بخشی از مقاله
مقدمه
یکی از روشهای رایج در اکتشافات معدنی، استفاده از دادههای ماهوارهای میباشد. سنجش از دور به عنوان تکنولوژی و علمی تعریف می شود، که به وسیله آن، میتوان بدون تماس مستقیم با سطح زمین، معمولاً در طول موجهای بین 0/4 میکرومتر تا حدود 1 متر، مشخصه های طیفی یک شیء یا پدیده سطحی را تعیین، اندازهگیری یا تجزیه و تحلیل نمود. اجسام مختلف در محدوده طول موج-های طیف الکترومغناطیسی، بسته به ویژگیهای فیزیکی و ترکیب کانی شناسی و شیمی خود، امواج الکترومغناطیس را در طول موجهای مختلف با شدتهای متفاوت منعکس و یا جذب می کنند. داشتن اطلاعاتی از رفتار طیفی اجسام در طول موجهای گوناگون، براساس منحنیهای شاخص بازتابندگی و جذب طیف، در سنجش از دور از اهمیت زیادی برخوردار است .(Gupta, 2003) در سنجش از
دور، امواج الکترومغناطیسی پس از برخورد با پدیدههای مختلف زمین بازتاب یافته و بوسیله سنجندهها ثبت، و سپس مورد بررسی قرار میگیرند. با استفاده از این تفاوتهای بازتابندگی طیفی اجسام می توان انواع سازندهای زمین شناسی را بوسیله سنجش از دور چند طیفی از یکدیگر تفکیک نمود. همچنین علم و فناوری سنجش از دور در سایر شاخههای علوم و مهندسی همچون زمین شناسی، معدن، عمران، کشاورزی، آب شناسی، هواشناسی و محیط زیست کاربردهای بسیاری پیدا کرده است(نجفیان، .(1389
اکثر طیف هایی که از تصاویر ماهواره ای بدست می آیند، به دلایل مختلف از قبیل جذب، انتقال و یا پراکنش، ممکن است طیف خالص یک کانی نباشند و در نتیجه مقایسهی آنها با طیف های مرجع، کاری مشکل و در بسیاری موارد ناممکن می باشد، بطوری که فرایند تخمین را با عدم قطعیت بالایی همراه می سازد. یکی از راه های تشخیص و شناسایی طیف مواد مختلف، تطبیق آنها با کتابخانهی
59
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
طیفی مرجع می باشد. کتابخانهی طیفی مرجع مجموعه ای از طیفهای بازتابندگی مرجع اندازهگیری شده از مواد شناخته شده (کانی، گیاه و ...) میباشد که معمولا در آزمایشگاه و یا مستقیما با اندازهگیری در سر زمین بدست میآیند. کتابخانههای طیفی موجود در نرم افزارها برای کانیها و مواد معدنی، اغلب در شرایط آزمایشگاهی و با استفاده از پودر این مواد که مورد اسپکترورادیمتری قرار گرفته است، بدست میآیند. بعنوان مثال نرم افزاز پردازش تصاویر ماهوارهای ENVI، شامل 27 کتابخانهی طیفی مرجع برای طیف وسیعی از مواد شامل کانیها، گیاهان و مواد ساخت بشر میباشد. کتابخانهی طیفی مرجع میتواند راهنمای مناسبی برای شناسایی طیفهای بدست آمده از تصاویر ماهوارهای باشد (نجفیان، .(1389 محققان زیادی کتابخانههای طیفی را برای کانیها و مواد موجود در منطقهی مورد مطالعه خود، برای تسهیل تحقیقات بوسیله دادههای ماهوارهای چند طیفی و ابر طیفی، طی انجام پروژههای تحقیقاتی تهیه نمودهاند که به عنوان مثال می توان از کلارک و همکاران( (1993، کرو و همکاران (1992)، الویج (1990)، کرب و همکاران (1996) و سالیسبوری و همکاران 1991)و(1994 نام برد.
در نرم افزازهای پردازش تصاویر ماهوارهای مانند ENVI، از روشهای مختلفی مانند روشهای باینری (Mazer et al., 1988 ; Goetz et al., 1985) نقشه بردار زاویهی طیفی((Kruse et al., 1993, 1992 و انطباق سیمای طیفی
(Clark et al., 1990; Crowley et al., 1992; Swayze et al., 1995)، برای تطبیق طیف ناشناس با کتابخانه طیفی مرجع توسعه یافته است.
در روش باینری، دادهها به ترتیب با یک میانگین طیفی مقایسه میشوند. از آنجایی که این روش یک روش نظارت شده هست، طبیعتا نیاز به داده های آموزشی دارد که در غالب ROIs فراهم می شوند. میانگین طیفی با استفاده از این داده ها محاسبه می شود، یعنی برای هر محدوده یک میانگین گیری از پیکسلهای داخل این محدوده انجام می شود. سپس مقادیر پیکسل مجهول در هر باند با این میانگین مقایسه می شود. مقادیر بالاتر از میانگین 1 و کمتر از میانگین صفر در نظر گرفته میشوند و سپس هر طیف مرجع باینری شده بوسیله یک تابع انحصاری OR با طیف تصویر مقایسه میشود .(Mazer et al., 1988)
الگوریتم روش نقشه بردار زاویهی طیفی، مشابهت بین دو طیف را به وسیلهی زاویه طیفی بین آن دو محاسبه میکند. در واقع با تبدیل طیفها به بردار در فضایی به ابعاد تعداد باندها، زاویه بین دو بردار محاسبه میشود. در این روش برای محاسبه زاویه، جهت بردارها اهمیت دارد و نه طول آنها و به همین علت میزان روشنایی پیکسل در طبقه بندی آن تاثیری ندارد. هرچه مقدار زاویه (بین0 تا (1 کمتر باشد شناسایی دقیقتر خواهد بود .(Kruse et al., 1993) انطباق سیمای طیفی مقایسه و تطبیق طیف تصویر با طیف مرجع از طریق روش کمترین مربعات میباشد. از این روش جهت شناخت مستقیم کانیها بوسیله تطابق و جور کردن طیف تصویری ناشناخته با طیف مرجع شناخته شده، استفاده میشود. از آنجا که این روش بر مبنای جذب طیفی میباشد، طیف ناشناخته با توجه به طول موجی که دارد بر روی طیف مرجع جابجا شده و در موقعیت جدید تطبیق پیدا میکند. تطبیق طیف تصویر با طیف مرجع در دو مرحله تطبیق طیفی شامل سنجش تصویر تناسب کمترین مربعات انجام میشود(. (Clark et al., 1991
×پاییز 91، شماره 5
در این تحقیق سعی شده است با تصویر کردن طیف کانیها بر اساس شدت بازتابندگی و جذب و محاسبه ضریب همبستگی، طیف ناشناسی را که از تصاویر ماهواره ای بدست می آید با طیفهای کتابخانهای مرجع مقایسه و بر اساس شباهت طیفی، امکان تعلق آن به مجموعه کانیهای موجود در بانک کتابخانه طیفی محاسبه و کانی دارای بیشترین شباهت به کانی ناشناس مشخص گردد.
مواد و روش ها زمین شناسی منطقه مورد مطالعه
از آنجایی که اغلب کانسارهای مس پورفیری ایران در زون کمان ماگمایی ارومیه-دختر قرار گرفتهاند، در این تحقیق سعی شده تا با استفاده از دادههای تلفیقی سنجندههای چند طیفی ALI، ASTER (نجفیان و همکاران، (1390 و ابرطیفی هایپریون (نجفیان، (1389 جنوب غرب شهر کرمان که به عنوان قسمتی ازاین کمربند، دارای کانسارهای پورفیری مهمی همچون سرچشمه، کوه پنج و دره زار میباشد، اقدام به شناسایی طیفهای ناشناس منطقهی مورد مطالعه بوسیلهی مقایسه آنها با کتابخانه طیفی مرجع گردید.
منطقه مورد مطالعه بخشی از برگه 1:100000 پاریز در بخش جنوبی کمربند آتشفشانی- رسوبی ایران مرکزی در جنوب غرب شهر کرمان را شامل میشود و از لحاظ پوشش گیاهی فقیر میباشد. ناحیه مورد مطالعه دارای وضعیت کوهستانی است و الگوی آبراههای آن بخوبی توسعه یافته است. سنگهای آتشفشانی رسوبی ائوسن شامل پیروکلاست، پیروکسن تراکی آندزیت، پیروکسن آندزیت، تراکی آندزیت، تراکی بازالت و آندزیت سنگهای قدیمیتر ناحیه را در بخشهای شرقی، غربی و مرکز منطقه تشکیل میدهد. نفوذ فازهای اولیگو- میوسن شامل گرانیدیوریت، دیوریت، کوارتز دیوریت، مونزونیت، تونالیت و گرانیت واقع در مناطق مرکزی و جنوبی تر درون مجموعه آتشفشانی - رسوبی باعث گسل خوردگی، شکستگی، دگرسانی و کانسارسازی در سنگهای پورفیری و سنگهای آتشفشانی همبر آنها شده است (شکل (1
60
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×پاییز 91، شماره 5
شکل.1 نقشه زمین شناسی منطقه مطالعاتی (بابایی، .(1388
دادههای مورد استفاده
سنجنده ALI یکی از سه سنجنده ایست که بوسیله ماهواره EO-1 در نوامبر 2000 توسط ناسا به فضا پرتاب شد. ALI دارای 9 باند با قدرت تفکیک مکانی 30 متر و یک باند پانکروماتیک با قدرت تفکیک مکانی 10 متر میباشد و تصاویرش را با روش جارویی رو به جلو برداشت می کند (Hubbard et al., .2003) در مقایسه با ASTER، هر دو دارای 9 باند منحصر به فرد در محدوده-های VNIR و SWIR، بدون در نظرگرفتن باند پانکروماتیک، میباشند که موقعیت مرکز باندهای آنها کاملا متفاوت میباشد که برای مطالعه و تهیه نقشه از کانیها بوسیله روشهای سنجش از دوری ، بسیار مفید میباشد. وجود سه باند اضافی ALI در VNIR و سه باند اضافی ASTER در SWIR در مقایسه با LANDSAT و داشتن قدرت تفکیک مکانی 30 متر در ALI-VNIR و ASTER-SWIR و همچنین چندین همپوشانی بین باندهای ALI و ASTER، استفاده همزمان این دو سنجنده را برای تهیه نقشه از کانیها و
کاربردهای زمین شناسی مفید میسازد (شکل .(2 زیرا به خاطر موقعیت نسبی مراکز باندهایشان، ALI برای تفکیک کانی های دارای اکسید آهن مفید میباشد و ASTER بخوبی قادر است انواع زیادی از کانیهای رسی، سولفاتها و کربناتها را مشخص سازد. ماهوارههای Terra (که ASTER را حمل می کند) و EO-1 بر روی یک مدار مشترک چرخش میکنند که این امکان را برای ALI و ASTERفراهم میکنند که از هدف های مشخص فقط با نیم ساعت اختلاف، تصویر برداری نمایند.در نتیجه مقایسه بین آنها از دقت بالایی برخوردار میباشد
.(Hubbard et al., 2005)
با توجه به اینکه دادههای مورد استفاده در این تحقیق از تلفیق 7 باند طیفی سنجنده ALI در محدودهی VNIR و 6 باند طیفی سنجنده ASTER در محدودهی SWIR تشکیل شده است، در نتیجه مجموعهای از 13 باند طیفی خواهیم داشت که امکان نگاشت کانیها و شناسایی مناطق دارای دگرسانی و اکسیدهای آهن را با دقت بالاتری فراهم میآورد (نجفیان و همکاران، .(1390
61
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×پاییز 91، شماره 5
شکل . 2 مقایسه محدوده باندهای ALI با لندست و ASTER و باند های حاصل از تلفیق داده های
سنجندهی هایپریون یک فنآوری پیشرفته و جدید است که دادههای تصویری ابرطیفی با کیفیت بالا، برای کاربردهای مختلف علوم زمین فراهم میآورد. تصویربرداری ابرطیفی در محدوده های طیفی بسیار باریک و به هم پیوسته، قابلیت تفکیک بهتری از اشیاء و پدیدهها با ویژگیهای طیفی متفاوت را فراهم مینماید .(Gersman et al., 2008) سامانه تصویر برداری هایپریون، نواری با پهنای 7/5 کیلومتر و پیکسلهایی با ابعاد 30×30 متری را برای تمامی باندها برداشت میکند .(Stephen et al., 2003) سنجندهی هایپریون در گستره طیفی 0/4تا 2/4 میکرومتر و در 242 باند طیفی تصویربرداری مینماید. با توجه به اینکه در این سنجنده برخی از باندها دارای نسبت نوفه به سیگنال بالایی می-باشند و کالیبره نشدهاند، تنها 198 باند آن قابل استفاده می باشد (Simon et al., 2002) که برای داده های مورد استفاده در این تحقیق پس از انجام تصحیحات، تصاویری با 182 باند طیفی (نجفیان، (1390 مورد استفاده قرار گرفتند.
پیش پردازش داده ها
در این مطالعه از دادههای ALI سطح 1 برداشت شده در سال 2004 و دادههای ASTER سطح B1 برداشت شده درسال 2004 که تصحیحات هندسی در زون UTM40 با مبنای ارتفاعی WGS-84 بر روی آن صورت گرفته بود، در محدوده بازتابی VNIR و SWIR استفاده گردید. در ابتدا بر روی هر باند از دادههای ALI، برای تصحیح هاشورخوردگی تناوبی خطوط برداشت ماهواره، تصحیح خطوط جامانده انجام شد. تصحیحات رادیومتری نیز برای تصحیح پراکندگیهای اتمسفری روی دادهها استفاده شد. سپس باندهای هر دو سنجنده ترکیب گردید. به منظور بارز سازی عوارض طیفی از روش بازتابش متوسط نسبی
ALI و ASTER (نجفیان و همکاران، 1390 و (Hubbard et al., 2003
داخلی (IARR) برای نرمالیزه کردن تصاویر، با استفاده از یک طیف میانگین صحنه استفاده گردید. در این روش طیف میانگین برای صحنه ورودی محاسبه شده و این طیف به عنوان طیف مرجع استفاده میگردد. سپس این طیف بر هر پیکسل تقسیم می شود و در نهایت طیف ظاهری پیکسل بدست میآید (نجفیان و همکاران، .(1390
همچنین از دادههای هایپریون برداشت شده در سال ) 2004 همزمان با داده های (ALI که تصحیحات هندسی با استفاده از تصاویر ماهوارهای آستر با دقت تصحیحاتی زیاد در زون UTM 40 با مبنای ارتفاعی WGS-84 صورت گرفته است، استفاده گردید. روشهای تصحیح رادیومتری متفاوتی موجود است که یکی از آن ها حذف اثر خطوط جامانده می باشد که به علت وجود اسکنر پوش بروم در هایپریون می باشد که تصاویر را به روش جارویی رو به جلو برداشت میکند.
به خاطر نیاز به داشتن بازتاب واقعی سطحی، باید اثرات جوی به کمک روشهای تصحیح یا جبران افمسفری حذف یا کمینه شوند .(Yuan& Niu, 2008) از آنجاییکه دادههای هایپریون منطقه به شدت تحت تاثیر اثرات جوی قرار داشتند، سعی شد تا حدامکان این مشکل با استفاده از روش تصحیح جوی QUAC با استفاده از نرم افزار ENVI، بر طرف گردد.
QUAC یک روش تصحیح جوی در محدوده طیفی VNIR و SWIR برای داده های سنجنده های چند طیفی و ابر طیفی می باشد. این روش بر خلاف روش های دیگر، پارامترهای جبران اتمسفر را به طور مستقیم از تصویر (طیف پیکسل مشاهده)، بدون اطلاعات فرعی تعیین می کند. این روش تا حدودی از FLAASH و روش های مبتنی بر داده های اولیه که به صورت فیزیکی مشخص می شوند، دقیق تر است. QUAC بر اساس یافته های تجربی است که بازتاب طیفی مواد گوناگون و عناصر خالص حاضر در یک صحنهتقریباً و عموماً متقل از
62
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
خود صحنه هستند. بنابراین این روش بدون مدلسازی فیزیکی ابزاری است با سرعتی قابل توجه نسبت به روش های دیگر. همچنین این روش امکان استفاده در شرایط مختلف زاویه دید و ارتفاع خورشیدی را ممکن می سازد ENVI 4.7-) .(Help (شکل(3 طیف تصاویر هایپرین را قبل و بعد از تصحیح جوی نشان می-دهد. پس از انجام پیش پردازش داده ها، دو مجموعه متفاوت، شامل داده های چند طیفی جدید ALI+ASTER که حاصل تلفیق باندهای دو سنجنده ALI و ASTER میباشند و همچنین داده های ابرطیفی هایپریون، تهیه گردید. الگوریتم پیشنهادی برای شناسایی طیف ناشناس حاصل از هرکدام از مجموعه داده ها بطور جداگانه، مورد بررسی قرار گرفت. از نرم افزار MATLAB جهت برنامه نویسی الگوریتم استفاده شده است.
