia data hiperspektral satelit biasanya menawarkan pelbagai tahap data praproses, termasuk:

• Data penentukuran geometri dan sensor (Tahap L0): Data mentah, tanpa sebarang pemprosesan penentukuran.
• Sinaran atmosfera peringkat atas yang dibetulkan radiasi (peringkat L1): Data ini telah dibetulkan radiasi untuk memberikan maklumat radiasi yang lebih baik, tetapi masih merangkumi faktor atmosfera dan faktor lain yang mempengaruhi.
• Anggaran pantulan permukaan yang dibetulkan secara atmosfera (tahap L2): Data yang dibetulkan secara atmosfera memberikan anggaran yang paling hampir dengan pantulan permukaan sebenar.

Data L2 telah digunakan dalam kajian ini (lihat Jadual 2). Prestasi sensor dan ketidakkonsistenan antara sensor yang disebabkan oleh ketidaktepatan dalam aliran kerja prapemprosesan masing-masing telah diambil kira. Proses prapemprosesan yang berbeza ini adalah seperti berikut:

• Pembetulan geometri: Memastikan ketepatan ruang imej dan membetulkan sebarang herotan yang disebabkan oleh pergerakan sensor atau perubahan rupa bumi.
• Pembetulan sinaran: Menukar isyarat digital yang dirakam kepada nilai sinaran sebenar yang boleh digunakan untuk analisis, menghapuskan pengaruh ciri-ciri sensor.
• Pembetulan atmosfera: Menghilangkan kesan penyerakan dan penyerapan atmosfera untuk mendapatkan pantulan yang hampir dengan permukaan Bumi.

Jadual 2 Maklumat pada setiap set data dalam kajian

PRISMA

Proses penjanaan data sinaran PRISMA L1 merangkumi pembetulan ambang medan rata dan kaedah piksel gelap untuk menjana dan mengemas kini parameter sinaran, spektrum dan geometri. Seterusnya, pemproses L2 menggunakan data sinaran atmosfera peringkat atasan L1 dan jalur pankromatik sebagai input untuk menjana data pantulan permukaan yang dibetulkan secara atmosfera akhir.

EnMAP

Data L2 yang digunakan dalam kajian ini oleh EnMAP diperoleh menggunakan Modul Pembetulan Iklim (PACO) berasaskan Python yang dibangunkan oleh Pusat Aeroangkasa Jerman (DLR). Walaupun PACO terutamanya berdasarkan kod ATCOR-IDL, ia dikenali dengan prosedur penentukuran dan pengesahannya yang unik dan ketat. Model ini secara automatik menentukan ketumpatan biom khusus pemandangan, tahap ozon dan musim menggunakan parameter konfigurasi sensor seperti sudut zenit suria dan sudut luar paksi pemerhatian. Parameter ini kemudiannya digunakan untuk pembetulan ozon, sirus dan jerebu. Output yang dihasilkan oleh proses ini termasuk topeng imej, ketebalan optik aerosol, peta panjang gelombang dan imej pantulan atmosfera aras rendah. Produk pantulan L2A akhir adalah gabungan output ini. EnMAP juga menyediakan pelbagai parameter pemerolehan yang boleh dipilih pengguna, seperti sudut pemerhatian, yang amat penting di kawasan yang mempunyai variasi topografi yang ketara.

EMIT

EMIT mewakili kemajuan yang berpotensi ketara dalam pengimejan hiperspektral, menggunakan pengesan inovatif untuk menangkap keseluruhan spektrum VNIR-SWIR pada satu sensor. Teknologi ini membuka peluang baharu untuk misi SBG (Biologi Permukaan dan Geologi) NASA yang akan datang, membantu mengurangkan perbezaan antara julat VNIR dan SWIR. EMIT menggunakan alat pemodelan pemindahan radiasi untuk menjana produk pantulan akhir dan melakukan penentukuran radiometrik untuk memastikan konsistensi andaian dan mengurangkan ralat yang disebabkan oleh model. Ia juga memanfaatkan ciri awan terang dalam pemandangan untuk memantau penentukuran panjang gelombang pendek (VNIR). Tambahan pula, EMIT menggunakan penentukuran silang dengan instrumen lain di orbit untuk menilai ketepatan mutlak protokol penentukuran yang telah ditetapkan. Aliran kerja prapemprosesan baharu EMIT memastikan kualiti produk yang konsisten sepanjang kitaran hayatnya. Resolusi ruang 60 meternya berkesan memenuhi keperluan misi saintifik berskala besarnya, seperti pemetaan mineral dan aliran habuk. Penggunaan orbit Bumi rendah EMIT di Stesen Angkasa Antarabangsa juga menyediakan peluang untuk pemerolehan data frekuensi tinggi.

HyMap

Set data hiperspektral bawaan udara diperoleh menggunakan sensor HyMap pada ketinggian 2000 meter, dengan persampelan ruang 5 meter. Pembetulan geometri dan radiometrik telah dilakukan oleh HyVista, syarikat yang memperoleh data tersebut. Pembetulan atmosfera menggunakan model aerosol benua dan model atmosfera musim panas latitud pertengahan, dengan mengandaikan kepekatan ozon 340 ppm dan keterlihatan 75 km, untuk menganggarkan pantulan permukaan.

Dalam babak HyMap yang diterima daripada Eppembe, tompokan tumbuh-tumbuhan telah ditutup. Walau bagaimanapun, penutupan ini tidak dilakukan dalam babak lain kerana pada resolusi 30 meter dan 60 meter, kebanyakan piksel mengandungi beberapa tumbuh-tumbuhan.

Penulis: Chakraborty, R.; Rachdi, I.; Thiele, S.; Booysen, R.; Kirsch, M.; Lorenz, S.; Gloaguen, R.; Sebari, I. Perbandingan Spektrum dan Ruang Data Hiperspektral Berasaskan Satelit untuk Pemetaan Geologi. Remote Sens. 2024, 16, 2089. https://doi.org/ 10.3390/rs16122089