Jeolojik Haritalamada Uydu Hiperspektral Verilerinin Karşılaştırılması—Veri Bölümü

Yeni nesil uydu hiperspektral (HS) sensörleri, büyük ölçekli bölgesel mineral haritalaması için önemli bir potansiyel sunmaktadır. Bununla birlikte, tüm uydu sensörlerinde olduğu gibi, sonuçları, yansıma spektrumlarını doğru bir şekilde elde etmeden önce atmosfer, topografya ve geometri etkilerini ortadan kaldırmayı gerektiren karmaşık düzeltme süreçlerine dayanmaktadır. Bu düzeltmeler genellikle manuel olarak yapılır ve farklı yöntemler farklı sonuçlar verebilir. Rupsa ve ark., bu veri setleri arasındaki tutarlılığı ve jeolojik haritalamadaki uygulanabilirliğini araştırmak için PRISMA, EnMAP ve EMIT'ten elde edilen hiperspektral uydu verilerini HyMap sensörleri tarafından elde edilen havadan görüntü verileriyle karşılaştırdı. Jeolojik önem, nispeten iyi maruz kalma, kurak iklim ve veri kullanılabilirliğine dayanarak, Rupsa ve ark., karşılaştırma için Namibya'daki Marinkas-Quellen ve Epembe karbonat komplekslerini seçti. Bu lokasyonların hiperspektral verileri üzerinde nitel ve üç farklı nicel karşılaştırma yapıldı; bunlar arasında: (1) görünür-yakın kızılötesi (VNIR) ile kısa dalga kızılötesi (SWIR) spektral aralığındaki yansıma değerlerinin korelasyon karşılaştırması; (2) her sahnedeki belirli mineraller için spektral indekslerin karşılaştırılması; ve (3) doğrusal ayrıştırma kullanılarak tahmin edilen spektral bolluğun karşılaştırılması. Sonuçlar, görünürden kısa dalga kızılötesine (VNIR'den SWIR'ye) spektral aralık boyunca farklı sensörler arasında tutarlılıkta önemli farklılıklar olduğunu, VNIR aralığında daha iyi tutarlılık ve SWIR aralığında daha zayıf tutarlılık olduğunu göstermektedir. Çalışma, EnMAP ve EMIT sensörlerinden elde edilen SWIR spektral verilerinin en makul (en belirgin emilim özelliklerini gösteren) olduğunu, HyMap ve PRISMA sensörlerinin uç üye spektral bolluklarının ise jeolojik varyasyonlarla tutarlı olduğunu bulmuştur. Bu çalışma, jeolojik haritalama için SWIR aralığında doğru radyometrik ve topografik düzeltmenin gerekliliğini vurgulamaktadır.

Rupsa ve arkadaşları, üç uydudan (EnMAP, EMIT ve PRISMA) elde edilen yüksek kaliteli (bulutsuz, dumansız ve tozsuz) hiperspektral verileri kullandılar. Bununla birlikte, veriler aynı anda elde edilmedi ve farklı veri setleri arasında bir zaman aralığı bulunmaktadır. Uydular ve hava platformlarından elde edilenler de dahil olmak üzere tüm hiperspektral veriler, ölçülen dijital sinyalleri sensörler üzerindeki gerçek yüzey yansıtıcılığına dönüştürmek için kalibrasyon ve atmosferik düzeltme gerektirmiştir.

Şekil 1. Her bir sensörün kapsama alanı

Tablo 1. Farklı hiperspektral sensörler hakkında detaylı bilgi

Çalışma alanı

Güney Afrika sınırına yakın, Namibya'nın güneyinde yer alan Marinkas-Quellen, kalsiyum karbonat, magnezyum karbonat ve demir karbonat çeşitlerini içeren silikat ve karbonat kayaçlarından oluşan bir karbonat kompleksidir. Bu karbonat kompleksi Kambriyen'den erken Kambriyen dönemine kadar uzanır ve oluşumu iç kesimlerdeki rift aktivitesiyle ilişkilidir.

Namibya'nın kuzeyinde yer alan Epembe karbonat kompleksi, esas olarak kalsiyum karbonatlardan (Sovitler) oluşmakta olup, çok dar magnezyum karbonat bölgeleriyle birlikte bulunur. Erken Mezozoik döneme tarihlenen bu kompleks, kuzeyden güneye uzanan, kuzeybatıya doğru uzanan ayrık bir bölge içinde yer almaktadır.

Bu iki araştırma alanının seçimi aşağıdaki hususlar dikkate alınarak yapılmıştır:

Jeolojik önemi: Namibya'nın karbonat kompleksleri, yeşil enerji geçişi için önemli olan nadir toprak elementleriyle ilişkilidir.

İyi görünürlük: Çalışma alanının jeolojik yapısı iyi bir şekilde gözlemlenebilir, bu da uzaktan algılama araştırmaları için elverişlidir.

Kurak iklim: Kurak iklimler bitki örtüsünü azaltır, bu da kaya oluşumlarının uydu sensörleri tarafından daha kolay tespit edilmesini sağlar.

Veri kullanılabilirliği: Çalışma alanı için uydu çok spektrumlu verileri ve yer altı kaya örnekleme verileri mevcuttur.

Şekil 2. Çalışma alanının coğrafi konumu ve jeolojik özellikleri

Araştırma Yöntemleri

1. Veri Ön İşleme

Uydu hiperspektral veri sağlayıcıları genellikle farklı seviyelerde ön işlenmiş veri sunarlar, bunlar arasında şunlar bulunur:

• Geometrik ve sensör kalibrasyon verileri (Seviye L0): Herhangi bir kalibrasyon işlemine tabi tutulmamış ham veriler.
• Radyasyon düzeltmeli en üst düzey atmosferik radyasyon (L1 seviyesi): Bu veriler, daha iyi radyasyon bilgisi sağlamak için radyasyon düzeltmesinden geçirilmiştir, ancak yine de atmosferik ve diğer etkileyici faktörleri içermektedir.
• Atmosferik olarak düzeltilmiş yüzey yansıma tahminleri (L2 seviyesi): Atmosferik olarak düzeltilmiş veriler, gerçek yüzey yansımasına en yakın tahminleri sağlar.

Bu çalışmada L2 verileri kullanılmıştır (Tablo 2'ye bakınız). Sensör performansları ve sensörler arasındaki tutarsızlıklar, ilgili ön işleme iş akışlarındaki yanlışlıklardan kaynaklanarak dikkate alınmıştır. Bu farklı ön işleme süreçleri aşağıdaki gibidir:

• Geometrik düzeltme: Görüntülerin mekansal doğruluğunu sağlar ve sensör hareketinden veya arazi değişikliklerinden kaynaklanan bozulmaları düzeltir.
• Radyasyon düzeltmesi: Kaydedilen dijital sinyali, analiz için kullanılabilen gerçek bir radyasyon değerine dönüştürerek sensör özelliklerinin etkisini ortadan kaldırır.
• Atmosferik düzeltme: Dünya yüzeyinin yansıtıcılığına yakın bir değer elde etmek için atmosferik saçılma ve soğurma etkilerini ortadan kaldırır.

Tablo 2 Çalışmadaki her veri kümesi hakkında bilgi

PRİZMA

PRISMA L1 radyasyon verisi oluşturma süreci, radyasyon, spektral ve geometrik parametreleri oluşturmak ve güncellemek için düz alan eşikleme düzeltmesi ve karanlık piksel yöntemlerini içerir. Ardından, L2 işlemcisi, nihai atmosferik olarak düzeltilmiş yüzey yansıma verilerini oluşturmak için L1 üst düzey atmosferik radyasyon verilerini ve pankromatik bantları girdi olarak kullanır.

EnMAP

Bu çalışmada EnMAP tarafından kullanılan L2 verileri, Alman Havacılık ve Uzay Merkezi (DLR) tarafından geliştirilen Python tabanlı İklim Düzeltme Modülü (PACO) kullanılarak elde edilmiştir. PACO öncelikle ATCOR-IDL koduna dayanmakla birlikte, benzersiz ve titiz kalibrasyon ve doğrulama prosedürleriyle bilinmektedir. Model, güneş zenit açısı ve gözlem eksen dışı açısı gibi sensör yapılandırma parametrelerini kullanarak sahneye özgü biyom yoğunluğunu, ozon seviyelerini ve mevsimi otomatik olarak belirler. Bu parametreler daha sonra ozon, sirüs ve pus düzeltmesi için kullanılır. İşlem tarafından üretilen çıktılar arasında görüntü maskeleri, aerosol optik kalınlığı, dalga boyu haritaları ve düşük seviyeli atmosferik yansıma görüntüleri bulunur. Nihai L2A yansıma ürünü, bu çıktıların bir kombinasyonudur. EnMAP ayrıca, özellikle önemli topografik varyasyonların olduğu alanlarda önemli olan gözlem açısı gibi bir dizi kullanıcı tarafından seçilebilir edinim parametresi de sağlar.

EMIT

EMIT, yenilikçi bir dedektör kullanarak tüm VNIR-SWIR spektrumunu tek bir sensörde yakalayarak hiperspektral görüntülemede potansiyel olarak önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Bu teknoloji, NASA'nın yaklaşmakta olan SBG (Yüzey Biyolojisi ve Jeolojisi) görevleri için yeni fırsatlar açarak VNIR ve SWIR aralıkları arasındaki tutarsızlıkları azaltmaya yardımcı olmaktadır. EMIT, nihai yansıma ürününü oluşturmak için radyatif transfer modelleme araçlarını kullanır ve varsayımların tutarlılığını sağlamak ve model kaynaklı hataları azaltmak için radyometrik kalibrasyon gerçekleştirir. Ayrıca, kısa dalga boylu (VNIR) kalibrasyonunu izlemek için sahnedeki parlak bulut özelliklerinden de yararlanır. Dahası, EMIT, önceden tanımlanmış kalibrasyon protokollerinin mutlak doğruluğunu değerlendirmek için yörüngedeki diğer cihazlarla çapraz kalibrasyon kullanır. EMIT'in yeni ön işleme iş akışı, yaşam döngüsü boyunca tutarlı ürün kalitesi sağlar. 60 metrelik uzamsal çözünürlüğü, mineral ve toz akışlarının haritalanması gibi büyük ölçekli bilimsel görevlerinin ihtiyaçlarını etkili bir şekilde karşılamaktadır. EMIT'in Uluslararası Uzay İstasyonu'ndaki alçak Dünya yörüngesine yerleştirilmesi, yüksek frekanslı veri toplama fırsatları da sunmaktadır.

HyMap

Havadan elde edilen hiperspektral veri seti, 2000 metre yükseklikte ve 5 metrelik mekansal örneklemeyle HyMap sensörü kullanılarak elde edilmiştir. Geometrik ve radyometrik düzeltmeler, verileri elde eden HyVista şirketi tarafından yapılmıştır. Atmosferik düzeltmelerde, yüzey yansıtıcılığını tahmin etmek için 340 ppm ozon konsantrasyonu ve 75 km görüş mesafesi varsayılarak, kıtasal aerosol modeli ve orta enlem yaz atmosferik modeli kullanılmıştır.

Eppembe'den alınan HyMap sahnesinde bitki örtüsü yamaları maskelenmiştir. Ancak, 30 metre ve 60 metre çözünürlüklerde piksellerin çoğunda bitki örtüsü bulunduğu için diğer sahnelerde bu maskeleme yapılmamıştır.

Referans: Chakraborty, R.; Rachdi, I.; Thiele, S.; Booysen, R.; Kirsch, M.; Lorenz, S.; Gloaguen, R.; Sebari, I. Jeolojik Haritalama için Uydu Tabanlı Hiperspektral Verilerin Spektral ve Mekansal Karşılaştırması. Uzaktan Algılama. 2024, 16, 2089. https://doi.org/ 10.3390/rs16122089