Bachelorarbeit Maria Krüger

Titel:

Auswertung terrestrischer hyperspektraler Panoramabilder für geologische Anwendungen

Beschreibung:

Die hyperspektrale Bildgebung (HSB) ermöglicht es, Materialien anhand ihrer spezifischen Spektralsignatur zu unterscheiden. Dazu wird die an der Erdoberfläche reflektierte Solarstrahlung im sichtbaren und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen 400 nm und 2500 nm, abhängig von der atmosphärischen Transmission, von Hyperspektralsensoren in mehreren hundert sehr engen Spektralbändern aufgezeichnet. Aktuelle Entwicklungen erlauben die Aufnahme hyperspektraler Panoramabilder in terrestrischen Nahbereichsanwendungen. Gestein und Minerale zeigen im kurzwelligen Infrarotbereich charakteristische Spektralsignaturen, daher ist dieser Spektralbereich für geologische Anwendungen von besonderem Interesse. Die Qualität der Hyperspektralbilder ist von den Aufnahmeverhältnissen abhängig. In der Arbeit werden anhand zweier Fallbeispiele unterschiedliche Aufnahmebedingungen untersucht und beurteilt.

Die Fallstudie Mont Terri wurde als Pilotstudie durchgeführt. Bei den Aufnahmen im Felslabor Mont Terri in 300 m Tiefe stand keine Solarstrahlung als Lichtquelle zur Verfügung. Daher waren künstliche Lichtquellen nötig. Es wurden handelsübliche Halogenscheinwerfer eingesetzt. Des Weiteren stand ein Sensor mit erweitertem Wellenlängenbereich zur Verfügung (1000 - 2500 nm). Es wurde angenommen, dass der erweiterte Wellenlängenbereich zusätzliche Informationen ermöglicht.

In der zweiten Fallstudie Pozalagua Steinbruch wurde ein Sensor im Wellenlängenbereich von 1300 - 2500 nm verwendet. Schwerpunkt war, in den verwitterten Bereichen des Steinbruchs Calcit und Dolomit zu klassifizieren. Des Weiteren wurde eine Modifikation der bisher durchgeführten atmosphärischen Korrektur angewendet und getestet. 

Das Pilotprojekt Mont Terri hat gezeigt, dass hyperspektrale Bildgebung unter Verwendung einer künstlichen Lichtquelle möglich ist. Durch die Verwendung von handelsüblichen Halogenscheinwerfern als Warmstrahler wird im verwendeten infraroten Spektralbereich stabiles Licht ausgestrahlt und genügend Energie vom Gestein reflektiert. Ein erweiterter Spektralbereich, wie in Mont Terri verwendet, ist nicht von Vorteil. Aufgrund des höheren Energieangebots im kürzeren Wellenlängenbereich wird der Dynamikbereich in dem Wellenlängenbereich, in dem die Absorptionsbänder von Karbonat- und Tonmineralen auftreten, unzureichend ausgenutzt. Die Verwendung einer stärkeren Rotationsplattform ermöglicht eine Datenaufnahme mit horizontaler Rotationsplattform. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass selbst in unzugänglichen Gebieten - wie die verwitterten Wände des Pozalagua Steinbruchs - die Reflektorplatten in jedem Bild positioniert und aufgenommen werden können. Ein weiterer Vorteil liegt im gleichmäßigen Scanmuster mit parallelen Bildkanten. Dadurch wird das Auffinden eines Scanausschnittes erleichtert. Bei langen Aufschlüssen (z. B. Tagebau) bringt diese Aufnahmegeometrie allerdings den Nachteil, dass das Scannen sehr zeitaufwändig und in viele Einzelbilder unterteilt ist.

Die alternative Anwendung der EL Korrektur ohne Referenzmaterial hat keine Vorteile gebracht. Die Methode ist durch das manuelle Setzen von Verknüpfungsregionen sehr zeitaufwändig und durch die Mittelbildung der ROI-Spektren fehlerbehaftet. Eine Implementierung in der Bildbearbeitungssoftware eines Algorithmus zum automatischen Auffinden von Verknüpfungsgebieten kann den Fehlereinfluss und den Zeitaufwand verringern. Die terrestrische hyperspektrale Bildgebung erwies sich durch die Untersuchung der beiden vorgestellten Fallstudien als geeignete Methode zur großflächigen und genauen Kartierung der Mineralzusammensetzung. Die Arbeit zeigt, dass es selbst bei verwitterten Oberflächen möglich ist, das darunterliegende anstehende Material zu erkennen und Minerale zu identifizieren. Das Pilotprojekt Mont Terri, bei dem künstliches Licht verwendet wurde, bewies, dass Hyperspektralanalysen selbst in Anwendungen, bei denen Solarstrahlung nicht genutzt werden kann, zu detaillierten Ergebnissen mit zusätzlichen mineralischen Informationen führen, die mit herkömmlichen Methoden nicht geliefert werden konnten.