Mineral mapping with the application of machine learning techniques on data from passive sensors and interferometric coherence on data from active satellite sensors
Authors: Τομπολίδη Αθανασία-Μαρία 
Published: March 2023

Η χαρτογράφηση περιοχών που φιλοξενούν υδροθερμικές εξαλλοιώσεις σε ηφαιστειακά περιβάλλοντα χρήζουν ιδιαίτερης σημασίας ως προς την μελέτη τους. Οι ζώνες υδροθερμικής εξαλλοίωσης συνδέονται συχνά με κοιτάσματα οικονομικού ενδιαφέροντος γεγονός που τις κάνει περιζήτητες για τον ιδιωτικό και δημόσιο ερευνητικό τομέα. Η αποτύπωσή τους δεν είναι μία εύκολη υπόθεση, καθώς πολλές φορές οι υδροθερμικές εξαλλοιώσεις φιλοξενούνται σε δυσπρόσιτα πεδία και αυτό καθιστά αδύνατη την πρόσβαση με επιτόπιες γεωλογικές μεθόδους έρευνας. Για τον λόγο αυτό, νέοι τρόποι χαρτογράφησης έχουν προταθεί στην έρευνα ζωνών υδροθερμικής εξαλλοίωσης, οι οποίες εμπεριέχουν μεθόδους επεξεργασίας εικόνας και σήματος σε δεδομένα Τηλεπισκόπησης και αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για την εξόρυξη πληροφοριών από τις διαθέσιμες δορυφορικές εικόνες. Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η χαρτογράφηση ζωνών υδροθερμικής εξαλλοίωσης με την χρήση μεθόδων μηχανικής μάθησης και επεξεργασίας σήματος για την επεξεργασία δορυφορικών εικόνων από παθητικούς και ενεργητικούς δέκτες. Η περιοχή μελέτης αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι οι ζώνες υδροθερμικής εξαλλοίωσης της καλδέρας του ηφαιστείου της Νισύρου. Ειδικότερα στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται νέες μεθοδολογίες για την εξόρυξη φασματικής πληροφορίας που εφαρμόζονται σε δεδομένα τόσο από παθητικούς (ASTER,Sentinel-2/MSI και Landsat-8/OLI) όσο και από ενεργητικούς (Sentinel-1B) δέκτες. Σχετικά με τις μεθοδολογίες που σχετίζονται με την επεξεργασία δεδομένων από παθητικούς δέκτες, η πρώτη εξ αυτών βασίζεται στο γραμμικό φασματικό διαχωρισμό, που εφαρμόζεται σε εικόνες στο κοντινό υπέρυθρο (visible near infrared - VNIR) και στο μικροκυματικό υπέρυθρο (shortwave infrared – SWIR) τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος από τους τρεις προαναφερθέντες δέκτες για την περιοχή των υδροθερμικών ζωνών της καλδέρας του ηφαιστείου της Νισύρου. Η δεύτερη μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την μελέτη του ίδιου τμήματος του φάσματος βασίζεται στην ομαδοποίηση δεδομένων (clustering - Online Generalized Possibilistic C-Means - O-GAPCM clustering algorithm) επάνω στις τρεις πρώτες κύριες συνιστώσες των εικόνων που ελήφθησαν από Sentinel-2/MSI, Landsat-8 (OLI) και ASTER για την χαρτογράφηση των ορυκτολογικών ομάδων που συμμετέχουν στις υδροθερμικές ζώνες της καλδέρας. Η τρίτη μεθοδολογία για την επεξεργασία εικόνων, η οποία εφαρμόζεται στον παθητικό δέκτη ASTER στην περιοχή του θερμικού υπέρυθρου (thermal infrared – TIR), βασίζεται επίσης στην ομαδοποίηση δεδομένων (clustering) - Gaussian Mixture Model - GMM clustering method) για τον εντοπισμό και την χαρτογράφηση θερμοκρασιακών μεταβολών μεταξύ των υδροθερμικών ζωνών εξαλλοίωσης. Επιπλέον, η τέταρτη μέθοδος αφορά την εφαρμογή φασματικών δεικτών που αξιοποιούν πληροφορία από το ορατό-κοντινό και μικροκυματικό υπέρυθρο. Τέλος, εφαρμόστηκαν και μελετήθηκαν συνδυασμοί των παραπάνω μεθόδων. Ακολούθως, μελετήθηκε το κομμάτι του φάσματος των μικροκυμάτων (microwaves) με την χρήση δορυφορικών δεδομένων από τον ενεργητικό δορυφόρο Sentinel-1B του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος για τον εντοπισμό διαφορών στην υφή εξαλλοιωμένων και μη εξαλλοιωμένων πετρωμάτων στην περιοχή της καλδέρας της Νισύρου. Το αποτέλεσμα της παρούσας εργασίας είναι μία σειρά θεματικών χαρτών που προέκυψε από τις προτεινόμενες μεθοδολογίες παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με: α) τον βαθμό εξαλλοίωσης των διάφορων λιθολογιών που συνδέονται με το πεδίο υδροθερμικής εξαλλοίωσης, β) τον εντοπισμό και την χαρτογράφηση των θερμοκρασιακών διαφοροποιήσεων εντός των υδροθερμικών ζωνών και γ) την διαφοροποίηση της υφής ανάμεσα σε εξαλλοιωμένους και μη εξαλλοιωμένους σχηματισμούς εντός των ζωνών υδροθερμικής εξαλλοίωσης της καλδέρας της Νισύρου. Τα αποτελέσματα των προαναφερθεισών μεθοδολογιών για την χαρτογράφηση των ζωνών υδροθερμικής εξαλλοίωσης εντός της καλδέρας της Νισύρου κρίνονται ικανοποιητικά καθώς: α) αξιοποιήθηκε μεγάλο εύρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, β) έγινε χρήση πολλών και διαφορετικών δεκτών των οποίων διερευνήθηκαν οι δυνατότητες, γ) εφαρμόστηκαν επιβλεπόμενες και μη επιβλεπόμενες τεχνικές μηχανικής μάθησης και δ) διερευνήθηκαν οι δυνατότητες της κλασσικής τεχνικής της διαφορικής συμβολομετρίας ραντάρ με έμφαση στα προϊόντα συμβολομετρικής συνάφειας.