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.
![Abb. 1: Spektralsignaturen von Mineralen mit Absorptionsbanden, die durch Schwingungsprozesse von Ionen innerhalb des Kristallgitters hervorgerufen werden: Die Tonminerale Montmorillonit und Kaolinit, sowie die Karbonate Dolomit und Calcit. Die Spektralsignaturen bilden die Grundlage für die Klassifizierungen.](https://tu-dresden.de/bu/umwelt/geo/ipf/photogrammetrie/ressourcen/bilder/studium/abschlussarbeiten/2012/2012_BA_krueger_content/abb1/@@images/a17575a2-7cb5-4e1b-a223-fd2c17b7009f.jpeg)
Abb. 1: Spektralsignaturen von Mineralen mit Absorptionsbanden, die durch Schwingungsprozesse von Ionen innerhalb des Kristallgitters hervorgerufen werden: Die Tonminerale Montmorillonit und Kaolinit, sowie die Karbonate Dolomit und Calcit. Die Spektralsignaturen bilden die Grundlage für die Klassifizierungen.
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.