Разработка методики обработки многозональных космических изображений для решения геологических задач

Короткий опис

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр. ф Введение ... 1

ГЛАВА 1. Современные методы решения геологических

задач. Постановка задачи исследования...8

1.1. Основная классификация геологических задач... 8

1.2. Основные методы геологоразведки... 10

1.3. Основные задачи и методы сейсмологии...11

1.4. Основные понятия линеаментного анализа... 17

1.5. Использование программы LESSA для получения ориентационно-структурных характеристик аэрокосмических изображений... 21

1.6. Важность методов дистанционного зондирования для решения

геологических и геофизических задач...31

1.7 Основные космические системы дистанционного зондирования... .34

1.8. Основные характеристики приборного комплекса ASTER (TERRA)...43

1.9. Основные коммерческие программные средства для анализа космических изображений... 48

1.10. Постановка задачи исследования...49

Глава 2. Исследование спектральных характеристик горных пород исследуемого района и выделение классификационных

w признаков...53

2.1. Краткая географическая характеристика района исследований... 53

2.2. Краткая геологическая характеристика района исследования... 59

2.3. Спектральные характеристики горных пород исследуемого

района и выделение классификационных признаков... 68

Глава 3. Использование изображений спутниковой системы ASTER для обнаружения залежей металлов на севере Чили с применением линеаментного анализа... 85

3.1. Сравнительный анализ геологической информативности разнозональных космических изображений при дешифрировании линеаментов...85

3.2. Сравнительный анализ информативности результатов линеа- ментного анализа в зависимости от разрешающей способности космоизображений... 104

3.3. Сравнительный анализ геологического строения района и результатов линеаментного анализа... 115

3.4. Сравнительный анализ карты магнитных аномалий и результатов линеаментного анализа... 119

3.5. Сравнительный анализ металлогенической карты и результатов

линеаментного анализа... 122

Глава 4. Прогноз землетрясений на основе динамики линеаментов, выявленной при изучении землетрясений в Южной Америке по данным спутника Aster (Terra)... 124

4.1. Некоторые результаты наземных методов прогноза землетрясений... 124

4.2. Спутниковые методы прогноза землетрясений... 122

4.3. Связь между системами линеаментов и положениями эпицентров...132

4.4. Изучение изменений в структуре линеаментов, вызванных землетрясениями в Южной Америке, с применением линеаментного анализа данных спутника Aster (Terra)... 134

4.5. Основные характеристики района землетрясения...134

4.6. Анализ динамики линеаментов... 137

4.7. Анализ полей плотности штрихов...141

Основные выводы к диссертации...147

Список литературы...149
Введение

Введение

Минерально-сырьевая база является основой любого промышленно развитого государства, поэтому поисково-разведочные работы полезных ископаемых постоянно развиваются и совершенствуются. При геологическом изучении территории и в поисково-разведочных работах используются самые совершенные технологии обработки экспериментальных данных, и прежде всего, основанные на современных достижениях компьютерных технологий.

В геологии одним из наиболее актуальных и перспективных направлений является разработка автоматизированных технологий тематической обработки многозональных космических изображений для решения различных съёмочных и поисково-разведочных задач, а также прикладных геологических и геофизических задач, связанных с прогнозом опасных природных процессов, например, с прогнозом землетрясений.

Для территории Чили использование материалов дистанционного зондирования поверхности Земли имеет особое значение, не только потому, что аэрокосмические технологии, занимающие важное место в современных науках о Земле, позволяют получить новую тематическую геопространственную информацию, но еще и потому, что большая часть её территории занята труднодоступными высокогорными хребтами Анд (высота до 6880 м), где имеется много вулканов, и случаются частые

землетрясения. В этих условиях применение известных и разработка новых автоматизированных компьютерных технологий обработки космических изображений с целью получения различной геологической информации с учетом геолого-географических особенностей территории Чили является очень актуальной проблемой, решение которой способствует получению новой геологической информации, повышению достоверности и оперативности её получения, а также прямому и косвенному экономическому эффекту - резкому снижению затрат на геолого-поисковые, прогнозные и другие виды работ, нацеленных на расширение минерально-сырьевой базы Чили и на осуществление прогноза землетрясений и других природных катастрофических явлений.

Актуальность данных научных исследований становится тем более очевидной, если учесть, что научных работ подобного рода в Чили до настоящего времени не производилось. Научные исследования, связанные с использованием динамики системы линеаментов, выявленной по космическим изображениям, в качестве предвестника землетрясений вообще являются пионерными в науке.

Целью работы является разработка методики обработки многозональных космических изображений для решения геологических задач с учётом геолого-географических особенностей территории Чили.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

• проведение обзора и анализа существующих классификаций геологических задач и компьютерных технологий их решения;

• проведение обзора и анализа технических средств дистанционного зондирования поверхности Земли и программных средств получения и предварительной обработки космической информации для решения различных геологических и географических задач;

• проведения обзора, анализа и выбора программных средств тематической обработки космической информации и разработка собственных программных модулей для решения задач, сформулированных в данной диссертации;

• проведение эксперимента по практическому использованию разработанной методики автоматизированной обработки многозональных космических изображений применительно к геолого-географическим особенностям территории Чили:

- изучение спектральных характеристик горных пород;

- сравнительный анализ геологической информативности космических изображений в зависимости от их оптических зон;

сравнительный анализ информативности космических изображений в зависимости от их разрешающей способности;

• комплексный анализ геологического строения, металлогенных, геофизических аномалий и линеаментов, выявленных в результате автоматизированного линеаментного анализа многозональных

космических изображений с целью обнаружения их корреляции и осуществления на этой основе прогноза полезных ископаемых. • отработка метода прогноза землетрясений на основе использования в качестве предвестника закономерности, проявляющейся в динамике систем линеаментов, выявляемых при автоматизированной обработке космических изображений.

Основным фактическим материалом послужили космические изображения, полученные при помощи приборного комплекса ASTER в 14 спектральных каналах с пространственным разрешением от 15 до 90 метров. В работе в основном использовались изображения, полученные в первых трёх каналах: 0,52-0,60 мкм, 0,63-0,69 мкм и 0,78-0,86 мкм.

Автоматизированный поиск линеаментов осуществлялся при помощи пакета LESSA. Большинство программ по вторичной обработке цифровых космических изображений, было написано самим автором на языке MATLAB.

Методика исследования включала:

• изучение литературных и картографических материалов;

• изучение и получение практических навыков работы с программными пакетами ERDAS, IDRISI, MATLAB, LESSA.

• разработка собственного программного обеспечения для решения конкретных задач, сформулированных в диссертации;

• подбор многозональных космических изображений на тестовые участки;

• определение оптимальных условий получения геологической информации в зависимости от типа и разрешающей способности зонального космического изображения;

• автоматизированную обработку космических изображений с использованием разных программных средств для получения требуемой геологической информации;

• отработку методики прогнозирования землетрясений на основе космического (линеаментного) мониторинга сейсмических зон.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработан классификатор горных пород в зависимости от их спектральных характеристик применительно к геолого-географическим особенностям строения территории Чили;

• На основе изучения корреляционных зависимостей геологического строения, металлогинии, магнитных аномалий и линеаментов установлена связь рудных полезных ископаемых (Аи, Си, Mn, Fe) и магнитных аномалий с диагональной системой трещиноватости.

• Установлено, что в геологическо-географических условиях Чили наибольшей информативностью для региональных линеаментов является канал 3 (0,78-0,86 мкм), а для локальных (штрих-линеаментов) - канал 1 (0,52-0,60 мкм);

^ «Выявлено, что в период, предшествующих землетрясению (за 1-2

месяца), значительно усиливается степень выраженности согласных и

секущих по отношению к простиранию геологических структур линеаментов, а после землетрясения примерно за этот же отрезок времени система линеаментов приходит в первоначальное состояние.

Предмет защиты может быть сформулирован в виде следующих положений:

1. Разработан классификатор изверженных и осадочных горных пород в зависимости от их спектральных характеристик;

2. Осуществлена комплексная оценка информативности многозональных космических изображений в зависимости от оптической зоны их получения. Установлено, что в геолого-географических условиях Чили наиболее информативен для выделения сквозных (региональных) линеаментов канал 3 (0,78-0,86 мкм), а для локальных линеаментов - канал 1 (0,52-0,60 мкм).

3. Осуществлён комплексный анализ геологических и металлогенических карт, карты магнитных аномалии и схем линеаментов, полученных при автоматизированной обработке космических изображений. Установлено, что зоны линеаментов контролируют положение и форму магнитных и геохимических (металлогенических) аномалий, что позволяет более целенаправленно планировать и проводить поисково-разведочные работы.

б

4. Разработана методика прогноза землетрясений для геолого-географических условий Чили на основе использования в качестве предвестника динамики системы линеаментов: за 1-2 месяца до землетрясения значительно увеличивается плотность и степень выраженности линеаментов, при этом главное развитие получают секущие по отношению к главным геологическим структурам Анд; через 1-2 месяца после землетрясения система линеаментов возвращается в исходное состояние.

5. Разработаны программные пакеты, позволяющие производить оперативный анализ спектральных характеристик горных пород вдоль заданного профиля и облегчающие выработку классификатора изверженных и осадочных горных пород, а также программные пакеты, позволяющие производить сравнительный анализ полей плотностей линеаментов для изображений, полученных на различных стадиях подготовки землетрясений.

Основные результаты выполненных исследований предложены для использования в геологической службе Чили. Установленная практическая связь металлогенных и магнитных аномалий с зонами линеаментов (трещиноватости) уже сейчас может быть использована для переосмысления существующего перспективного плана поисков рудных полезных ископаемых (Аи, Си, Mo, Fe, и др.) на территории Чили.

Предложенный метод прогнозирования землетрясений может служить основой для организации космического сейсмологического мониторинга на территории Чили, главная цель которого выявление за 1-2 месяца до начала землетрясения изменение систем линеаментов тем, чтобы могли подключиться гораздо более дорогостоящие наземные методы прогноза (геофизические, геохимические, геодезические и др.) для уточнения места, силы и времени землетрясения.

Основные научные и практические результаты работы доложены на международных конференциях: 35th COSPAR Scientific Assembly, Париж, Франция, 18-25 июля 2004 г, Ш Latin American Symposium on Remote Sensing and Spatial Information Systems, Сантьяго, Чили, 22-26 ноября, 2004 г, 59-й юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, 8-9 апреля 2004 г.

По результатам выполненных исследований по теме диссертации автором опубликовано 5 статей (в соавторстве), и 3 тезиса международных конференций.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы, который насчитывает 106 наименований. Объём диссертации составляет 165 страниц основного текста, включая 10 таблиц, 43 иллюстраций.

8

ГЛАВА 1. Современные методы решения геологических задач. Постановка задачи исследования.

1.1. Основная классификация геологических задач.

Как известно, геология представляет собой комплекс наук о земной коре и более глубоких сферах Земли. При этом большинство прикладных и теоретических вопросов, решаемых геологией, связано с верхней частью земной коры, доступной прямому наблюдению. Методы непосредственного изучения недр не дают возможности познать строение Земли глубже, чем на несколько километров от её поверхности. Поэтому для изучения земной коры, а тем более нижележащих геосфер, активно применяют целый комплекс геологических, геофизических и геохимических методов.

В геологических исследованиях можно различить три основных направления. Задачей первого из них (описательная геология) служит описание минералов, горных пород и их типов; изучение состава, формы, размеров, взаимоотношений, последовательности залегания и других вопросов, связанных с современным размещением и составом геологических тел (слоев горных пород, гранитных массивов и др.). Второе направление (динамическая геология) заключается в изучении геологических процессов и их эволюции. К числу этих процессов

относятся как внешние по отношению к земной коре и более глубоким геосферам (разрушение горных пород, перенос и переотложение ветром, ледниками, наземными и подземными водами; накопление осадков на дне рек, озёр, морей, океанов и др.), так и внутренние (движения земной коры, землетрясения, извержения вулканов и сопутствующие им явления). Восстановление картины геологического прошлого Земли (историко-геологическая реконструкция) составляет сущность третьего направления геологических исследований (историческая геология). Задачи этого направления сводятся к изучению распространения и последовательности образования геологических напластований и других геологических тел, а также к установлению последовательности различных геологических процессов и событий, например процессов тектогенеза, метаморфизма, образования и разрушения залежей полезных ископаемых, трансгрессий и регрессий морей, смены эпох оледенений эпохами межледниковий и т.д. Данные три направления геологии неразрывно связаны друг с другом, и исследование каждого геологического объекта, как и любой территории, ведётся со всех трёх точек зрения, хотя каждое направление и является самостоятельным в смысле основных принципов и методов исследования [Бубнов, 1960; Жуков и др., 1970]. Наиболее значимыми практическими задачами геологии являются прогноз поиска и разведки полезных ископаемых и изучение природы явлений, представляющих непостредственную опасность для жизни людей, таких как землетрясения,

Электрические методы используют вариации электрических свойств пород и минералов, и особенно электропроводности. При этом на поверхности создается мощное постоянное или переменное электрическое поле, и производятся измерения распределения электрического потенциала в разных точках на поверхности. Данные методы наиболее успешны при обнаружении подземных вод и минералов, обладающих высокой электропроводностью.

Также существуют другие дополнительные методы геологической разведки, основанные на радиоактивных, химических и термических свойствах горных пород.

1. 3. Основные задачи и методы сейсмологии.

Основными задачами сейсмологии являются изучение природы и разработка научно-обоснованного прогноза землетрясений. В настоящее время общепринятая концепция возникновения землятресений заключается в том, что землятресения в земной коре возникают в результате излучения продольных и поперечных упругих волн динамически распространяющимся разрывом или системой разрывов. При этом землятресения разной силы обладают качественным сходством, что является отражением самоподобного фрактального строения земной коры. Это позволяет в свою очередь использовать результаты

11

лабораторных экспериментов для понимания природы подготовки макроразрывов.

В результате лабораторных исследований процесса деформации гранитных, бетонных, мраморных и известковых блоков было установлено, что внутренняя структура напряженно-деформированного состояния не является однородной и видоизменяется по мере формирования макроразрьша в результате изменения свойств материала вблизи образующихся трещин разного масштаба [Соболев и др. 1982, Соболев и Кольцову 1988]. При этом локализация неустойчивой деформации развивается постепенно, толщина зоны неустойчивой деформации уменьшается, и, в результате разгрузки, окружающий материал частично восстанавливает свои первоначальные свойства. Просходит процесс последовательной миграции деформаций от очага к периферии и обратно, что позволяет определить место будущего макроразрьша. Полярность скачков локальной деформации, регистрируемой в различных по отношению к формирующемуся разрыву областях, может быть противоположной не только ввиду возможных локальных неоднородностей строения среды, но и вследствие более фундаментального процесса разделения материала на области неустойчивой и упругой деформации. При этом существуют три главные стадии развития макроразрушений: рассеянное по всему объёму накопление трещин, слияние и укрупнение трещин по мере достижения

12

ими критической концентрации в единице объёма, и процесс кластеризации (стягивание трещин к поверхности будущего макроразрыва).

Данные особенности нашли свое отражение в модели лавинно-неустойчивого трещинообразования, разработанной специалистами Института физики Земли РАН. В основе модели лежат два явления: взаимодействие полей напряжений трещин и локализация процесса трещинообразования [Мячкин и др., 1975]. Согласно концепции длительной прочности [Журков, 1968], число и размер трещин постепенно нарастает под действием постоянных докритических напряжений. После достижения некоторой критической плотности трещин материал переходит в стадию быстрого макроразрушения.

В рамках ЛНТ модели предполагается, что этот процесс происходит путём слияния трещин в результате взаимодействия их полей напряжений. Теоретически было показано, что устойчивость системы трещин резко падает при уменьшении расстояния между ними [Панасюк, 1968]. Например, в случае взаимодействия двух неравных трещин отрыва малая трещина может замедлить свой рост или остановиться, если она находится над или под плоскостью большой трещины и ускориться, если расположена на продолжении большой трещины. Таким образом, при статистически равномерном распределении трещин в среде и постепенном увеличении их числа и размеров вследствие медленно

13

Список литературы