Геоинформационный анализ материалов дистанционного зондирования при изучении особенностей геологического строения северного крыла Воронежской антеклизы

Благодаря интенсивному развитию информационных технологий и в соответствии с современной концепцией проведения геологических исследований, возрастает роль материалов дистанционного зондирования Земли (МДЗ) из космоса как одного из видов информации в геологоразведочном процессе. Использование материалов космических съемок (МКС) для решения широкого круга природоресурсных задач, продиктовано их уникальными возможностями и спецификой. Позволяя получать данные об особенностях строения больших площадей с различной детальностью и обзорностью, космические изображения содержат объективную информацию о самых разных геологических, географических, экологических и прочих параметрах природной среды. Особую важность МДЗ приобретают при изучении закрытых площадей, в процессе выявления и картирования геологических образований, которые в силу тех или иных причин трудно распознаются и прослеживаются при наземных исследованиях.

Комплексный анализ космических изображений различного уровня генерализации и комплекта разномасштабных геолого-геофизических, геохимических и топографических карт, реализация которого возможна благодаря современному уровню развития геоинформационных систем, способствует получению принципиально новой информации об особенностях строения территорий.

Территория исследования расположена в центральной части северного крыла Воронежской антекпизы (рис.1) и, являясь геологически закрытой территорией, подверженной, к тому же сильному антропогенному воздействию, относится преимущественно к Лосевской шовной зоне [96−98, 100],.

разделяющей Хоперский и Курский мегаблоки Воронежского кристаллического массива (ВКМ).

Основной целью работы явилось выявление и уточнение особенностей геологического строения на основе информационного рис. 1 Фрагмент Международной тектонической карты Европы и смежных областей [48]. Красным контуром выделена территория исследования. анализа результатов дешифрирования комплекса материалов дистанционного зондирования. Основными задачами стали:

1. Уточнение соотношений выявленных на МКС линеаментов и известных разломов фундамента и чехла платформы.

2. Уточнение методами информационного моделирования возраста, эволюции и унаследованности отдельных тектонических структур, выявление кинематики долгоживущих дизъюнктивов.

3. Выявление роли структурного каркаса территории в формировании геохимических ореолов.

4. Анализ специфики изображений, полученные в различных диапазонах электромагнитного спектра, при проведении ландшафтного дешифрирования и выделении глубинных тектонических структур.

5. Определение перечня картографических материалов необходимых для осуществления геоинформационного анализа результатов дешифрирования МКС, обоснование масштабности компонентов ГИС в зависимости от уровня генерализации МДЗ.

В основу работы положены результаты дешифрирования космических изображений исследуемой территории различного уровня генерализации и сезонов съемки.

Результаты визуального и автоматизированного дешифрирования космических снимков интерпретировались на основе изучения и обобщения автором фондовых и опубликованных работ, отражающих современные представления о геологических особенностях строения территории, с привлечением обзорных геофизических и геохимических картографических данных.

Наблюдения автора в рекогносцировочных маршрутах существенно облегчили задачу визуального ландшафтного дешифрирования анализируемой площади.

В диссертации была реализована, разработанная Ю. Б. Барановым, технология обработки и комплексной геологической интерпретации МДЗ, в которой последние понимаются как одна из основ единой распределенной компьютерной модели территории [5−8]. Работа велась по следующим основным направлениям:

1. Визуальное дешифрирование МКС. При этом использовались общепризнанные, применимые к региону методы, разработанные В. Н. Брюхановым, В. А. Бушем, М. З. Глуховским, Я. Г. Кацем, П. Кронбергом, Н. В. Межеловским, А. В. Тевелевым, Д. М. Трофимовым и др. [3,4,13,14,20,33,35,37,38,41,60,77,78,88−91].

2. Автоматизированное дешифрирование. На этом этапе применялись методы тематической интерпретации пространственных данных с использованием искусственных нейронных сетей и линеаментного анализа [1,32,36,94,110−111].

3. Создание картографической базы данных и геоинформационный анализ результатов дешифрирования [1819,34,39−40]. Все МДЗ, результаты их обработки и комплект картографических материалов, в процессе интеграции в ГИС, были приведены в единую систему координат (прямоугольная Гаусса-Крюгера, эллипсоид Красовского), что позволило, в дальнейшем, обеспечить выявление пространственных закономерностей в строении региона.

При оценке геофизических полей использовалась методика профессора В. И. Пахомова [59].

Решение задачи геоинформационного анализа результатов дешифрирования космических снимков низкого и среднего разрешения и комплекта геолого-геофизических карт потребовало использования широкого комплекса современных компьютерных технологий. Создание ГИС-проекта было реализовано на базе программ ArcView, Arclnfo, Erdas Imaging поддерживающих как растровую, так и векторную форму представления картографических данных. Автоматизированная обработка изображений осуществлялась средствами пакетов NeRIS и LESSA [1,110−111]. В работе также использовались такие специализированные программные средства как PIP, Surfer, GSP, Mapedit и др.

На основе дешифрирования комплекса МДЗ и последующего геоинформационного анализа уточнены местоположение, возраст и кинематика разрывных нарушений, формирующих структурный каркас региона. Впервые, в пределах северного крыла Воронежской антеклизы выделены зоны повышенной проницаемости Земной коры и выявлена их роль в формировании геохимических ореолов.

Впервые для исследуемого региона показана различная информативность съемок в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра при выявлении особенностей глубинного строения и решении задач геоэкологического картографирования. Определены и обоснованы компоненты ГИС, необходимые для интерпретации результатов дешифрирования снимков низкого и среднего разрешения.

В процессе работы создана картографическая база данных на территорию северо-востока Воронежской антеклизы, обеспечивающая систематизацию информации об особенностях природных геосистем, удобный доступ к разномасштабным картографическим материалам и возможности оперативного анализа средствами современных информационных технологий. Результаты уточнения структурного каркаса площади, выделения зон повышенной проницаемости Земной коры и связанных с ними площадных геохимических аномалий могут быть использованы при проведении прогнозно-поисковых геологоразведочных работ. Выявленная, на примере исследуемой площади, различная информативность изображений отдельных спектральных диапазонов и съемок разного уровня генерализации для решения структурно-геологических и геоэкологических задач позволяет оптимизировать затраты при проведении дистанционных исследований в геологически закрытых районах, подверженных, к тому же, сильному антропогенному влиянию.

Отдельные авторские разработки использованы в учебных курсах «Географические информационные системы», «Системы автоматизированного дешифрирования» и «Дистанционные методы», проводимых со студентами геологоразведочного факультета МГГРУ.

Основные положения, выводы и практические рекомендации по теме диссертации докладывались и обсуждались на научных чтениях памяти проф.МБ.Муратова, посвященных строению и истории развития платформ в 2000;ом [8] и 2002;ом [27−28] годах, на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МГГРУ «Молодые наукам о Земле» (2002 г. [26,29]) и 5-ой Всероссийской научно-практической конференции.

Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях" (Ханты-Мансийск, 2002 г. [9]). По теме диссертации самостоятельно и в соавторстве опубликовано 7 статей и тезисов докладов.

Заключение

.

В основу работы были положены результаты автоматизированного (и частично визуального) структурного и ландшафтного дешифрирования разносезонных космических снимков низкого и среднего разрешения.

Для интерпретации результатов дешифрирования была создана, на базе современных геоинформационных систем и технологий, крупная (общий объем порядка 10 гиго-байт) растрово-векторная база данных, содержащая пространственно-распределенную информацию о геологических, геофизических, геохимических и пр. поверхностных и глубинных особенностях строения территории северного крыла Воронежской антекелизы.

Геоинформационный анализ материалов зондирования и результатов их дешифрирования позволил в первую очередь выявить структурный каркас территории исследования, выделить в ее пределах крупные неотектонические блоки, уточнить особенности их эволюции, определить возраст и кинематику большинства выделяемых разрывных нарушений.

Помимо отдельных дизъюнктивов в пределах анализируемой площади, по результатам статистической обработки материалов автоматизированного линеаментного анализа, были выделены зоны повышенной проницаемости земной коры. Использование методов информационного моделирования позволило показать и обосновать существующую пространственную связь между тектоническими узлами структурного каркаса и большинством известных поверхностных геохимических аномалий.

Если до настоящего этапа объектом исследования являлась территория северного крыла Воронежской антеклизы, а космические снимки были одним из материалов проводимого изучения, то в дальнейшем, объектом исследования становятся уже сами данные зондирований, а главным материалом для изучения их информативности — растровые и векторные компоненты геоинформационной системы.

В итоге была показана различная информативность снимков, полученных в видимом и ближней части инфракрасного диапазонов электромагнитного спектра, и изображений разного пространственного разрешения и уровня генерализации при выявлении особенностей глубинного тектонического и геоэкологического строения закрытой территории севера Воронежской антеклизы.

В результате исследования возможностей использования геоинформационной технологии обработки и комплексной геологической интерпретации МДЗ для выявления особенностей строения анализируемой площади автором сделаны следующие выводы.

Геоинформационный анализ результатов автоматизированного дешифрирования МКС, основанный на географической связи разнородной геологической, геофизической, геохимической, дистанционной и другой (в частности экологической) информации позволяет наиболее полно проводить комплексную интерпретацию данных дешифрирования и получать новую информацию о закономерностях геологического строения и развития территории.

Наибольшей эффективности удается достичь в решении вопросов выявления и уточнения элементов структурного каркаса площади, ее неотектонического и ландшафтно-геоморфологического районирования, при экологических наблюдениях.

Оптимальными материалами для выявления элементов глубинного тектонического строения площади являются разносезонные космические изображения низкого разрешения, полученные в видимом диапазоне электромагнитного спектра. В свою очередь, установлена повышенная информативность снимков среднего разрешения ближней части инфракрасного диапазона при геоэкологических исследованиях.

В процессе работы, определены и обоснованы тематика, масштабность и минимальный перечень картографических материалов, необходимых для комплексной интерпретации результатов дешифрирования МКС различного уровня генерализации.

Установлен комплекс геоинформационных систем и специализированных программных пакетов, позволяющий добиваться решения современных задач, стоящих перед геологом-дешифровщиком и обеспечивающий возможность оперативного сбора, обобщения и анализа данных необходимых для принятия всесторонне сбалансированных научных и управленческих решений.

Использование технологии геоинформационного анализа результатов дешифрирования МДЗ на различных стадиях геологоразведочных работ (как съемочных, так и прогнозно-поисковых) в условиях закрытых площадей, по мнению автора, не только способствует систематизации информации о недрах и поверхности Земли, но и открывает новые перспективы для понимания особенностей геологической ситуации, последовательности и предпосылок ее формирования.

Список внутритекстовых иллюстраций.

1. Фрагмент Международной тектонической карты Европы и смежных областей (5).

2. Схема структурно-формационного районирования Воронежского кристаллического массива (по Н. М. Чернышову с соавт., 1999). Стр. 12.

3. Составные части электромагнитного спектра (34).

4. Спектральное излучение нормальной плотности потока прямого солнечного излучения на верхней границе атмосферы и на уровне моря соответственно (35).

5. Графики зависимости коэффициентов спектральной яркости от длины волны (37).

6. Сравнение спектральных каналов сканеров различных спутников (39).

7. Логическая схема фотограмметрической обработки цифровых изображений (45).

8. Пример эквализации гистограммы (48).

9. Поля относительной плотности линейных элементов трех различных направлений, рассчитанные в программе LESSA (59).

10. Роз-диаграммы линейных элементов (фрагмент снимка МСУ-СК) рассчитанные в статистическом окне 5*5 км, на один участков анализируемой площади (60).

11. Результат первичного линеаментного анализа снимка МСУ-СК в программе LESSA (65).

12. Результат обработки зимнего снимка МСУ-СК в программе NeRIS (66).

13. Цветной растр геологической карты территории исследования (цвет отражает возраст отложений) стр. 68.

14. Схема изолиний м-ба 1:500.000, векторизованная средствами программы Mapedit (69).

15. Геологическая карта со снятым чехлом мезозойских и более молодых отложений, векторизованная в программе Mapedit.

70).

16. Фрагмент единой пространственно распределенной модели строения территории (71).

17. Фрагмент анализируемого снимка МСУ-СК, на территорию северного крыла Воронежской антекпизы. (72).

18. Структурная схема северо-востока Воронежской антекпизы (зеленые штрихи отвечают выявленным линеаментам на космических снимках). Стр. 73.

19. Долгоживущие разрывные нарушения севера Воронежской антекпизы. (74).

20. Трехмерная модель геологического строения северного крыла Воронежской антеклизы (красным показаны крупные долгоживущие разломы, в качестве цветной подложки использована геологическая карта территории) стр. 76.

21. Фрагмент карты функции связи гравитационного и магнитного полей на территорию северного крыла Воронежской антеклизы (77).

22. Разрывные нарушения северного крыла Воронежской антеклизы по результатам геоинформационного анализа МДЗ (78).

23. Зоны повышенной проницаемости земной коры северного крыла Воронежской антеклизы, по результатам автоматизированного линеаментного анализа МДЗ на фоне фрагмента тектонической схемы Европы и смежных областей (82).

24. Схема расположения осей авлакогенов (грабенов) по периферии Воронежской антеклизы (83).

25. Поля относительной плотности линеаментов северозападного простирания в пределах территории исследования (85).

26. Повышенные геохимические аномалии серебра (Ад) и олова (Sn) в пределах северного крыла Воронежской антеклизы. (88).

27. Повышенные геохимические аномалии титана (Ti) и циркония (Zr) в пределах северного крыла Воронежской антеклизы. (89).

28. Повышенные геохимические аномалии урана в пределах северного крыла Воронежской антеклизы. (90).

29. Повышенные геохимические аномалии фтора (F), фосфора (Р) и марганца (Мп) в пределах северного крыла Воронежской антеклизы. (91).

30. Повышенные геохимические аномалии кобальта (Со) и никеля (Ni) в пределах северного крыла Воронежской антеклизы. (92).

31. Повышенные геохимические аномалии ванадия (V) и молибдена (Мо) в пределах северного крыла Воронежской антеклизы (93).

32. Суммарная плотность линеаментов трех преобладающих направлений (СЗ-ЗЗО, 3C3−300, ССВ-30) территории северного крыла Воронежской антеклизы (94).

33. Изображения снимка МСУ-СК, полученные в различных диапазонах электромагнитного спектра (97).

34. Участки наибольших различий в изображениях 1-ого и 4-ого каналов снимка МСУ-СК. (98).

35. Изображения 1-ого и 4-ого каналов снимка МСУ-СК на участок р-на г. Ливны (99).

36. Изображения 1-ого и 4-ого каналов снимка МСУ-СК на участок р-на г. Воронеж и р. долины Дон (100).

37. Изображения 1-ого и 4-ого каналов снимка МСУ-СК на участок р-на г. Старый Оскол (101).

38. Изображения 1-ого и 4-ого каналов снимка МСУ-СК на участок р-на Воронежского заповедника. (101).

39. Известные глубинные разломы восток-северо-восточного направления (сиреневые) и результат их автоматизированного поиска (синие) в каналах видимого (а) и ближней части инфракрасного (б) диапазонов (103).

40. Известные глубинные разломы субмередианального направления (сиреневые) и результат их автоматизированного поиска (синие) в каналах видимого (а) и ближней части инфракрасного (б) диапазонов (104).

41. Анализируемые космические снимки различного пространственного разрешения (106).

42. Кольцевые структуры на снимке низкого разрешения (а) и особенности геологического строения этой территории на геологической карте со снятым чехлом мезозойских и более молодых отложений (б) стр. 107.

43. Кольцевые структуры на снимке среднего разрешения и результат их визуального дешифрирования (108).

44. Фрагмент изображения снимка среднего разрешения и объекты геоэкологического картографирования района г. Старый Оскол. (111).

45. Карстовые процессы на снимке Landsat (пространственное разрешение 30 м) стр. 112.