Использование гиперспектральных данных ASTER

Одним из основных инструментов работы геологов является карта, отображающая распределение и идентификацию горных пород, обнаженных на поверхности земли. Гиперспектральные данные космической и аэросъемки значительно улучшают возможности построения таких карт и позволяют уменьшить затраты, по сравнению с традиционными наземными методами.

ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) – прибор, установленный на спутнике Terra, запущенном в 1999 году. Он состоит из трёх подсистем, имеющих следующие характеристики:

Данные ASTER имеют 14 спектральных каналов, и этого спектрального разрешения недостаточно для идентификации видов минералов. Для определения узких полос поглощения определенных видов минералов необходимы гиперспектральные датчики, которые ведут съемку в сотнях каналов. Данные ASTER могут использоваться для картирования групп минералов, таких как диоктаэдрическая группа «Al-OH», включающая подгруппы минералов (и виды минералов) как каолины (например каолинит, диккит, галлуазит), белые слюды (например иллит, мусковит, парагонит) а также смектиты (например монтмориллонит а также бейделлит).


Продукты по данным ASTER VNIR – SWIR

1. Псевдоцвета (красный цвет = зеленая растительность)

Алгоритм:
Red: B3
Green: B2
Blue: B1

Маска:
Нет

Рекомендации по использованию:
Используйте это изображение, чтобы понять негеологические различия внутри и между сценами ASTER, вызванные зеленой растительностью (красной), гарями, тонкими и плотными облаками и тенями от них.

2. Соотношение реголита Landsat TM (CSIRO)
(белый цвет = зеленая растительность)

Алгоритм:
R: B3/B2
G: B3/B7
B:B4/B7

Маска:
Плотные облака + солнечные блики

Рекомендации по использованию:
Используйте это изображение, чтобы помочь интерпретировать (1) количество зеленого растительного покрова (отображается белым цветом); (2) базовое спектральное разделение (цвет) между различными реголитами и геологическими единицами и регионами /провинциями; и (3) свидетельства наличия немаскированных облаков (отображаются зеленым цветом). Если изображение цветное (т.е. не белое), то, скорее всего, имеет место геологическое/ минералогическое воздействие.

3. Содержание зеленой растительности

Алгоритм:
B3/B2

Маска:
Плотные облака + солнечные блики

Точность:
Средняя: осложнена оксидами железа, сухой растительностью и нескорректированными аэрозолями (включая дым). Оксид железа приводит к небольшому снижению содержания этого продукта зеленой растительности. Остерегайтесь сильных сезонных колебаний содержания зеленой растительности.

Примечания:
1. Стандартный NDVI [(B3-B2)/(B2+B3)] и используемая комбинация B3/B2 имеют высокую корреляцию.

2. Спектральные полосы пропускания ASTER не охватывают диагностические признаки сухой растительности (например, целлюлозу при 2080 нм), так что измерение, картирование и устранение последствий сухой растительности с этими данными затруднены.

Использование в геологии:
Используйте это изображение, чтобы помочь интерпретировать количество «затемняющего / усложняющего» зеленого растительного покрова.

4. Содержание оксида железа (гематит, гетит, ярозит)

Алгоритм:
B4/B3

Маска:
Маска с отсутствием зеленой растительности

Точность:
Средняя: согласно лабораторным валидационным исследованиям геологических образцов (Haest et al, 2012), RMSE этого продукта составляет ~11%. Однако эта ошибка больше для этих продуктов ASTER версии 1, учитывая, что нет коррекции для смешивания с зеленой и сухой растительностью. Зеленая растительность также частично обратно пропорциональна этому продукту. Нанесенная зеленая растительная маска не полностью устраняет эффект смешивания зеленой растительности. Используйте изображение в псевдоцветах, чтобы скорректировать это влияние.

Использование в геологии:
1. Открытая железная руда (гематит-гетит). Используется в сочетании с «индексом непрозрачности», чтобы помочь отделить / нанести на карту темные (а) поверхностные отложения (например, маггемитовые отложения), которые могут быть ошибочно идентифицированы на видимых и псевдоцветных изображениях; и (б) магнетит в BIF и/или слоистой железной руде;

2. Кислотность: в сочетании с содержанием группы FeOH, чтобы помочь отобразить ярозит, который будет иметь высокие значения в обоих продуктах.

5. Композит оксида железа (гематит, гетит)

Алгоритм:
B2/B1

Маска:
Маска композита + содержание оксида железа > 1,05
Маска с отсутствием зеленой растительности

Точность:
Средняя: этот продукт чувствителен к видимому цвету: высокие значения - красный, низкие - зеленый / желтый. Основной причиной «покраснения» является относительное количество гематита, хотя сухая растительность также может внести свой вклад. Гетит является одним из факторов «синевы», хотя зеленая растительность, минералы, такие как хлорит, и недостаток оксида железа также вносят значительный вклад. Нанесенные маски уменьшают осложнения, вызванные зеленой растительностью и свежими «зелеными» камнями с минералами, такими как хлорит. Однако сухая растительность может привести к ошибке. Количественное измерение отношения гематит-гетит более точно измеряется с использованием длины волны поглощения кристаллического поля 900 нм (Cudahy and Ramanaidou, 1996).

Использование в геологии:
(1) Картирование транспортируемых материалов (включая палеоканалы), характеризующихся гематитом (относительно гетита). Комбинировать с композитом AlOH для определения совместного расположения области гематита и плохо упорядоченного каолина для составления карты транспортируемых материалов;

(2) Картирование богатых гематитом участков в «более сухих» условиях (например, над уровнем грунтовых вод), в то время как богатых гетитом в «более влажных условиях» (например, на/под водой или в недавно открытых районах). Может также зависеть от климата.

6. Индекс двухвалентного железа (в силикатах/карбонатах - актинолит, хлорит, анкерит, пироксен, оливин, железистый доломит, сидерит)

Алгоритм:
B5/B4

Маска:
Маска композита + маска содержания зеленой растительности < 1,75

Точность:
Средняя: трудно независимо измерить точность продукта, поскольку спектрально обнаруженное двухвалентное железо связано с силикатными и карбонатными минералами, а не с двухвалентным железом в оксидах и сульфидах. Проблемы, которые затрудняют его точность, включают: (1) двухвалентное железо в несиликатных / карбонатных минералах, например, в оксидах (магнетит); (2) другие непрозрачные фазы, такие как сажа (например, графитовые сланцы и даже следы недавних пожаров, богатые черной золой); (3) недостаток сухого растительного материала, как при пожаре, который часто выглядит красным; и (4) зеленая растительность, которая подавляет этот показатель.

Использование в геологии:
Этот продукт может помочь нанести на карту открытые «свежие» (неокисленные) породы (теплые цвета), особенно матовые и ультраосновные литологические разновидности пород, богатые силикатами железа (например, актинолит, хлорит) и/или карбонатами железа (например, железистый доломит, анкерит, сидерит). Нанесение маски с содержанием группы MgOH на этот продукт помогает изолировать железосодержащие минералы, не содержащие OH, такие как пироксены (например, жадеит), от OH-содержащих или карбонатсодержащих минералов железа, таких как актинолит или анкерит, соответственно. Также комбинируйте с продуктами, содержащими группу FeOH, чтобы найти признаки железосодержащего хлорита (например, шамозита).

7. Индекс непрозрачности (потенциально включает сажу (например, золу), магнетит, оксиды Mn и сульфиды в неокисленных средах)

Алгоритм
B1/B4

Маска:
Плотные облака + солнечные блики + B4 <2600
Маска с отсутствием зеленой растительности

Точность:
Осложняется эффектами «альбедо», тенью от облаков и гари от недавних пожаров (высокое содержание черной золы), дымом, другими изменениями растительности и любыми остаточными ошибками в коррекции аэрозолей. Сложности с альбедо возникают, например, с материалами/пикселями с низким содержанием оксида железа, такими как кварц и/или глины, которые одинаково ярки в диапазонах VNIR и SWIR. Они изолируются (частично) с помощью маски альбедо (<25%), хотя это может быть дополнительно осложнено эффектами «затенения», например, богатые глиной пиксели в тени. Этот продукт необходимо сравнить с альбедо и продуктами инфракрасного диапазона в псевдоцветах, чтобы помочь отделить эти и другие затрудняющие дешифрирование эффекты.

Использование в геологии:
Полезно для картирования (1) магнетитсодержащих пород (например, BIF); (2) – маггемитового гравия; (3) оксидов марганца; и (4) графитовых сланцев.

Примечание: (1) и (4) выше могут свидетельствовать о «восстановленных» породах при интерпретации редокс-градиентов. В сочетании с продуктами «Содержание группы AlOH» (высокие значения) и «Композит группы AlOH» (высокие значения) можно найти доказательства любого вторжения «окисленных» гидротермальных растворов, которые могли взаимодействовать с восстановленными породами, выраженными в продукте индекса непрозрачности.

8. Содержание группы AlOH (фенгит, мусковит, парагонит, лепидолит, иллит, браммалит, монтмориллонит, бейделлит, каолинит, дикит)

Алгоритм:
(B5+B7)/B6

Маска:
Маска композита. Маска с отсутствием зеленой растительности.

Точность:
Средняя: по результатам лабораторных исследований геологических образцов (Haest et al, 2012) среднеквадратическая ошибка для продукта составляет ~5%. Однако эта ошибка больше для этих продуктов ASTER Версии 1.1, учитывая отсутствие поправки на смешивание с зеленой и сухой растительностью.

Точность усложняется любыми минералами с поглощением в каналах B5 и/или B7, такими как: (а) многочисленный хорошо упорядоченный каолинит, который покажет лишь небольшую относительную глубину поглощения (насыщенность) на уровне B6, поскольку он также сильно поглощает в канале B5; и (b) смешивание глины Al-OH с минералами, поглощающими в канале B7, такими как хлорит/эпидот; и (2) смешивание с зеленой/сухой растительностью.

Примечание. На более поздних изображениях ASTER (~ 2007 г.) возникла проблема с прибором, связанная с уменьшением динамического диапазона и связанной с этим насыщенностью детектора для более ярких пикселей, что привело к окончательному выводу модуля SWIR из эксплуатации с 2008 г. Свидетельства этого ухудшения очевидны для некоторых из сцены 2007 года, особенно для продуктов с B6 и для пикселей/областей с высоким альбедо. После нормализации эти скомпрометированные области эффективно сводятся только к чередованию столбцов. В идеале при обработке эти сцены должны быть заменены.

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) обнажений сапролита/сапрока;

2) глинистых стратиграфических горизонтов;

3) гидротермальных филлитовых (например, белая слюда) изменений с литологическим наложением;

4) богатых глиной разбавителей в рудных системах (например, глина в железной руде). Также комбинируйте с композицией AlOH, чтобы помочь составить карту обнажений на месте первоначального залегания коренных пород, сохраняющийся через «покрытие», которое может быть выражено как:

(а) более высокое содержание AlOH

б) длинноволновый (более теплый цвет) композит AlOH (например, мусковит/фенгит).

9. Композит группы AlOH

Алгоритм:
B5/B7

Маска:
Маска композита + зеленая растительность < 1,75 + содержание AlOH (B5+B7)/B6 > 2,0

Точность:
Средняя: смешивание с минералами, такими как хлорит и карбонат, и сухой / зеленой растительностью сделает цвета более теплыми, чем фактический композит Al-OH, в то время как холодные цвета (синий и голубой) могут быть скомпрометированы смесями с алунитом и сухим растительным материалом.

Примечание: Используйте в сочетании с содержанием группы Al-OH, чтобы уменьшить геологическую важность пикселей с низким содержанием. То есть не учитывайте значение любых изолированных пикселей теплого цвета, например тех, которые связаны с гарями.

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) обнаженный сапролит/сапрок часто представляет собой белую слюду или Al-смектит (более теплые цвета), тогда как транспортируемые материалы часто богаты каолином (более холодные цвета);

2) глины, образовавшиеся на карбонатах, особенно Al-смектит (монтмориллонит, бейделлит), будут давать цвета от средних до теплых;

3) стратиграфическое картирование на основе различных типов глин;

4) гидротермальные изменения с литологическим наложением, т.е. богатая кремнием и калием фенгитическая слюда (более теплые цвета). Комбинируйте двухвалентное железо в продуктах, содержащих MgOH и FeOH, чтобы найти доказательства перекрывающегося/наложенного калиевого метасоматоза в ферромагнезиальных материнских породах (например, архейская зеленокаменная минерализация, связанная с золотом) +/- связанные дистальные пропилитные изменения (например, хлорит, амфибол).

10. Индекс каолиновой группы
(пирофиллит, алунит, хорошо упорядоченный каолинит)

Алгоритм:
B6/B5

Маска:
Маска композита + зеленая растительность <1,4

Точность:
Средняя: осложняется сухим растительным материалом, гарями, тонкими облаками и бедными AlOH районами, в которых преобладают «мафические» минералы.

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) различных стратиграфических горизонтов глинистого типа;

2) гидротермальных изменений с литологическим наложением, т.е. высоко-сульфидированных, «расширенных аргиллитовых» гидротермальных изменений, включающих пирофиллит, алунит, каолинит/дикит;

3) хорошо упорядоченного каолинита (более теплые цвета) по сравнению с плохо упорядоченным каолинитом (более холодные цвета), что можно использовать для картирования на месте образования, по сравнению с транспортируемыми материалами соответственно.

11. Содержание группы FeOH (хлорит, эпидот, ярозит, нонтронит, гиббсит, гипс, опал-халцедон)

Алгоритм:
(B6+B8)/B7

Маска:
Маска композита + зеленая растительность < 1,4

Точность:
Низкая: осложняется облачностью, особенно тонкой облачностью, а также зеленой и сухой растительностью, карбонатными (магнезитовыми и в меньшей степени доломитом). Используйте в сочетании с MgOH и продуктами растительности (включая коэффициенты реголита), чтобы помочь разобраться со сложными эффектами растительности.

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) ярозит (кислотные условия) – в сочетании с высоким содержанием оксида железа;

2) гипс/гиббсит – в сочетании с низким содержанием оксида железа;

3) магнезит - в сочетании с низким содержанием оксида железа и умеренно-высоким содержанием MgOH;

4) хлорит (например, пропилитные изменения) – в сочетании с высоким содержанием железа в MgOH;

5) эпидот (кальциево-силикатное изменение) – в сочетании с низким содержанием железа в MgOH.

12. Содержание группы MgOH
(кальцит, доломит, магнезит, хлорит, эпидот, амфибол, тальк, серпентин)

Алгоритм:
(B6+B9)/(B7+B8)

Маска:
Маска композита + зеленая растительность < 1,4

Точность:

Средняя: осложняется облачностью, особенно тонкой облачностью, а также сухой растительностью (краснеет), белой слюдой, а также остаточными неточностями в коррекции "перекрестных помех" прибора, особенно для B9. Используйте в сочетании с продуктами растительности (включая соотношение реголита), чтобы помочь устранить осложняющие эффекты растительности.

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) «гидратированных» ферромагнетитовых пород, богатых OH-содержащими трехоктаэдрическими силикатами, такими как актинолит, серпентин, хлорит и тальк;

2) богатых карбонатом пород, включая шельфовые (палео-рифовые) и долинные карбонаты (калькреты, долокреты и магнекреты);

3) литология – наложение гидротермальных изменений, например, «пропилитовых изменений», включающих хлорит, амфибол и карбонат. Природа (состав) силикатных или карбонатных минералов может быть дополнительно оценена с использованием композита MgOH.

13. Композит группы MgOH

Алгоритм:
B7/B8

Маска:
Маска композита + содержание MgOH > 1,06 + зеленая растительность < 1,4

Точность:
Низкая: осложняется облачностью, особенно тонкой облачностью, а также сухой растительностью (более сухая растительность дает более красные тона). Используйте в сочетании с MgOH и продуктами растительности (включая коэффициенты реголита), чтобы помочь разобраться со сложными эффектами растительности.

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) открытого исходного материала, сохраняющийся через «чехол»;

2) изменения карбонатов при «доломитизации» – в сочетании с двухвалентным железом в продукте MgOH помогает отделить доломит от анкерита;

3) литологических гидротермальных (например, пропилитовые) изменений – в сочетании с продуктом содержания FeOH и двухвалентным железом в MgOH для выделения хлорита из актинолита по сравнению с тальком и эпидотом;

4) наслоения в пределах основных/ультраосновных интрузивов.

14. Содержание двухвалентного железа в MgOH / карбонате
(Fe-хлорит, актинолит, сидерит, анкерит),
часто используется для картирования основных пород

Алгоритм:
B5/B4

Маска:
Маска композита + содержание MgOH > 1,06 + зеленая растительность < 1,4

Точность:
Средняя: осложняется сухой и зеленой растительностью и любыми неточностями в продукте маски с содержанием MgOH (см. выше).

Использование в геологии:
Полезно для картирования:

1) неокисленных «материнских пород» – т.е. нанесение на карту открытых материнских пород (теплые цвета) в транспортируемом покрове;

2) талька/тремолита (богатые Mg - холодные цвета) против актинолита (богатые Fe – теплые цвета);

3) железосодержащих карбонатов (теплые цвета), потенциально связанных с метасоматическими «изменениями»;

4) кальция/доломита с низким содержанием двухвалентного железа (холодные цвета);

5) эпидота с низким содержанием двухвалентного железа (холодный цвет) – в сочетании с продуктом с высоким содержанием FeOH.

Примечание:
+ Во всех продуктах используется таблица поиска цветов радуги (синий – низкий, а красный – высокий), за исключением трех комбинаций каналов, таких как псевдоцветное изображение и соотношение реголитов Landsat TM, которые представляют собой отображение R:G:B трех входных каналов в шкале оттенков серого.

Здесь приведено лишь несколько примеров использования в геологии, чтобы показать, как эти продукты могут быть интерпретированы.

*Маска композита содержит:

1) Плотные верхние границы облаков «убраны»; коэффициент отражения ASTER в канале 1 < 2500 (коэффициент отражения 25%);

2) Низкое альбедо (глубокие тени и вода) «убрано»: полоса отражения 4 < 0,12 (коэффициент отражения 12%);

3) Солнечный блик над водой «убран»; (B3-B1)/(B3+B1)>0.

Продукты по данным ASTER TIR – выпущены, но не верифицированы

15. Индекс кремнезема
(богатые Si [SiO2] единицы, такие как кварц, полевые шпаты, Al-глины)

Алгоритм:
B13/B10

Маска:
Нет

Точность:
Средняя: сильно зависит от размера частиц и влияния реголита. Например, аллювиальные / коллювиальные материалы обычно демонстрируют высокие значения по сравнению с обнажением из-за обилия чистых, крупных (>>250 микрон) зерен кварца. Мелкий размер частиц (<<250 микрон) приводит к низкой реакции. Сильно подвержен влиянию верхних границ облачности (проявляется в более теплых тонах). Частично страдает от зеленой и сухой растительности, особенно от гарей. Очень незначительное чередование полос, связанное с инструментом.

Применение в геологии:
В широком смысле соответствует содержанию диоксида кремния [SiO2], хотя на интенсивность (глубину) эффекта Рестстралена также влияет размер частиц <250 мкм.

Полезно для картирования:

1) коллювиальных/аллювиальных материалов;

2) богатых кремнеземом (кварцевых) отложений (например, кварциты);

3) силицификации и силькретов;

4) кварцевых жил.

Используйте в сочетании с индексом кварца, который часто коррелирует с индексом кремнезема (см. ниже).

16. Индекс кварца

Алгоритм:
B11/(B10+B12)

Маска:
Нет

Точность:
Низкая: сильно подвержен влиянию прерывистого чередования полос. Сильно подвержен влиянию верхней границы облачности (проявляется в более теплых тонах). Относительно не зависит от размера частиц. Лучше всего использовать в качестве отличительной характеристики кварца, а не в качестве меры содержания кварца.

Применение в геологии:
Используйте в сочетании с индексом кремнезема для более точного отображения, например, кварца, а не плохо упорядоченного кремнезема, такого как опал или другие силикаты, подобные полевым шпатам и [уплотненным] глинам.

17. Индекс гипса

Алгоритм:
(B10+B12)/B11

Маска:
Нет

Точность:
Очень низкая: сильно осложнен сухой растительностью и часто обратно коррелирует с богатыми кварцем породами. Подвержен влиянию прерывистого чередования линий. Используйте в сочетании с продуктом FeOH, который также чувствителен к гипсу.

Применение в геологии:
Полезно для картирования:

1) испарительных сред (например, соленых озер) и связанных с ними засушливых эоловых систем (например, дюн);

2) кислых вод (например, от окисления сульфидов), проникающих в породы, богатые карбонатом, в том числе вокруг шахт;

3) гидротермальных (например, вулканических) систем.