Використання космічної інформації у вивчення літосфери: Застосування супутникових спостережень для геологічних досліджень

Тут розглядаються обмеження методів ДЗЗ відносно задач геології, основні напрями застосування методів ДЗЗ в геологічних науках, традиційні задачі для методів ДЗЗ в геології, методи вивчення гравітаційного і теплового полів Землі. Вивчення рельєфу земної поверхні методом супутникової радіолокації, вивчення рухів земної поверхні методом супутникової інтерферометрії, обмеження методу супутникової радіолокації і інтерферометрії, комплекс методів ДЗЗ для вивчення деформацій земної поверхні.

Сукупність суто геологічних задач істотно відрізняється від інших задач, які ми розглядаємо в рамках нашого курсу тим, що формальних моделей, які б описували усю складність процесів і явищ в геологічному середовищі наразі не існує. Існує лише обмежена кількість (як правило) детермінованих моделей окремих процесів та/або явищ, які базуються на балансових рівняннях , таким чином, не описують систему в цілому.

Це зумовлює складність використання даних і методів ДЗЗ як методів контролю модельних змінних. Залишаються методологічні підходи реєстрації змін поверхні і доповнення інформації для прийняття рішень.

Втім, за окремими напрямами досліджень, що відносяться до геологічних наук, можуть бути сформульовані як цілком системні моделі, так і коректні задачі ДЗЗ.

Ці задачі групуються за галузевою ознакою, або як традиційні напрямки робіт.

Основні напрями застосування методів ДЗЗ:

Геофізика:

• Вивчення теплового поля Землі з метою визначення внутрішнього розподілу планетарних мас за ознакою теплоємності і теплопроникності: теплова супутникова і авіаційна зйомка з λ>12mkm на глобальному і регіональному масштабах;
• Вивчення гравітаційного і магнітного полів Землі з метою визначення внутрішнього розподілу та динаміки планетарних мас на глобальному і регіональному масштабах: авіаційна зйомка традиційними засобами та аналіз супутникових навігаційних даних, вивчення іоносфери супутниковими засобами;

Геохімія:

• Вивчення розподілу порід за хімічним складом і фізичними властивостями відповідно до розподілу спектральної відбивної здатності поверхневого шару: авіаційна і супутникова зйомка в оптичному, тепловому і радіо діапазонах

Геоморфологія:

• Вивчення морфології границі розподілу (підстильної поверхні) як непрямих ознак геологічних явищ і процесів: вивчення рельєфу та змін висоти поверхні засобами радіолокації, аналіз розподілу структур на поверхні за даними оптичної та теплової зйомки;

Гідрогеологія:

• Вивчення особливостей вологонасичення і водного балансу поверхневого шару: аналіз проникненості поверхні в радіодіапазоні, вивчення оптичних індексів вологості;

Ресурси:

• Вивчення ресурсів за непрямими ознаками (геоіндикація): пошук змін теплового поля поверхні, оптичних спектральних особливостей підстильної поверхні (зокрема рослинного покриву) як наслідку впливів покладів корисних копалин

Наприклад, зважаючи на можливість отримання даних про довгохвильову радіацію на глобальному масштабі, успішно вирішується задача моніторингу теплового поля планети.

За допомогою гравіметрів космічного базування (наразі їх існує три технологічних типи) також можна отримувати розподіли гравітаційного поля планети. Ці дані дозволяють оцінювати розподіл планетарних мас, а також аналізувати природу виявлених аномалій.

Основні задачі, які традиційно вирішуються з достатньою достовірністю методами ДЗЗ, можуть бути визначені наступним чином.

Традиційні задачі для методів ДЗЗ:

• Вивчення рельєфу поверхні радіолокаційними засобами;
• Вивчення змін висоти поверхні радіолокаційними засобами(з метою вивчення геоморфологічних процесів та оцінки відповідних ризиків);
• Вивчення гідрогеологічних процесів розподілу вологості ґрунтів та ґрунтових вод радіолокаційними засобами та за оптичними спектральними “водними” індексами;
• Вивчення форм поверхні (з метою визначення розломних зон, імпактних структур, тощо);
• Вивчення складу порід на поверхні Землі за спектральним відбиттям в оптичному діапазоні;
• Геологічне картування з використанням супутникової інформації

Задача визначення рельєфу вирішується кількома способами. По-перше методом альтиметрії в радіолокаційному діапазоні (про що ми детально говорили в перший частині курсу), а по-друге, методом супутникової радіолокаційної інтерферометрії.

Цей метод базується на тому, що ми можемо визначати не лише час проходження сигналу від сенсору до поверхні, але й рахувати кількість обертів хвилі - фазу сигналу. Це підвищує точність оцінки.

Як і інші радіолокаційні методи, цей метод є суто "геометричним":

Прості алгоритми дозволяють розраховувати положення точки на поверхні за положенням двох супутників, або двома знімками, отриманими з різних точок простору. При цьому ми маємо точно контролювати положення супутників на орбіті.

В результаті ми отримуємо розподіл рельєфу та/або значення вертикальних рухів поверхні за час, що пройшов між отриманням двох зображень.

Це може бути використаним для вивчення активних розломних структур.

Також цікаві результати отримуються при застосуванні цієї технології для контролю вертикальних рухів поверхні (просідань) над шахтними полями в районах вуглевидобування.

Наприклад, для районів Донецької і Луганської областей було отримано значення просідань з точністю в межах 2-6 см, навіть за наявності значних перешкод для сигналів.

Розподіл кольорів на зображенні інтерферограми відповідає різним значенням просідань.

При вивченні розломних структур і сейсмічно активних територій, метод інтерферометрії є незамінним при оцінках напрямів і швидкості руху блоків, тобто, в певному сенсі - для прогнозування землетрусів.

При пост-катастрофічному моніторингу (наприклад, після землетрусу) за допомогою цього методу можна визначити просторовий розподіл деформацій поверхні і, таким чином, оцінити параметри розповсюдження хвиль землетрусу.

Слід зазначити, що як і всі радіолокаційні методи, метод інтерферометрії має певні обмеження.

Обмеження методу супутникової радіолокації і інтерферометрії:

До критичних, з точки зору можливості застосування радіолокаційних методів зйомки, відносяться:

• Перезволожені ділянки (висока та надлишкова зволоженість ґрунтів) та ділянки з високим показником солоності ґрунту та ґрунтових вод,
• Райони з високим показником проективного покриття рослинності, в тому числі з високим показником біомаси на одиницю площі (сільськогосподарські угіддя в період активної вегетації), в першу чергу – ділянки, вкриті лісовою рослинністю змішаного типу (переважно в період активної вегетації) та хвойними породами (незалежно від сезону),
• Ділянки, які характеризуються наявністю багатоповерхової забудови та конструкцій з високим вмістом металевих виробів,
• Ділянки, які характеризуються високою короткочасовою варіативністю змін рослинного покриву, пов’язаних із неврахованими впливами природних факторів (наприклад, кліматичних змін, штучно індукованих змін водного балансу, наслідків природних та техногенних надзвичайних ситуацій, тощо)

При застосуванні цього методу про це слід суворо пам'ятати.

Сукупність обмежень і можливостей зумовлює методику спостережень, тобто оптимальний комплекс методів ДЗЗ для вивчення деформацій поверхні.

Комплекс методів ДЗЗ для вивчення деформацій земної поверхні:

Оптимальна сукупність методів супутникового спостереження земної поверхні з метою визначення деформацій в техногенно навантажених регіонах та оцінки параметрів геоекологічної безпеки:

• Методи радіолокаціонної супутникової інтерферометрії для визначення рельєфу місцевості та місць вертикальних рухів поверхні, що базуються на використанні даних супутників ERS-1,2, ENVISAT, JERS та RADARSAT;
• Методи визначення типів підстильної поверхні, зокрема структури та розподілу рослинності і водних об’єктів, які базуються на використанні даних супутникового спостереження в оптичному діапазоні, зокрема даних супутників Landsat (сенсори TM та ETM), EOS Terra і Aqua, сенсор MODIS;
• Також можливо використання даних високого розрізнення оптичного діапазону для детального картування окремих ділянок місцевості з метою визначення важливих характеристик антропогенних змін поверхні, наприклад даних супутників типу OrbView з розрізненням 0,7 – 1,2 м

Окремо слід розглянути задачі, що вкладаються в іншу досіть успішно вирішувану сукупність - гідрогеологічні задачі. Їхнє вирішення зумовлене тим, що ми можемо реєструвати зміни вологонасичення поверхні і приповерхневого шару за змінами імпедансу і параметрів відбиття в оптичному діапазоні. Наразі існує кілька успішних задач в галузі гідрогеології.

Застосування радіолокації для вирішення гідрогеологічних задач

Основні засоби зйомки для вирішення гідрогеологічних задач:

• Базова інформація: спостереження за допомогою пасивних мікрохвильових радарів (частотний діапазон 15 – 20 GHz) супутникового базування (ERS, JERS, RADARSAT…), що базується на зміні діелектричних властивостей поверхневого шару в залежності від вмісту вологи;
• Калібрувальні дані: активне радіолокаційне зондування авіаційними засобами (фіксована довжина хвилі в межах від 6 до 40 см для космічних та до 80 см для авіаційних систем спостереження), яка дозволяє визначити вологість ґрунтів та динаміку ґрунтових вод на глибіні проникнення радіохвилі;
• Верифікація: зйомка в оптичному (включаючи ближній інфрачервоний) діапазоні (від 400 нм до 8 мкм) супутниковими і авіаційними засобами, яка дозволяє оцінити динаміку ґрунтових вод за ознаками реакції рослинного покриву,
• Верифікація: теплова зйомка (діапазон 9 – 15 мкм), що дозволяє оцінити вміст вологи за тепловою інерцією поверхневого шару

 Класичною задачею є визначення перезволожених ділянок поверхні з метою оцінки паводкового потенціалу територій.

Можливість вирішення цієї задачі може ґрунтуватися як на використанні радіолокаторів, так і на оптичних сенсорах. Якщо радіолокація базується на прямих електричних показниках, то оптичні спектральні індекси потребують моделей формування сигналу.

Розглянемо модель формування балансу енергії територій.

Ця модель дає методичну базу для застосування спектральних індексів, зокрема, водних індексів. Зазвичай, вони використовуються в комплексі з показниками теплового балансу (температурою поверхні).

Радіолокація є успішним методом для аналізу структури розломних зон в сукупності з даними про рельєф.

Вивчення розломних зон включає лінеаментний аналіз. Формально задача зводиться до пошуку структур на знімках, довжина яких є набагато більша за інші виміри, і вони спостерігаються у всіх смугах. (Теоретично, не існує жорсткої вимоги на обов'язкову наявність лінеаменту у всіх смугах спостереження, але зазвичай вони спостерігаються на всіх хвилях спектру). 

Слід зазначити, що подовжені розломні структури ми спостерігаємо на всіх поверхнях (різних планет), які ми можемо спостерігати. Їхня морфологія є дуже схожа і не залежить від походження, яке є очевидно різним.

Спостереження в оптичному діапазоні дозволяють отримати інформацію про розподіл порід на поверхні.

Зокрема, відбиття в окремих смугах спостереження дозволяє в високою достовірністю оцінювати мінеральний склад поверхні. Достовірність визначається по-перше, наявністю точних баз спектральних сигнатур (попередньо визначених розподілів спектральних характеристик різних типів підстильної поверхні), а по-друге, можливістю проведення наземних калібрувальних і завіркових робіт.

Компонентний склад поверхні разом із даними про рельєф є корисним для вирішення задач безпеки, наприклад, оцінки техногенних навантажень

Оцінка ресурсного потенціалу, або прямий пошук корисних копалин також є задачею, пов'язаною з визначенням компонентного складу.

Кількість спектральних індексів і спектральних ознак, за якими можна визначати компонентний склад, є достатньо великою. Вона обмежується лише технічними можливостями сенсорів - кількістю і шириною смуг спостереження, а також природними обмеженнями методу.

За допомогою описаних методів можна вирішувати задачі геологічного картування. Звісно, обмеження, зумовлені наявністю щільної рослинності та/або надлишковою зволоженістю, істотно ускладнюють використання ДЗЗ, але в багатьох регіонах ці методи успішно працюють.

При вирішення ресурсних задач в геології поширеним є метод геоіндикації. Він базується на тому, що поверхня, в першу чергу - рослинний покрив (хоча й не обов'язково він), змінюють свої характеристики яскравості під впливом геохімічних процесів над покладами. Це потребує істотних обґрунтувань кореляціями на широких статистиках, але фізично може бути формалізовано в прозорій формі.

Вся описана сукупність методів дозволяє створювати геологічні карти з використанням даних ДЗЗ.

Нарешті, окремою задачею є вивчення тектонічної активності за допомогою комплексу даних ДЗЗ. Власне, це є відповідно інтерпретовані дані про розподіл рельєфу на глобальному рівні.

Цей перелік задач визначає наявний набір застосувань ДЗЗ в геології. Втім, в залежності від постановки наукової задачі і інтерпретації, можуть бути вирішені і інші задачі.

Контрольні питання до теми:

1. Чим визначається цінність космічної інформації для геологічних досліджень?

2. Як на космічних знімках зображуються лінеаменти та кільцеві структури?

3. Які матеріали космічної зйомки використовують для вивчення вулканізму?

4. Назвіть основні напрямки геологічного картографування із застосуванням космічної інформації.

5. Які обмеження застосування методів вивчення деформацій земної поверхні супутниковими засобами?

8. Якими методами вивчається рельєф за даними супутникових спостережень?

Завдання для самостійної роботи

1.      Роль теплової і радіолокаційної зйомки в геологічних дослідженнях

2.      Приклад системи прогнозування та моніторингу соціо-екологічної небезпеки, пов’язаної із вулканічною активністю за даними супутникового спостереження в різних діапазонах та моделях переносу речовини в атмосфері

Рекомендована література:

1. Elachi C., Zyl J. Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Second Edition. John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2006, 557 р., ISBN-13 978-0-471-47569-9
2. Liu J.G., Mason Ph.J. Essential image processing and GIS for remote sensing. John Wiley & Sons, Oxford, Imperial College London, UK, 2009, 462 p., ISBN: 978-0-470-51032-2
3. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии: Пер. с нем. — М.: Мир, 1988. - 343 с.
4. Gao J. Digital Analysis of Remotely Sensed Imagery. McGraw-Hill, New York, 2009, 689 p., ISBN: 978-0-07-160466-6
5. Richards J.A., Jia X. Remote Sensing Digital Image Analysis. An Introduction. Fourth Edition. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg, 2006, 454 p., ISBN-10 3-540-25128-6
6. Багатоспектральні методи дистанційного зондування Землі в задачах природокористування. За ред. В.І. Лялько і М.І. Попова, К.: Наукова думка, - 2006,
7. Інформатизація космічного землезнавства / за ред. С.О. Довгого і В.І. Лялько – К.: Наукова думка, 2001, - 606 с.
8. Нові методи в аерокосмічному землезнавстві. Методичний посібник по тематичній інтерпретації матеріалів аерокосмічних зйомок. ЦАКДЗ ІГН НАНУ, Київ, - 1999, 265 c.