Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất và thăm dò tài nguyên Bắc Cực

Khám phá bản đồ địa chất Bắc Cực với ứng dụng Radar SAR phân cực lập. Phân tích chi tiết, dữ liệu chính xác.

Trường ĐH

The University of Western Ontario

Chuyên ngành

Geology

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

178

Thời gian đọc

27 phút

Lượt xem

1

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
Viễn thám địa chất Bắc Cực: Tiềm năng Radar SAR phân cực
Số trang:
178 trang
Trường:
The University of Western Ontario
Chuyên ngành:
Geology
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I.Viễn thám địa chất Bắc Cực Tiềm năng Radar SAR phân cực

Vùng Bắc Cực Canada rộng lớn và hiểm trở. Điều kiện khắc nghiệt gây khó khăn đáng kể cho các cuộc khảo sát thực địa truyền thống. Bề mặt đá tại đây thường bị biến đổi bởi hoạt động băng hà và quá trình phong hóa đóng băng – tan chảy. Những quá trình này tạo ra các độ nhám bề mặt khác nhau tùy thuộc vào loại đá gốc. Điều kiện này làm cho việc xác định chính xác các đơn vị địa chất trở nên phức tạp. Việc tiếp cận các khu vực hẻo lánh đòi hỏi chi phí cao và tiềm ẩn rủi ro lớn. Nhu cầu về các phương pháp lập bản đồ địa chất từ xa, hiệu quả và đáng tin cậy là rất cấp thiết. Cần có các bản đồ dự đoán chi tiết để hỗ trợ công tác lập kế hoạch và thăm dò ban đầu. Radar khẩu độ tổng hợp phân cực (SAR) mang lại những lợi thế độc đáo. SAR có khả năng xuyên qua mây và hoạt động độc lập với điều kiện ánh sáng ban ngày. Điều này làm cho nó trở thành công cụ lý tưởng cho các khu vực thường xuyên có mây hoặc có thời gian ban ngày hạn chế. Sóng radar tương tác với các đặc tính vật lý của bề mặt, bao gồm độ nhám bề mặt và độ ẩm đất. Các chữ ký tán xạ radar khác nhau, đặc biệt khi sử dụng dữ liệu SAR phân cực, có thể tiết lộ những đặc tính bề mặt vật lý này. Sự phân cực của sóng radar cung cấp thông tin chi tiết về hình dạng và định hướng của các vật thể trên bề mặt. Nó giúp phân biệt các loại đá và địa mạo băng hà khác nhau. Bước sóng radar đa dạng cho phép thăm dò ở các độ sâu khác nhau và phản ứng khác nhau với các kích thước độ nhám bề mặt. Điều này tăng cường khả năng lập bản đồ địa chất.

1.1. Thách thức lập bản đồ địa chất Bắc Cực

Vùng Bắc Cực Canada rộng lớn và hiểm trở. Điều kiện khắc nghiệt, khí hậu lạnh giá gây khó khăn đáng kể cho các cuộc khảo sát thực địa truyền thống. Bề mặt đá tại đây thường bị biến đổi bởi hoạt động băng hà mở rộng và quá trình phong hóa đóng băng – tan chảy. Những quá trình này tạo ra các độ nhám bề mặt khác nhau tùy thuộc vào loại đá gốc. Điều kiện này làm cho việc xác định chính xác các đơn vị địa chất trở nên phức tạp. Việc tiếp cận các khu vực hẻo lánh đòi hỏi chi phí cao và tiềm ẩn rủi ro lớn. Do đó, nhu cầu về các phương pháp lập bản đồ địa chất từ xa, hiệu quả và đáng tin cậy là rất cấp thiết. Cần có các bản đồ dự đoán chi tiết để hỗ trợ công tác lập kế hoạch và thăm dò ban đầu, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các hoạt động thực địa tốn kém.

1.2. Vai trò Viễn thám địa chất hiện đại

Viễn thám địa chất đã nổi lên như một công cụ mạnh mẽ, cung cấp bản đồ dự đoán trước các cuộc khảo sát thực địa. Các cảm biến đa phổ và siêu phổ, cả trên không và trong không gian, được sử dụng rộng rãi. Các đặc điểm phổ thu được từ những cảm biến này giúp xác định các khoáng vật và loại đá có mặt trong khu vực mục tiêu. Tuy nhiên, trong môi trường Bắc Cực, nơi bề mặt đá bị ảnh hưởng mạnh bởi quá trình phong hóa và băng hà, chỉ dựa vào đặc tính phổ có thể không đủ. Cần có thêm thông tin về các đặc tính vật lý bề mặt để có cái nhìn toàn diện hơn. Viễn thám hiện đại tìm cách tích hợp nhiều loại dữ liệu để vượt qua những hạn chế này, đặc biệt trong các môi trường phức tạp như vùng đất đóng băng vĩnh cửu.

1.3. Lợi ích Radar SAR khẩu độ tổng hợp

Radar khẩu độ tổng hợp phân cực (SAR) mang lại những lợi thế độc đáo cho viễn thám địa chất. Không giống như các cảm biến quang học, SAR có khả năng xuyên qua mây và hoạt động độc lập với điều kiện ánh sáng ban ngày. Điều này làm cho nó trở thành công cụ lý tưởng cho các khu vực thường xuyên có mây hoặc có thời gian ban ngày hạn chế như Bắc Cực. Quan trọng hơn, sóng radar tương tác với các đặc tính vật lý của bề mặt, bao gồm độ nhám bề mặt và độ ẩm đất. Các chữ ký tán xạ radar khác nhau, đặc biệt khi sử dụng dữ liệu SAR phân cực, có thể tiết lộ những đặc tính bề mặt vật lý này. Sự phân cực của sóng radar cung cấp thông tin chi tiết về hình dạng và định hướng của các vật thể trên bề mặt, giúp phân biệt các loại đá và địa mạo băng hà khác nhau. Bước sóng radar đa dạng cũng cho phép thăm dò ở các độ sâu khác nhau và phản ứng khác nhau với các kích thước độ nhám bề mặt, tăng cường khả năng lập bản đồ địa chất.

II.Phương pháp Radar SAR phân cực Khám phá địa chất

Radar khẩu độ tổng hợp phân cực là một kỹ thuật viễn thám tiên tiến. Nó không chỉ đo cường độ tín hiệu radar quay trở lại mà còn cả trạng thái phân cực của sóng. Sự thay đổi trong trạng thái phân cực của sóng tán xạ cung cấp thông tin chi tiết về các đặc tính điện môi và hình học của bề mặt. Điều này bao gồm thông tin về độ nhám bề mặt, định hướng của các vật liệu, và độ ẩm của đất hoặc đá. Phân tích ma trận tán xạ thu được từ dữ liệu SAR phân cực cho phép giải đoán các cơ chế tán xạ radar khác nhau. Việc hiểu rõ các chữ ký phân cực này là chìa khóa để phân loại các đơn vị địa chất và đất đóng băng vĩnh cửu một cách chính xác. Việc tích hợp dữ liệu đa phổ và dữ liệu SAR phân cực là một phương pháp đa ngành mạnh mẽ. Dữ liệu đa phổ cung cấp thông tin quan trọng về thành phần khoáng vật và thạch học. Dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực cung cấp các đặc tính vật lý bề mặt. Sự kết hợp này tạo ra bản đồ dự đoán chi tiết hơn, phân biệt các đơn vị địa chất không chỉ dựa trên thành phần mà còn dựa trên đặc tính bề mặt vật lý của chúng. Các cơ chế tán xạ radar từ bề mặt đá và đất đóng băng vĩnh cửu rất đa dạng. Chúng phụ thuộc vào bước sóng radar, góc tới, độ nhám bề mặt, và đặc tính điện môi của vật liệu. Việc hiểu rõ các cơ chế tán xạ radar này là rất quan trọng để liên hệ các tín hiệu radar thu được với thành phần thạch học và các đặc tính vật lý của đá. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa các chữ ký tán xạ và thành phần vật liệu trong môi trường Bắc Cực.

2.1. Nguyên lý Radar khẩu độ tổng hợp phân cực

Radar khẩu độ tổng hợp phân cực là một kỹ thuật viễn thám tiên tiến. Nó không chỉ đo cường độ tín hiệu radar quay trở lại mà còn cả trạng thái phân cực của sóng. Sóng radar có thể được truyền đi với nhiều trạng thái phân cực (ví dụ: ngang hoặc dọc) và thu lại với các trạng thái phân cực khác nhau. Sự thay đổi trong trạng thái phân cực của sóng tán xạ cung cấp thông tin chi tiết về các đặc tính điện môi và hình học của bề mặt. Điều này bao gồm thông tin về độ nhám bề mặt, định hướng của các vật liệu, và độ ẩm của đất hoặc đá. Phân tích ma trận tán xạ thu được từ dữ liệu SAR phân cực cho phép giải đoán các cơ chế tán xạ radar khác nhau, từ tán xạ bề mặt đơn giản đến tán xạ thể tích phức tạp trong lớp phủ thực vật hoặc vật liệu xốp. Việc hiểu rõ các chữ ký phân cực này là chìa khóa để phân loại các đơn vị địa chất và đất đóng băng vĩnh cửu một cách chính xác.

2.2. Tích hợp dữ liệu đa phổ và SAR

Việc tích hợp dữ liệu đa phổ và dữ liệu SAR phân cực là một phương pháp đa ngành mạnh mẽ. Dữ liệu đa phổ, thu được từ các cảm biến như ASTER hoặc Landsat, cung cấp thông tin quan trọng về thành phần khoáng vật và thạch học của các loại đá dựa trên các đặc điểm hấp thụ và phản xạ quang phổ. Trong khi đó, dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực cung cấp các đặc tính vật lý bề mặt như độ nhám, độ ẩm, và cấu trúc hình học. Bằng cách kết hợp hai loại dữ liệu bổ sung này, nghiên cứu có thể xây dựng một bức tranh toàn diện hơn về địa chất khu vực. Sự tổng hợp này cho phép tạo ra các bản đồ dự đoán chi tiết hơn, phân biệt các đơn vị địa chất không chỉ dựa trên thành phần mà còn dựa trên đặc tính bề mặt vật lý của chúng. Điều này đặc biệt hữu ích trong các khu vực có địa mạo băng hà phức tạp, nơi cả đặc tính quang phổ và vật lý đều bị ảnh hưởng.

2.3. Phân tích tán xạ radar từ đá

Các cơ chế tán xạ radar từ bề mặt đá và đất đóng băng vĩnh cửu rất đa dạng. Chúng phụ thuộc vào bước sóng radar, góc tới, độ nhám bề mặt tương đối so với bước sóng, và đặc tính điện môi (độ ẩm) của vật liệu. Một bề mặt nhẵn sẽ gây ra tán xạ gương, trong khi một bề mặt thô ráp sẽ gây ra tán xạ khuếch tán. Dữ liệu SAR phân cực giúp phân tách các thành phần tán xạ khác nhau, chẳng hạn như tán xạ bề mặt, tán xạ đôi (phản xạ từ bề mặt và vật thể thẳng đứng), và tán xạ thể tích. Việc hiểu rõ các cơ chế tán xạ radar này là rất quan trọng để liên hệ các tín hiệu radar thu được với thành phần thạch học và các đặc tính vật lý của đá. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa các chữ ký tán xạ và thành phần vật liệu, đặc biệt trong môi trường Bắc Cực nơi các loại đá và địa mạo băng hà đã bị biến đổi đáng kể bởi quá trình phong hóa.

III.Phân tích dữ liệu SAR Bản đồ địa chất đặc tính bề mặt

Dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực là công cụ hiệu quả để xác định đặc tính bề mặt của các đơn vị địa chất. Thông qua phân tích các chữ ký tán xạ radar ở các trạng thái phân cực khác nhau, có thể ước tính độ nhám bề mặt và độ ẩm đất của khu vực. Độ nhám bề mặt là một yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến cách sóng radar tán xạ. Các chữ ký tán xạ radar phân cực cho thấy mối tương quan đáng kể với độ nhám bề mặt, cung cấp thông tin chi tiết cần thiết cho viễn thám địa chất chính xác. Nghiên cứu áp dụng Radar khẩu độ tổng hợp phân cực cho lập bản đồ địa chất tại các cấu trúc va chạm Tunnunik và Haughton ở Bắc Cực Canada. Phân tích dữ liệu SAR phân cực giúp phân định ranh giới giữa các đơn vị địa chất khác nhau. Nó cũng có khả năng phát hiện các cấu trúc kiến tạo như đứt gãy và nếp uốn, ngay cả những cấu trúc bị che phủ. Khả năng nhìn xuyên qua một phần lớp phủ bề mặt và phản ứng nhạy với địa hình vi mô làm cho SAR trở thành công cụ vô giá để tạo ra bản đồ địa chất chi tiết. Những bản đồ này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc kiến tạo tổng thể của khu vực, hỗ trợ việc hiểu biết về lịch sử địa chất và tiềm năng tài nguyên. Mặc dù Radar khẩu độ tổng hợp phân cực chủ yếu nhạy cảm với các đặc tính vật lý bề mặt, nhưng nó có thể gián tiếp hỗ trợ đánh giá thành phần khoáng vật. Đặc tính vật lý bề mặt, như độ nhám, thường có mối liên hệ với loại đá và thành phần khoáng vật của nó. Khi kết hợp dữ liệu SAR phân cực với phân tích đa phổ, thông tin về thành phần khoáng vật trực tiếp hơn có thể được thu thập. Sự tích hợp này tạo ra một phương pháp tiếp cận mạnh mẽ để xác định các đơn vị địa chất và đất đóng băng vĩnh cửu.

3.1. Xác định đặc tính bề mặt đá

Dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực là công cụ hiệu quả để xác định đặc tính bề mặt của các đơn vị địa chất. Thông qua phân tích các chữ ký tán xạ radar ở các trạng thái phân cực khác nhau, có thể ước tính độ nhám bề mặt và độ ẩm đất của khu vực. Độ nhám bề mặt là một yếu tố quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến cách sóng radar tán xạ. Các bề mặt đá có độ nhám khác nhau (ví dụ: đá mịn, đá sỏi, đá khối) sẽ tạo ra các phản hồi radar khác nhau. Tương tự, độ ẩm đất đóng băng vĩnh cửu cũng ảnh hưởng đến hằng số điện môi của vật liệu, từ đó tác động đến cường độ tín hiệu tán xạ. Nghiên cứu này đặc trưng hóa các chữ ký phân cực SAR và mối tương quan của chúng với độ nhám bề mặt, cung cấp thông tin chi tiết cần thiết cho viễn thám địa chất chính xác trong môi trường Bắc Cực.

3.2. Lập bản đồ cấu trúc kiến tạo địa chất

Nghiên cứu áp dụng Radar khẩu độ tổng hợp phân cực cho lập bản đồ địa chất tại các cấu trúc va chạm Tunnunik và Haughton ở Bắc Cực Canada. Những khu vực này là địa điểm lý tưởng để nghiên cứu địa chất phức tạp. Phân tích dữ liệu SAR phân cực giúp phân định ranh giới giữa các đơn vị địa chất khác nhau. Nó cũng có khả năng phát hiện các cấu trúc kiến tạo như đứt gãy và nếp uốn, thậm chí cả những cấu trúc bị che phủ bởi lớp phong hóa hoặc trầm tích mỏng. Khả năng nhìn xuyên qua một phần lớp phủ bề mặt và phản ứng nhạy với địa hình vi mô làm cho SAR trở thành công cụ vô giá để tạo ra bản đồ địa chất chi tiết. Những bản đồ này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc kiến tạo tổng thể của khu vực, hỗ trợ việc hiểu biết về lịch sử địa chất và tiềm năng tài nguyên.

3.3. Đánh giá thành phần khoáng vật từ SAR

Mặc dù Radar khẩu độ tổng hợp phân cực chủ yếu nhạy cảm với các đặc tính vật lý bề mặt, nhưng nó có thể gián tiếp hỗ trợ đánh giá thành phần khoáng vật. Đặc tính vật lý bề mặt, như độ nhám, thường có mối liên hệ với loại đá và thành phần khoáng vật của nó. Ví dụ, một số loại đá sẽ phong hóa tạo ra bề mặt thô ráp hơn so với các loại khác. Các chữ ký tán xạ radar phân cực thể hiện mối tương quan đáng significant với độ nhám bề mặt, do đó, cung cấp manh mối về loại đá. Khi kết hợp dữ liệu SAR phân cực với phân tích đa phổ, thông tin về thành phần khoáng vật trực tiếp hơn có thể được thu thập. Sự tích hợp này tạo ra một phương pháp tiếp cận mạnh mẽ để xác định các đơn vị địa chất và đất đóng băng vĩnh cửu dựa trên cả đặc điểm vật lý và thành phần, cải thiện khả năng phân loại và lập bản đồ địa chất.

IV.Mô hình tán xạ Radar Hiểu rõ Địa mạo băng hà

Nghiên cứu này định lượng hóa việc ước tính độ nhám bề mặt tương đối so với bước sóng radar truyền đi. Độ ẩm đất theo thể tích cũng được ước tính thông qua việc đảo ngược mô hình tán xạ radar. Các mô hình tán xạ radar được sử dụng để mô tả tương tác giữa sóng radar và bề mặt đất/đá. Bằng cách so sánh dữ liệu SAR phân cực thực tế với các giá trị dự đoán từ mô hình, các tham số bề mặt như độ nhám và độ ẩm đất đóng băng vĩnh cửu có thể được suy ra. Các tham số này là cực kỳ quan trọng cho các nghiên cứu địa chất trong môi trường Bắc Cực. Một đóng góp quan trọng của nghiên cứu là giới thiệu một mô hình tán xạ radar được sửa đổi. Mô hình này được thiết kế đặc biệt để áp dụng cho các bề mặt đá phong hóa. Các bề mặt đá ở Bắc Cực thường xuyên chịu ảnh hưởng của các quá trình phong hóa, dẫn đến các đặc điểm bề mặt phức tạp. Mô hình sửa đổi này tính đến những đặc điểm riêng biệt của đá đã bị biến đổi, cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc phân tích dữ liệu SAR. Nghiên cứu đã đặc trưng hóa các chữ ký phân cực SAR của các đơn vị địa chất khác nhau. Điều này cho thấy một mối tương quan đáng kể giữa các chữ ký này và độ nhám bề mặt của các loại đá. Các chữ ký phân cực SAR phản ánh sự khác biệt này, cho phép phân biệt các địa mạo băng hà và các đơn vị địa chất. Phân tích này khẳng định tiềm năng của Radar khẩu độ tổng hợp phân cực trong việc phân loại và lập bản đồ các đặc điểm địa chất phức tạp.

4.1. Ước tính độ nhám bề mặt và độ ẩm đất

Nghiên cứu này định lượng hóa việc ước tính độ nhám bề mặt tương đối so với bước sóng radar truyền đi. Độ ẩm đất theo thể tích cũng được ước tính thông qua việc đảo ngược mô hình tán xạ radar. Các mô hình tán xạ radar, như mô hình tán xạ bề mặt nhỏ (SSM) hoặc mô hình mặt phẳng ngẫu nhiên (SPM), được sử dụng để mô tả tương tác giữa sóng radar và bề mặt đất/đá. Bằng cách so sánh dữ liệu SAR phân cực thực tế với các giá trị dự đoán từ mô hình, các tham số bề mặt như độ nhám (thường được biểu thị bằng độ lệch chuẩn của chiều cao bề mặt) và độ ẩm đất đóng băng vĩnh cửu có thể được suy ra. Các tham số này là cực kỳ quan trọng đối với các nghiên cứu địa chất trong môi trường Bắc Cực. Chúng ảnh hưởng lớn đến cách các tín hiệu SAR phản hồi, giúp phân biệt các loại địa hình và thành phần vật liệu khác nhau, đồng thời cung cấp dữ liệu cơ bản cho các ứng dụng như thủy văn và nghiên cứu khí hậu.

4.2. Mô hình tán xạ radar bề mặt đá phong hóa

Một đóng góp quan trọng của nghiên cứu là giới thiệu một mô hình tán xạ radar được sửa đổi. Mô hình này được thiết kế đặc biệt để áp dụng cho các bề mặt đá phong hóa. Các bề mặt đá ở Bắc Cực thường xuyên chịu ảnh hưởng của các quá trình phong hóa đóng băng - tan chảy và hoạt động của băng hà, dẫn đến các đặc điểm bề mặt phức tạp và độc đáo. Mô hình sửa đổi này tính đến những đặc điểm riêng biệt của đá đã bị biến đổi, cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc phân tích và giải thích dữ liệu SAR. Nó giúp định nghĩa mối quan hệ giữa các tham số vật lý của bề mặt đá bị phong hóa và chữ ký tán xạ radar thu được. Điều này mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn về cách sóng radar tương tác với các môi trường địa chất khắc nghiệt, nâng cao khả năng phân loại và lập bản đồ địa chất Bắc Cực.

4.3. Phân tích chữ ký phân cực SAR địa mạo

Nghiên cứu đã đặc trưng hóa các chữ ký phân cực SAR của các đơn vị địa chất khác nhau. Điều này cho thấy một mối tương quan đáng kể giữa các chữ ký này và độ nhám bề mặt của các loại đá. Các loại đá khác nhau, do cấu trúc và khả năng chống phong hóa khác nhau, sẽ có độ nhám bề mặt khác nhau. Các chữ ký phân cực SAR phản ánh sự khác biệt này, cho phép phân biệt các địa mạo băng hà và các đơn vị địa chất. Phân tích này khẳng định tiềm năng của Radar khẩu độ tổng hợp phân cực trong việc phân loại và lập bản đồ các đặc điểm địa chất phức tạp. Nó cung cấp một phương pháp mạnh mẽ để hiểu rõ hơn về địa mạo và các quá trình bề mặt trong khu vực Bắc Cực, hỗ trợ các nghiên cứu về đất đóng băng vĩnh cửu và biến đổi khí hậu.

V.Ứng dụng đột phá Lập bản đồ địa chất Bắc Cực hiệu quả

Nghiên cứu này đề xuất một thuật toán lập bản đồ dự đoán tích hợp. Thuật toán này là sự kết hợp mạnh mẽ giữa các tham số đa phổ và dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực. Sự tích hợp này mang lại khả năng cải thiện đáng kể trong việc lập bản đồ địa chất Bắc Cực. Bản đồ địa chất được tạo ra trở nên chi tiết và chính xác hơn, cung cấp thông tin quý giá về phân bố các loại đá, cấu trúc kiến tạo và đặc tính bề mặt. Điều này hỗ trợ các nhà địa chất trong việc hiểu rõ hơn về khu vực và là nền tảng cho các dự án nghiên cứu khoa học, quản lý tài nguyên và phát triển bền vững. Khả năng xác định và phân loại các đơn vị địa chất một cách chính xác là rất quan trọng cho việc thăm dò tài nguyên. Dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực, cùng với phân tích đa phổ, giúp khoanh vùng các khu vực có tiềm năng tài nguyên khoáng sản hoặc năng lượng. Công nghệ viễn thám này trở thành một công cụ không thể thiếu ở Bắc Cực, nơi tài nguyên thường bị che giấu. Nó cung cấp thông tin ban đầu để hướng dẫn các hoạt động thăm dò tiếp theo, tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực và giảm thiểu tác động môi trường. Nghiên cứu giới thiệu một phương pháp tiếp cận đa ngành sáng tạo. Phương pháp này tích hợp cả đặc tính thạch học và các đặc tính vật lý bề mặt. Kết quả là một thuật toán lập bản đồ dự đoán tích hợp. Đây là một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực viễn thám địa chất, mở ra những hướng nghiên cứu mới và ứng dụng thực tiễn cho việc phân tích dữ liệu SAR trong các môi trường khắc nghiệt.

5.1. Cải thiện lập bản đồ địa chất Bắc Cực

Nghiên cứu này đề xuất một thuật toán lập bản đồ dự đoán tích hợp. Thuật toán này là sự kết hợp mạnh mẽ giữa các tham số đa phổ và dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực. Sự tích hợp này mang lại khả năng cải thiện đáng kể trong việc lập bản đồ địa chất Bắc Cực. Bản đồ địa chất được tạo ra trở nên chi tiết và chính xác hơn, cung cấp thông tin quý giá về phân bố các loại đá, cấu trúc kiến tạo và đặc tính bề mặt. Điều này không chỉ hỗ trợ các nhà địa chất trong việc hiểu rõ hơn về khu vực mà còn là nền tảng cho các dự án nghiên cứu khoa học, quản lý tài nguyên và phát triển bền vững trong môi trường Bắc Cực đầy thách thức. Công nghệ này giảm thiểu sự cần thiết của khảo sát thực địa tốn kém và nguy hiểm.

5.2. Hỗ trợ thăm dò tài nguyên tiềm năng

Khả năng xác định và phân loại các đơn vị địa chất một cách chính xác là rất quan trọng cho việc thăm dò tài nguyên. Dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực, cùng với phân tích đa phổ, giúp khoanh vùng các khu vực có tiềm năng tài nguyên khoáng sản hoặc năng lượng. Trong môi trường Bắc Cực, nơi tài nguyên thường bị che giấu dưới lớp băng hoặc địa hình hiểm trở, công nghệ viễn thám này trở thành một công cụ không thể thiếu. Nó cung cấp thông tin ban đầu để hướng dẫn các hoạt động thăm dò tiếp theo, tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực và giảm thiểu tác động môi trường. Việc lập bản đồ đất đóng băng vĩnh cửu và các cấu trúc liên quan cũng hỗ trợ đánh giá các mỏ tiềm năng.

5.3. Phát triển thuật toán bản đồ tích hợp

Nghiên cứu giới thiệu một phương pháp tiếp cận đa ngành sáng tạo. Phương pháp này tích hợp cả đặc tính thạch học (từ dữ liệu đa phổ) và các đặc tính vật lý bề mặt (từ dữ liệu Radar khẩu độ tổng hợp phân cực). Kết quả là một thuật toán lập bản đồ dự đoán tích hợp, không chỉ xác định các loại đá mà còn cung cấp thông tin về độ nhám và độ ẩm. Đây là một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực viễn thám địa chất, mở ra những hướng nghiên cứu mới và ứng dụng thực tiễn cho việc phân tích dữ liệu SAR trong các môi trường khắc nghiệt. Thuật toán này có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các khu vực địa chất phức tạp khác trên thế giới, đánh dấu một bước tiến trong việc sử dụng công nghệ viễn thám để hiểu sâu hơn về bề mặt Trái Đất.

Mục lục chi tiết luận án

Tóm tắt
Tuyên bố đồng tác giả
Lời đề tặng
Lời cảm ơn
Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ
Danh mục phụ lục
Danh mục từ viết tắt
1. Chương 1: Giới thiệu
1.2. Viễn thám SAR
1.3. Các ứng dụng của SAR cho lập bản đồ địa chất
1.4. Phương pháp tiếp cận lập bản đồ dựa trên cấu trúc va chạm
1.5. Bối cảnh địa chất của các khu vực nghiên cứu
1.6. Mục tiêu và bố cục luận án
2. Chương 2: Lập bản đồ dự đoán từ xa cấu trúc va chạm Tunnunik ở vùng Bắc Cực Canada bằng cách hợp nhất dữ liệu đa phổ và SAR phân cực
2.2. Phương pháp và các bộ dữ liệu được sử dụng
2.2.1. Các bộ dữ liệu quang phổ, hiệu chuẩn và phương pháp
2.2.2. Bộ dữ liệu RADARSAT-2, hiệu chuẩn và phương pháp
2.2.3. Lập bản đồ dự đoán từ xa (RPM) và các bộ dữ liệu hỗ trợ bổ sung: Quickbird và Mô hình số độ cao Canada (CDEM)
2.2.4. Dữ liệu thực địa và phân tích mẫu sau đó
2.3. Quan sát viễn thám
2.3.1. Độ phát xạ ASTER TIR
2.3.2. Độ phản xạ Landsat 8 VNIR/SWIR
2.3.3. Phân tách SAR phân cực
2.3.4. Quickbird độ phân giải cao và CDEM
2.4. Lập bản đồ dự đoán từ xa
2.4.1. Tổng hợp các quan sát viễn thám
2.4.2. Thuật toán dựa trên cây quyết định
2.5. Dữ liệu thực địa: các quan sát hiện trường và trong phòng thí nghiệm
2.6. Thảo luận và kết luận
3. Chương 3: Mô hình tán xạ radar bán thực nghiệm sửa đổi cho các bề mặt đá bị phong hóa
3.2. Thu thập dữ liệu SAR phân cực và dữ liệu thực địa
3.4. Mô hình sửa đổi cho các bề mặt đá bị phong hóa
3.4.2. Thuật toán đảo ngược kết hợp
3.5. Thảo luận và kết luận
4. Chương 4: Các đặc trưng SAR phân cực để mô tả đặc tính các đơn vị địa chất ở vùng Bắc Cực Canada
4.2. Thu thập dữ liệu SAR phân cực và dữ liệu thực địa
4.3. Phân tích đặc trưng phân cực
4.3.2. Thay đổi cơ sở phân cực và biểu đồ đặc trưng 3 chiều
4.3.3. Độ cao chân đế và độ lệch chuẩn của các đồng phân cực tuyến tính (SDLP)
4.4. Kết quả và thảo luận
5. Chương 5: Tóm tắt và thảo luận chung
5.1. Tóm tắt và thảo luận chung
Phụ lục A: Ma trận tán xạ SAR phân cực
Phụ lục B: Phân tách SAR phân cực
Phụ lục C: Mô hình tán xạ phương pháp phương trình tích phân (IEM)
Phụ lục D: Mô hình tán xạ Bragg mở rộng
Phụ lục E: Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu cấu trúc va chạm Tunnunik
Phụ lục F: Mã MATLAB cho mô hình tán xạ bán thực nghiệm sửa đổi
Phụ lục G: Mã MATLAB cho các biểu đồ đặc trưng phân cực
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Polarimetric sar application for geological mapping in the canadian arctic

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (178 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

Western University Scholarship@Western Electronic Thesis and Dissertation Repository 12-14-2017 1:30 PM Polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR) Application for Geological Mapping and Resource Exploration in the Canadian Arctic Byung-Hun Choe, The University of Western Ontario Supervisor: Osinski, Gordon R., The University of Western Ontario Co-Supervisor: Neish, Catherine D., The University of Western Ontario Co-Supervisor: Tornabene, Livio L., The University of Western Ontario A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the Doctor of Philosophy degree in Geology © Byung-Hun Choe 2017 Follow this and additional works at: https://ir.ca/etd Part of the Geology Commons Recommended Citation Choe, Byung-Hun, "Polarimetric Synthetic Aperture Radar (SAR) Application for Geological Mapping and Resource Exploration in the Canadian Arctic" (2017). Electronic Thesis and Dissertation Repository.ca/etd/5133 This Dissertation/Thesis is brought to you for free and open access by Scholarship@Western. It has been accepted for inclusion in Electronic Thesis and Dissertation Repository by an authorized administrator of Scholarship@Western. For more information, please contact wlswadmin@uwo.

Abstract The role of remote sensing in geological mapping has been rapidly growing by providing predictive maps in advance of field surveys. Remote predictive maps with broad spatial coverage have been produced for northern Canada and the Canadian Arctic which are typically very difficult to access. Multi and hyperspectral airborne and spaceborne sensors are widely used for geological mapping as spectral characteristics are able to constrain the minerals and rocks that are present in a target region. Rock surfaces in the Canadian Arctic are altered by extensive glacial activity and freeze-thaw weathering, and form different surface roughnesses depending on rock type.

Different physical surface properties, such as surface roughness and soil moisture, can be revealed by distinct radar backscattering signatures at different polarizations. This thesis aims to provide a multidisciplinary approach for remote predictive mapping that integrates the lithological and physical surface properties of target rocks. This work investigates the physical surface properties of geological units in the Tunnunik and Haughton impact structures in the Canadian Arctic characterized by polarimetric synthetic aperture radar (SAR). It relates the radar scattering mechanisms of target surfaces to their lithological compositions from multispectral analysis for remote predictive geological mapping in the Canadian Arctic.

This work quantitatively estimates the surface roughness relative to the transmitted radar wavelength and volumetric soil moisture by radar scattering model inversion. The SAR polarization signatures of different geological units were also characterized, which showed a significant correlation with their surface roughness. This work presents a modified radar scattering model for weathered rock surfaces. More broadly, it presents an integrative remote predictive mapping algorithm by combining multispectral and polarimetric SAR parameters.

i Keywords Polarimetric SAR, physical surface properties, radar scattering mechanism, surface parameter inversion, polarization signature, multispectral analysis, remote predictive geological mapping, meteorite impact structures, Canadian Arctic. ii Co-Authorship Statement Chapter 2. Remote predictive mapping of the Tunnunik impact structure in the Canadian Arctic using multispectral and polarimetric SAR data fusion: All data were collected and processed by Byung-Hun Choe and Dr. The manuscript was written by Byung-Hun Choe.

Osinski, and Jennifer D. Newman contributed to interpretations on image processing and sample collection and analysis, and provided editorial suggestions and comments. It is currently in revision in Canadian Journal of Remote Sensing for publication titled ‘Remote predictive mapping of the Tunnunik impact structure in the Canadian Arctic using multispectral and polarimetric SAR data fusion’. A modified semi-empirical radar scattering model for weathered rock surfaces: All data were collected and processed by Byung-Hun Choe, and the manuscript was written by Byung-Hun Choe.

Neish, and Dr. Tornabene contributed to interpretations with editorial suggestions and comments. It is currently in preparation to be submitted to IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing for publication titled ‘A modified semi-empirical radar scattering model for weathered rock surfaces’. Polarimetric SAR signatures for characterizing geological units in the Canadian Arctic: All data were collected and processed by Byung-Hun Choe, and the manuscript was written by Byung-Hun Choe.

Neish, and Dr. Tornabene contributed to interpretations with editorial suggestions and comments. It is currently in preparation to be submitted to IEEE Transactions on Geoscience iii and Remote Sensing for publication titled ‘Polarimetric SAR signatures for characterizing geological units in the Canadian Arctic’. iv Dedication I can do all this through him who gives me strength.

-Philippians 4:13- v Acknowledgments Now I finally have a chance to thank my amazing supervisors for their encouragement and support throughout my Ph. First of all, I am grateful to Dr. Gordon Osinski for bring me into the Canadian Arctic and impact cratering studies. Catherine Neish, thank you for infecting me with her RADAR love.

My little RADAR background could be advanced through insightful discussions with her. Livio Tornabene, thank you for guiding and teaching me multispectral remote sensing from the bottom up. They are really a perfect combination for my thesis. Also, I need to gratefully acknowledge the financial and logistical supports for this work provided by Canadian Space Agency (CSA) through Science Operational Applications Research (SOAR), Natural Resource Canada (NRCan) through Polar Continental Shelf Program (PCSP), and Polar Knowledge Canada through Northern Scientific Training Program (NSTP).

I would like to thank the 2015/2016 Arctic field expedition crews, Shamus Duff, Etienne Godin, Taylor Haid, Elise Harrington, Jean Filion, Cassandra Marion, Robert Misener, Jennifer Newman, Alexandra Pontefract, Racel Sopoco, Michael Zanetti, and William Zylberman for their support making the field works successful. Also, many thanks to the space rocks lab and CPSX members for sharing their expertise and enthusiasm on planetary sciences. I would like to extend my thanks to my former M. Duk-jin Kim and SATGEO lab members at Seoul National University for helping me get started on this path and for encouraging me to be a better scientist every time I meet them at conferences.

I cannot forget to thank my parents and parents-in-law for believing and supporting me with love and patience. Special thanks to my mother-in-law for her dedicated support going back and forth between Canada and South Korea whenever I was away for fields and needed a hand, without whom I would not have completed this in time. Last but not least, I truly thank my lovely wife, Ji Yeon Lim, without whom I would not be where I am today. Thank you for being my lifetime partner with endless love and support.

I have truly enjoyed the journey with you, and expect much more for the rest of our journey with the amazing kids, Aine and Ian. vi Table of Contents Abstract. i Co-Authorship Statement. vi Table of Contents.

vii List of Tables. x List of Figures. xi List of Appendices. xvii List of Acronyms .2 SAR remote sensing .3 SAR applications for geological mapping .4 Impact structure-based mapping approach .5 Geological setting of study areas .6 Thesis objectives and outlines.

34 2 Remote predictive mapping of the Tunnunik impact structure in the Canadian Arctic using multispectral and polarimetric SAR data fusion .2 Methods and datasets used .1 Spectral datasets, calibration, and methods .2 RADARSAT-2 dataset, calibration, and methods .3 Remote Predictive Mapping (RPM) and additional supporting datasets: Quickbird and Canadian Digital Elevation Model (CDEM) .4 Ground-truth and subsequent sample analysis .1 ASTER TIR emissivity .2 Landsat 8 VNIR/SWIR reflectance .3 Polarimetric SAR decomposition .4 High-resolution Quickbird and CDEM .4 Remote predictive mapping .1 Synthesis of remote sensing observations.2 Decision-tree based algorithm .5 Ground truth: field and laboratory observations .6 Discussion and conclusions. 74 3 A modified semi-empirical radar scattering model for weathered rock surfaces .2 Polarimetric SAR data and ground truth collection .4 Modified model for weathered rock surfaces .2 Combined inversion algorithm .5 Discussion and conclusions. 100 4 Polarimetric SAR signatures for characterizing geological units in the Canadian Arctic .2 Polarimetric SAR data and ground truth collection .2 Polarization basis change and 3-dimentional signature plot .3 Pedestal height and standard deviation of linear co-polarizations (SDLP) .4 Results and discussion .1 Summary and general discussion. 156 ix List of Tables Table 1.

SAR application studies for geological mapping in northern and Arctic Canada. Specifications of remote sensing datasets used in Chapter 2. Colour scheme and characteristics of each unit derived from different remote sensors. Specifications of RADARSAT-2 data used in Chapter 3.

78 x List of Figures Figure 1. SAR side-looking imaging geometry (right; θ: incidence angle, ground range=slant range/𝑠𝑖𝑛𝜃) and nadir-looking geometry (left). Figure modified from Elachi et al. Sinusoidal wave plot (left; λ: wavelength, A: amplitude, and ϕ: phase) and its expression on the complex plane (right).

Brighter areas have higher radar backscattering coefficients. Radar backscatter is a function of a surface’s physical properties: its roughness, structure, and dielectric constant. Locations of the Tunnunik (red star) and the Haughton (blue star) impact structures. Simplified geological map of the Tunnunik impact structure and northwestern Victoria Island (left, modified from Dewing et al.

(2015)) and stratigraphic column of northwestern Victoria Island (right, from Dewing et al. The white square represents the coverage of the remote sensing datasets used in Chapter 2. Simplified geological map of the Haughton impact structure (left, modified from Osinski et al. (2015)) and stratigraphic column of the target sequence at the Haughton impact structure (right, from Osinski et al.

MNF transformed ASTER TIR emissivity RGB color composite (upper, R; MNF band 1, G; band 2, B; band 3 by applying a linear 2% stretch) and TIR emissivity spectra matching results (bottom). Vegetation and water bodies in the MNF composite were masked out in black. The white numbers on the MNF composite represent the 4 spectral units discussed in the text. The coloured lines are the averaged TIR emissivity spectra (solid) of representative 30 samples from each unit and its standard deviation (dashed with markers); (a) orange-yellow, (b) cyan, (c) green, and (d) magenta units.

The solid black lines are the best matching rock spectra from the ASU Ward’s whole-rock spectral library (Christensen et al. The black numbers xi (10-14) on the top X axis represent ASTER TIR bands corresponding to wavelengths listed in Table 2. ASTER TIR band ratio images. They were coloured in purple (low) to red (high) at the range of (a) 1.05, respectively by applying a linear 2% stretch.

Vegetation and water bodies were masked out in black. Landsat 8 OLI band ratio color composite (R; b4/b2 (1.49) by applying a Gaussian stretch with a standard deviation of 3). The majority of densely vegetated areas and water bodies were masked out in black. Remaining pixels dominated by green around channels and lakes are vegetated areas that were difficult to remove without adversely effecting mineral- and rock- dominated spectral units.

The numbers represent the 4 spectral units discussed in the text. The white arrows indicate the dumbbell- shaped (left) and tadpole-shaped (right) features, respectively. RADARSAT-2 polarimetric decomposition results. The RGB composites of the Pauli and Freeman-Durden decomposition represent double-bounce scattering (red), multiple scattering (green), and single-bounce scattering (blue), respectively.

The Pauli and Freeman-Durden histograms were linearly stretched at the same range from -25 to 0 dB. High-resolution Quickbird image (a, the RGB colour image was stretched by applying the histogram equalization for enhancing image contrast and classification), CDEM (b), and Quickbird image close-ups for each unit ((c) Unit 1, (d) Unit 2, (e) Unit 3, and (f) Unit 4). The blue numbers in (a) represent the locations of the close-ups. A decision-tree based algorithm for remote predictive mapping (‘Veg.’=vegetated surfaces, ‘L8’=Landsat8 VNIR/SWIR band ratio, ‘AST’=ASTER TIR band ratio, ‘RS2 MS’=RADARSAT-2 multiple-scattering, ‘H’=high threshold, and ‘L’=low threshold).

Remote predictive geological map of the Tunnunik impact structure. Vegetation and water bodies are masked out in black. Field photos from each unit. A scale card of 9 by 5 cm (a-e), a ~2.5 cm diameter coin (f), and a tripod-mounted LiDAR of 1.6 m height (g) for scale.

Example of in situ measurements of surface roughness and soil moisture. (a) LiDAR scanning weathered rock surfaces at the Tunnunik (~1.7m tripod-mounted LiDAR for scale). (b) Surface topography in a 3-D point clouds generated from the LiDAR scan.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Byung-Hun Choe (2017). Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực [Luận án tiến sĩ, The University of Western Ontario]. LuanAn.net. https://luanan.net/khoa-hoc-trai-dat-moi-truong/ung-dung-radar-sar-phan-cuc-lap-ban-do-dia-chat-bac-cuc

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" nghiên cứu về vấn đề gì?

Khám phá bản đồ địa chất Bắc Cực với ứng dụng Radar SAR phân cực lập. Phân tích chi tiết, dữ liệu chính xác.

Luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại The University of Western Ontario. Năm bảo vệ: 2017.

Luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" thuộc chuyên ngành Geology. Danh mục: Khoa Học Trái Đất & Môi Trường.

Luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" có bao nhiêu trang?

Luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" có 178 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Ứng dụng Radar SAR phân cực lập bản đồ địa chất Bắc Cực" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter