Стисла характеристика особливостей комп’ютерної обробки та інтерпретації даних супутників “Landsat”

Азімов О.Т., Шульга В.І.

      Особливості геологічної будови шельфових зон Чорного моря відображаються на космічних знімках (КЗ) на фоні різних завад. Для отримання зображень, інформативних у геологічному відношенні, необхідні сприятливі метеорологічні і гідрологічні умови (відсутність вітру, спокійне море та мінімальні прояви синоптичних вихрів та муттєвих потоків).
      Окрім того, КЗ в основному використовуються для аналізу зображень суші. Зйомочна апаратура настроюється, перш за все, на передачу діапазону яскравості, який значно ширше, ніж діапазон зображення водної поверхні. Останній “дістається” дуже обмежена кількість градацій яскравості, через що тут особливо сильний вплив мають різні регулярні завади, які пов’язані з гідрологічною складовою. Бліки, “засвіти”, апаратурні завади можуть також іноді перевищують амплітуду корисного сигналу. Тому необхідним є індивідуальний підхід не лише до кожного космічного знімку і каналу, але і до кожної їх ділянки. Підбір індивідуальної комбінації процедур обробки зображень є одною з основних задач комп’ютерної обробки космічних знімків.
      Коротко зупинимося на особливостях комп’ютерної обробки двох КЗ супутника “Landsat”. Перший знімок зроблено 22.08.1988 р. о 07:49:46, другий – 05.05.1992 р. о 07:32:00. З урахуванням набутого у ЦАКДЗ досвіду робіт по прогнозу нафтогазоносності у межах північно-західного шельфу Чорного моря найбільша увага була приділена обробці зображень теплового (6-го, діапазон спектра електромагнітних хвиль 10400–12500 нм) каналу КЗ “Landsat” (Рис. 1 і 2).

fg1

Рис. 1. Співставлення комп’ютерно необробленого зображення 6-го каналу (діапазон 10,4–12,5 мкм) КЗ “Landsat” (05.05.1992 р.) з контурами структур по горизонту відбиття IIa (нижня частина відкладів майкопської світи)

fg2

     Рис. 2. Співставлення комп’ютерно необробленого зображення 6-го каналу (діапазон 10,4–12,5 мкм) КЗ “Landsat” (22.08.1988 р.) з контурами структур по відбиваючому горизонту IIa

      У якості основних операцій обробки зображень з застосуванням програмного продукту ERDAS Imagine 8.4 використовувалися наступні:
   -    контрастування – розтягування яскравісного діапазону зображень морської поверхні;
   -    згладжування зображень за допомогою згортки з ковзаючою дзвонеподібною (колоколообразной – Гаусс) функцією, з радіусом у кілька пікселів, для заглушення шумів;
   -    аналогічне згладжування, з радіусом дзвонеподібної функції у кілька десятків пікселів, для визначення тренду в межах більших по площі ділянках шельфу;
   -    віднімання отриманого тренду від вихідного зображення для виділення корисної складової сигналу, пов’язаної з геологічною будовою регіону.
      На основі випробування різних процедур обробки та їх комбінацій встановлено, що наведена сукупність процедур забезпечує оптимальне виділення аномалій яскравості у межах ділянок зображень з високим рівнем регулярних завад. Радіус Гаусс-функції для заглушення шуму дорівнював 5-ти пікселям, а радіус Гаусс-функції для виділення тренду – 50.
      На заключних етапах в областях особливого інтересу, які просторово співпадали з локальними нафтогазоперспективними об’єктами, використовувалася операція автоматичного контрастування (вирівнювання – еквалізації гістограми). Для цього використовувалася опція Image Interpreter/ Radiometric Enhancement/ Histogram Equalisation. Еквалізація гістограми є нелінійним розтягненням, яке перерозподіляє значення пікселів таким чином, щоб було приблизно однакове число пікселів з кожним значенням у межах діапазону. Результат майже відповідає плоскій гістограмі. Тому контраст збільшується на “піках” гістограми і зменшується на “хвостах”.
      Вибір областей особливого інтересу і створення відповідних файлів *.aoi (area of interest) здійснювався на основі візуального аналізу класифікованих КЗ таким чином, щоб дані області знаходилися усередині однорідних щодо поверхневих течій площ, які були б інформативними щодо вторгнення вод з глибини на локальному рівні. Класифікація КЗ (файли з розширенням *.img, канали 1, 6 і 7 у діапазонах 0,450–0,520, 10,4–12,5 та 2,080–2,350 мкм відповідно) виконувалася методом автоматичної класифікації з неконтрольованим навчанням (unsupervised training). Останнє основане на природному групуванні пікселів у просторі ознак, тому називається ще кластеризацією.
      Вказаний метод не потребує точної завірки для вибору пікселів, які відносяться до певних класів. Він використовується при незначній забезпеченості наземною інформацією, що типово для нашого випадку, оскільки апріорі ми не знаємо гідрологічної ситуації у районі досліджень. Єдиним необхідним параметром для проведення неконтрольованого навчання є кількість класів, які виділятимуться за спектральними відмінностями.
      Таким чином, при першій ітерації класифікації нами довільно було взято 24 класи, кольорова гама яких спочатку була вибрана довільно. Після візуального аналізу отриманих результатів, умовної ідентифікації розкласифікованих об’єктів, за якими на площині диференціюється водна поверхня, шляхом генералізації основного набору класів число останніх було зменшено до 18. Це було зроблено з урахуванням того, що більшість так би мовити “перехідних” класів знаходилася у максимально градієнтних областях між різними течіями. Тому, з нашої точки зору, ці області є неінформативними (або дуже малоінформативними) для вирішення поставлених завдань геологічного спрямування.
      За операцією генералізації класів було проведено наступну ітерацію класифікації. Після серії описаних інтерактивних процедур, зупинившись на кількості класів, яка дорівнювала 12, були отримані остаточні класифіковані КЗ. Кольорова гама останніх була вибрана таким чином, щоб у першому наближенні характеризувати температурне розмаїття поверхневих вод моря. При цьому за основу були вибрані спектри відображення суходолу на узбережжі, а також прибережних вод, апріорі які ми вважали більш теплішими. Тобто більш теплим водам на схемі класифікації відповідають більш тепліші (червоний, оранжевий, жовтий) кольори (Рис. 3).

fg3

Рис. 3. Співставлення класифікованого зображення КЗ “Landsat” від 05.05.1992 р. (канали 1, 6 і 7 у діапазонах 0,450–0,520, 10,4–12,5

      Зупиняючись на інформативності наявних даних ДЗЗ для вирішення поставлених завдань, відмітимо, що на жаль за даними обох КЗ “Landsat” на території досліджень на період виконання зйомки спостерігається складна гідрологічна обстановка. Вона характеризується наявністю як прибережних поверхневих морських течій у районі Керченського півострова, які місцями досягають місцерозташування структурних зон ділянки робіт, так і власне потужних течій у відкритому морі, що різною мірою також їх покривають. Все це вносило додаткові складності у процес обробки та інтерпретації дистанційних даних. У межах структури Субботіна, наприклад, простежується градієнтна зона сполучення різних течій за даними обох різносезонних КЗ “Landsat”, що може свідчити про часову стійкість вказаної гідрологічної ситуації у цьому районі (Рис. 1–3). Отже, коректне виділення спектральних аномалій геологічної природи на даній площі ускладнене. Тому вказане підняття за особливостями аномалій у спектрах відбиття водної поверхні нами не охарактеризоване.
      При обробці даних ДЗЗ із супутників “Landsat” у межах інших чотирьох структур (Керченської, Південно-Керченської, Абіха і Глибокої) особливо пильну увагу було звернуто на аналіз і дешифрування 6-го (теплового, зона спектра 10,4–12,5 мкм) каналу, а також інтерпретацію отриманих результатів. Це аргументується викладеними у [Перерва В.М. та ін., 1995] теоретико-методичними засадами дослідження геологічної структури морських акваторій дистанційними методами, де вказується на геологічну інформативність теплової зони спектра електромагнітних хвиль. Отже, детальний аналіз результатів комплексної комп’ютерної обробки даних 6-го каналу з використанням вищевказаних методичних прийомів дозволив виділити ряд локальних аномалій імовірно геологічного характеру (Рис. 4 і 5).

fg4

Рис. 4. Співставлення комп’ютерно обробленого зображення 6-го каналу (діапазон 10,4–12,5 мкм) КЗ “Landsat” (05.05.1992 р.) з контурами структур Керченська, Абіха і Глибока по горизонту відбиття IIa

fg5

Рис. 5. Співставлення комп’ютерно обробленого зображення 6-го каналу (діапазон 10,4–12,5 мкм) КЗ “Landsat” (22.08.1988 р.) з контурами структур Нівденно-Керченська, Абіха і Глибока по горизонту відбиття IIa

 Нижче зупинимося на їх характеристиці.
      У цілому для даних аномалій властиві знижені значення температур поверхневих морських вод. Вони проявляються у щільності фототону зображення теплового каналу КЗ темнішими порівняно з навколишніми ділянками відтінками. Основні (або центральні) частини аномалій практично радіометрично однорідні або слабодиференційовані.
      У плані аномалії є площинними або лінійними. При цьому їх форми (або контури) характеризуються розмаїттям морфологічних типів. Дешифрування (або оконтурування) дистанційних аномалій здійснювалося по границях найбільш градієнтних зон зміни контрастів зображення з темніших на світліші відтінки.
      Зокрема, у межах центральної і північно-східної частин Керченського підняття за даними КЗ “Landsat” від 05.05.1992 р. виділяється аномалія неправильної форми з передбачувано зниженими значеннями температур поверхневих вод, які, окрім іншого, характерні й для покладів вуглеводнів. При цьому основний контур структури за даними сейсмічних побудов по горизонту відбиття IIa (P31, нижня частина відкладів майкопської світи) у цій частині площі просторово повністю лежить у контурі теплової аномалії.
      Остання у цілому зорієнтована у напрямку простягання підняття з південного заходу на північний схід. У формі аномалії спостерігаються деякі флуктуації, які або субширотно дещо витягують її, або невеликим відгалуженням продовжують у північ-північно-східному напрямку за межі контуру Керченської структури. Можливо, вказані флуктуації індикують активізовані на сучасному етапі тектогенезу малоамплітудні зони порушень, які не виділяються за даними сейсморозвідки. У такому разі аномалія знаходиться у вузлі перетину зон субширотного і північно-східного простягання. Про це свідчить загальна форма контуру аномалії, яку морфологічно можна віднести до типу нахиленого хреста (Рис. 4 і 6).

fg6

Рис. 6. Співставлення виділених теплових аномалій (оранжевий колір) на комп’ютернообробленому КЗ “Landsat” (05.05.1992 р., 6-ий канал) з контурами структур Керченська, Абіха і Глибока (блакитний колір, горизонт відбиття IIa)

      На КЗ “Landsat”, який зроблений 22.08.1988 р., Керченська площа характеризується сильно градієнтною зоною на границі поверхневої течії (Рис. 5). Тому однозначно виділити тут корисний пошуковий сигнал у тепловій зоні спектра не вдалося.
      З центральною, апікальною частиною Південно-Керченського підняття за даними структурних побудов у нижній частині відкладів майкопської світи площово корелюється дистанційна аномалія імовірно знижених значень температур вод морської поверхні, яка виявляється за даними КЗ “Landsat” від 22.08.1988 р. Аномалія має неправильну форму, яка своїм контуром у плані морфологічно нагадує зірку. Центральна частина аномалії повністю лежить у контурі структури, яка розглядається (Рис. 7).

fg7

Рис. 7. Співставлення виділених теплових аномалій (оранжевий колір) на комп’ютерно обробленому КЗ “Landsat” (22.08.1988 р., 6-ий канал) з контурами структур Південно-Керченська, Абіха і Глибока (блакитний колір, горизонт відбиття IIa)

При цьому лінійно витягнуті відгалуження аномалії, які виходять за межі контуру підняття, спрямовані як субширотно, так і субмеридіонально.       Останній факт може свідчити про те, що аномалія просторово-генетично пов’язана з геофлюїдодинамічною структурою, яка утворена парагенезом деструктивних зон земної кори вказаних напрямків.
      На існуючих структурних картах по відбиваючих горизонтах неогену і палеогену за даними сейсморозвідки ці зони порушень не зафіксовані. Отже, для встановлення істинної картини необхідні додаткові дослідження Південно-Керченської площі з урахуванням апріорних даних інших геофізичних методів. У разі достовірності нашого припущення, з сучасних позицій флюїдогеодинаміки нафтогазоперспективність Південно-Керченського підняття оцінюється досить високо.
      На жаль, на КЗ “Landsat”, який зроблено 05.05.1992 р., Південно-Керченська площа характеризується досить однорідними значеннями спектрів відбиття у тепловому каналі (Рис. 4). Тому виявлення в її межах чітких контрастних аномалій результату не дало.
      Відносно КЗ, які аналізуються, площа Абіха розташована на яскраво вираженій границі різних течій (або масивів) поверхневих вод. Тим не менш зважаючи, що структура простягається з південного заходу на північний схід приблизно на 17 км поперек даної границі, у її крайніх частинах виділяються відносно однорідні області. Це дозволило встановити тут аномалії вірогідно знижених значень температур поверхні морських вод за даними обох КЗ “Landsat”. Обидві аномалії просторово тяжіють до північно-східної, периклінальної частини підняття (при порівнянні із структурними побудовами по горизонту відбиття IIa). Аномалії відносно невеликі за розмірами. Площа аномалії за даними КЗ “Landsat” від 22.08.1988 р. більша за площу аномалії, яка виділена на КЗ “Landsat” від 05.05.1992 р. (Рис. 6–8).

fg8



Рис. 8. Співставлення виділених теплових аномалій (6-ий канал, діапазон 10,4–12,5 мкм) на комп’ютерно оброблених КЗ “Landsat” (05.05.1992 р. – оранжевий колір, 22.08.1988 р. – фіолетовий) з контурами структур Керченська, Південно-Керченська, Абіха, Субботіна і Глибока (горизонт відбиття IIa, блакитний колір)

      Головні частини обох аномалій лежать у межах контуру підняття Абіха. Разом з тим, маючи неправильні морфологічно амебоподібновиражені форми, своїми  видовженими частинами аномалії виходять за його межі. Так аномалія за даними КЗ “Landsat” від 22.08.1988 р. у цілому має субширотне простягання, її лінійно видовжена східна частина слідиться поза контуром структури. У цьому ж напрямку відмічається й вкрай незначна флуктуація у рисовці дистанційної аномалії, яка виявлена на КЗ “Landsat” від 05.05.1992 р. У цілому ж остання зорієнтована з північного заходу на південний схід.
      Важко однозначно інтерпретувати охарактеризовані вище аномалії. З нашої точки зору, вони можуть відображати неоднорідну будову північно-східної частини підняття Абіха (наприклад, наявність слобовиражених диз’юнктивних зон у горизонтах палеогену і неогену), яка не відмічена останніми роботами МСГТ.
      За даними обох КЗ “Landsat” аномалії з передбачувано зниженими значеннями температур поверхневих вод виявлені й у межах Глибокої площі. Особливий інтерес викликає істотна за площею аномалія, яка виділена на КЗ “Landsat” від 05.05.1992 р. Вона має достатньо згідне, у цілому субширотне простягання разом з Глибоким підняттям. Лише у своїй східній частині аномалія дещо розвернена на північний схід порівняно з контуром структури (побудови по відбиваючому горизонту IIa). Загалом же більшими своїми частинами контури підняття та аномалії просторово добре корелюються (Рис. 6). При цьому східне склепіння структури з замкненою ізогіпсою -2400 м повністю лежить у контурі дистанційної аномалії, просторово співпадаючи з її центральною частиною (відмітимо, що у межах східного склепіння підняття на перетині профілів МСГТ 30/406/2001 і 92/406/2001 фахівцями ДГП “Укргеофізика” рекомендується буріння глибокої свердловини № 7). Разом з тим аномалія має й невеликі флуктуації субмеридіонального спрямування у своїй північній частині, які можуть відображати наявність локальних флюїдопроникних зон порушень у земній корі, що не зареєстровані сейсмічними методами.
      Аномалія за даними КЗ “Landsat” від 22.08.1988 р. має значно меншу площу, ніж вищеописана. Форма її контуру овальна, майже еліпсовидна з простяганням довшої вісі у північно-західному напрямку. Аномалія площово повністю знаходиться як у контурі аномалії, яка виділена на КЗ “Landsat” від 05.05.1992 р., так і у контурі Глибокої структури (Рис. 6–8).
      Отже, аналіз вищенаведених даних дозволяє високо оцінити перспективи нафтогазоносності Глибокого підняття.
      Таким чином, за результатами комплексної комп’ютерної обробки, дешифрування та інтерпретації даних багатозональних КЗ “Landsat”, зроблених 22.08.1988 р. і 05.05.1992 р., у межах структурних зон Керченського шельфу Чорного моря виділено ряд аномалій передбачувано геологічної природи. Аналіз особливостей (місцеположення відносно структурних елементів відомих підняттів, просторово-часове співвідношення між собою, розміри, форма, інтенсивність/ контрастність) аномалій знижених значень температур поверхневих вод за даними 6-го (теплового, діапазон 10,4–12,5 мкм) каналу вказаних КЗ дозволив у першому наближенні оцінити нафтогазоперспективність локальних структур району досліджень. До найперспективніших віднесено Глибоку структуру, до перспективних – Південно-Керченську, Керченську і Абіха. Структура Субботіна з об’єктивних причин (вагомі завади на КЗ, які пов’язані з поверхневими течіями) не оцінювалася.