Крупномасштабное тематическое картографирование вулканических куполов на основе данных сверхвысокого разрешения

Вулканические купола Армении являются важными природными объектами, однако их подробное картографирование до сих пор остается недостаточно освещенным в научной литературе. Несмотря на их значимость как памятников природы, исследования, включающие антропогенную нагрузку и детальный морфометрический анализ, практически отсутствуют. Внедрение данных со сверхвысоким пространственным разрешением, полученных с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и космических аппаратов, открывает новые возможности в картографировании и мониторинге динамики вулканических процессов, позволяя создавать тематические карты в крупном масштабе.
Вулкан Аждаак расположен на Гегамском нагорье и является самым высоким вулканом нагорья с абсолютной высотой 3597 м. Кратер вулкана в его центральной части частично заполнен озером. Склоны Аждаака пересекаются многочисленными барранкосами, которые формируют сложные эрозионные структуры [1]. Вулкан Армаган также расположен на Гегамском нагорье относятся к шлаковым конусам центрального типа. Склоны вулкана Армаган имеют правильную форму. С южной стороны склон иссечен барранкосами, а с северо-западной стороны расстилаются лавовые потоки. В северо-восточном направлении лавовые потоки дошли до берегов Севана. В юго-западной части проходит полукольцевая трещина [2].
Целью исследования являлась оценка возможности использования данных БПЛА и снимков, полученных с Sentinel-2, Ресурс-П и PlanetScope для крупномасштабного картографирования вулканических куполов и создания тематических карт, включающих детали рельефа и антропогенные изменения. В ходе исследования был организован полевой выезд для верификации уже имеющихся данных, а также сбора новой информации, используя БПЛА и термохроны. Во время проведения полевых работ было использовано три различных дрона компании DJI [5]: Mavic Pro, Mavic 3M (Multispectral), Mavic 3T (Thermal), а также использовалась станция RTK (Real Time Kinematic, кинематика (движение) в реальном времени), которая представляет собой метод спутниковой навигации, который позволяет получать координаты с сантиметровой точностью. Станция RTK использовалась при съемке с Mavic 3M и Mavic 3T. Mavic Pro применялся для создания высокодетализированных фотограмметрических моделей рельефа благодаря своей камере с высоким разрешением. Мультиспектральная съемка с БПЛА была осуществлена с DJI Mavic 3M, оснащенный оптической и мультиспектральной камерой, которая позволяет собирать данные в различных спектральных диапазонах, что существенно расширяет возможности анализа. Оптическая камера имеет сенсор 4/3 CMOS 20 мегапикселей, а мультиспектральные сенсоры (зеленый (G), красный (R), крайний красный (RE) и ближний инфракрасный (NIR)) имеют по 5 мегапикселей каждый. Мультиспектральная съемка основана на использовании мультиспектральных (MS) датчиков, которые собирают энергию в нескольких широких полосах спектра, обычно меньше 15 [6]. Мультиспектральные данные, полученные с БПЛА и спутников Sentinel-2, Ресурс-П и PlanetScope, имеющее различное пространственное разрешение, позволяют исследовать вулканические структуры в различных спектральных диапазонах, включая SWIR, что позволяет определить породный состав отложений, виды растительности и почвы по спектральным профилям. Мультиспектральные карты помогают более точно определять состав пород, различать растительные и почвенные покровы, а также анализировать антропогенные изменения на исследуемых территориях. Тепловизионная съемка проводилась с использованием Mavic 3T, который обладает оптической и тепловизионной камерой, используется для мониторинга окружающей среды, поисково-спасательных работ и т.д. Тепловизионная камера имеет разрешение 640 × 512 пикселей и спектральную полосу в порядке White Hot/Black Hot/Tint/Iron Red/Hot Iron/Arctic/Medical/Fulgurite/Rainbow 1/Rainbow 2. Помимо тепловизионной камеры, Mavic 3T также оснащен стандартной RGB-камерой с сенсором 4/3 CMOS 20 мегапикселей для съемки в видимом спектре, что помогает выявить тепловые аномалии в вулканических структурах. Данный БПЛА использовался для оценки потенциальной тепловой активности рядом с вулканом Аждаак, где также были установлены термохроны.
На основе полученных данных проводилась фотограмметрическая обработка изображений с БПЛА: фотограмметрия [4] используется для создания трехмерных моделей вулканических куполов, основываясь на множестве фотографий путем метода стереосопоставления, снятых со спутников и прочих летательных аппаратов [7]. Этот метод позволяет точно измерить и анализировать топографию и морфологию вулканов, что важно для понимания процессов, происходящих внутри вулканических систем [8]. В ходе проведенной фотограмметрической обработки были получены плотные облака точек, цифровые модели местности (ЦММ) и ортофотопланы, тепловые и мультиспектральные мозаики, которые позволяют исследовать распределение температурных аномалий, которые могут свидетельствовать о вулканической активности или других геотермальных процессах.
В результате обработки данных получены тематические карты, отражающие морфологические особенности вулканических куполов с детализированным разделением типов почвенного покрова и растительных пород. Использование индексных изображений, таких как NDVI, позволило выделить зоны с различной плотностью растительности. Тепловая мозаика показала распределение тепловых характеристик, что помогло более четко выделить участки с повышенной геотермальной активностью. Помимо этого, детализированные карты поверхности позволяют разделять породы по их тепловым характеристикам и другим физическим свойствам. Для вулкана Аждаак были разработаны легенды и карты, которые детально отображают не только ключевые элементы рельефа и другие геологические структуры, но и охватывают растительный и почвенный состав исследуемой области. Для вулкана Армаган разработаны легенды, с помощью которых были созданы аналогичные карты. На геоморфологической карте вулкана Армаган, объединяющей данные о естественных формах рельефа и антропогенных изменениях, представлены ключевые элементы территории. Естественные формы рельефа включают вулканические поверхности лавовых потоков с холмистым эрозионным мезорельефом и кратер, отражающий прошлую активность вулкана. Также показаны лавовые потоки, демонстрирующие пути распространения вулканических материалов, и россыпи обломков. Равнинные поверхности и речные долины выделены как более устойчивые элементы рельефа. Среди антропогенных объектов выделена линия электропередач (ЛЭП), расположенная к северо-востоку от лавовых потоков. Значительное количество дорог на вулканическом конусе указывает на доступность этой территории, где на вершине расположены церковь и террасы для отдыха.
В результате выполненной работы были разработаны и представлены крупномасштабные тематические карты для каждого из двух изученных вулканов. Данные карты не только иллюстрируют основные формы рельефа, но и выявляют специфические особенности, такие как породный состав растительности, виды почв и горных пород.