Telerilevamento di rocce granitoidi in ambiente desertico (Anti - Atlante Orientale - Marocco) ed alpino (Himalaya - Nepal Occidentale): elaborazione immagini ASTER e spettroscopia

The aim of this research is to characterize the spectral signatures of granitoid rocks in visible and infrared wavelengths regions and find effective methodologies to discern and map granitoid plutons using ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflectance Radiometer) multispectral satellite images in different environmental contexts. Despite satellite remote sensing analysis has been extensively used for geological mapping, it is not considered readily applicable to the mapping of igneous terrains, where lithological contacts are less predictable. For this reason several plutons in two different geological contexts have been taken into account: i) Anti-Atlas - Morocco Edyacarian and Cryogenian plutons (Eastern Sagrho) and ii) Himalaya - Tertiary plutons (Dolpo). Particular attention has been given to the pre-processing of the ASTER L1A and L1B images. Level-1B data have been generated performing the radiometric calibration and geometric resampling of Level-1A products. In this way radiance at sensor (W/m2/sr/μm) is obtained from the DN (Digital Number). Subsequently, ASTER images have been corrected for the crosstalk effect, resampled at the same spatial resolution (15m/pixel), georeferenced and orthorectified. Finally, radiance at sensor values have been converted to ground reflectance applying atmospheric correction and, where necessary, the topographic effects on spectra has been reduced performing a topographic normalization. In order to compare ASTER spectra with the minerals and rocks ones, ASTER Spectral Library version 2.0 (Baldridge et al., 2009) have been considered. This library includes contributions from the Jet Propulsion Laboratory (JPL), Johns Hopkins University (JHU) and the United States Geological Survey (USGS) (Christensen et al., 2000, Clark et al., 1993, 2007). In addition, forty-five samples of granitoid rocks collected in the field, were analyzed in the VIS/SWIR spectral range at the DEI (Department of Information Engineering - Università  di Padova) using the VARIAN-CARY5000R spectrophotometer in a wavelength range spanning from 0.35µm to 2.5µm at a 1nm sampling step. High-resolution spectral signatures were resampled simulating the ASTER bands filter. This transformation drastically decrease the discerning capability of spectral signatures since the 2150 laboratory "bands" are reduced to the 9 bands obtained by the ASTER filters in the VIS/SWIR range. The remote sensing elaboration in Morocco was challenging in discriminating Ediacarian granitoid bodies, that are characterized by very similar compositions and a widespread desert varnish coating. Using false color composites, band ratios, spectral angle mapper (SAM) and supervised maximum-likelihood (MLL) classifications on ASTER bands, we were able to discriminate and map four calc-alkaline plutons. The analytical comparison of ASTER TIR (Thermal Infrared Region) and VNIR/SWIR (Visible Near Infra Red Region, Short Wave Infrared Region) data has demonstrated that the latter are very effective in the distinction of granitoids, although with very similar silica content. This because secondary effects like hydrothermal and surface alterations which may depend respectively on the magmatic evolution and on the texture and modal composition of the plutonic body, can be quite easily recognized. The remote sensing elaborations in Himalayan case study, point out that detailed lithological discrimination of heavily vegetated and topographically rough areas, requires advanced digital image processing techniques. A good approach consists on masking no -"bedrock" pixels through a classification based filter which excludes water, snow, vegetation and clouds. Subsequently we were able to cluster "rocky" pixel reflectance values into a few end-members, each with a specific mean spectral signature. Indeed, these "rocky" pixels have shown signatures constituted by a non-linear mixing of rocks and lichens. In particular, granitoid rocks of the Higher Himalayan Granitoid form an acid substrate influencing the distribution of acidophilic lichens species which can be diagnostic of such rocks. Consequently, the effect of these lichens on rock spectra along with muscovite absorption bands can be used as a proxy for the presence of leucogranitic rocks in mid latitude alpine environment. The image analysis were carried out on SWIR wavelengths using false color composites of band ratios and PCAs (Principal Component Analysis) studied under the light of this new finding. In this way the image analysis provided the detection and the geological map of a new 110 km2 granitoid body (Buraburi Granite-BG) in the Dolpo region. Results point out that the pre-processing and processing steps necessary to geological remote sensing application must be chosen in function of the specific scene characteristics (season and the environments). Moreover, has been highlighted the important role of the indirect proxies, such as desert varnish and acidophilic lichens, in the granitoid rocks spectral discrimination, based on satellite signature.

La presente ricerca ha lo scopo di sperimentare tecniche di telerilevamento multispettrale atte alla discriminazione e mappatura di plutoni granitici e caratterizzare la risposta spettrale di rocce granitoidi nelle lunghezze d'onda del visibile, vicino e medio infrarosso e infrarosso termico. Nonostante il telerilevamento satellitare sia stato ampiamente applicato alla geologia, le potenzialità del sensore ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflectance Radiometer) non sono state mai applicate alla cartografia di corpi granitici. In questo lavoro si sono così presi in considerazione numerosi plutoni in due diversi contesti geologici ed ambientali: i) plutoni di età  Ediacariana e Cryogeniana presenti nell'Anti-Atlas Orientale (Sagrho orientale - Marocco) e ii) plutoni Terziari dell'Himalaya meridionale (Dolpo - Nepal occidentale). Nelle analisi delle immagini ASTER si è prestata una particolare attenzione alle fasi di pre-processing, dove si sono applicate le calibrazioni e correzioni radiometriche e geometriche necessarie ad ottenere un dato valido, sia dal punto di vista spettrale che spaziale.. I dati di ASTER di livello 1a, attraverso la calibrazione radiometrica, sono stati così trasformati da DN (Digital Number) in radianza al sensore (W/m2/sr/μm), ottenendo un dato di livello 1b. Questo è quindi stato corrette per l'effetto di crosstalk, ricampionato alla stessa risoluzione spaziale (15m/pixel), georeferenziato e ortoretificato. Infine, attraverso l'applicazione della correzione atmosferica, i valori di radianza al sensore sono stati convertiti in valori di riflettanza al suolo. Nell'immagine dell'area Himalayana, caratterizzata da un'alta energia di rilievo, si è inoltre applicata la correzione topografica. Le firme spettrali ricavate dall'immagine satellitare sono state confrontate con quelle ad alta risoluzione di minerali, misurate in laboratorio e presenti nella libreria spettrale ASTER Spectral Library v.2.0 (Baldridge et al., 2009). A queste firme si sono aggiunte quelle di minerali e rocce di oltre 45 campioni di granitoidi raccolti nelle aree di studio ed analizzati con lo spettrofotometro VARIAN-CARY5000R nell'intervallo di lunghezze d'onda tra 0.35µm e 2.5µm (visibile -medio infrarosso) con una risoluzione di 1nm. Le firme spettrali ad alta risoluzione (circa 2150 bande) sono state così ricampionate secondo la risoluzione delle 9 bande ASTER. Le analisi di telerilevamento dell'area marocchina hanno consentito la distinzione di quattro plutoni calc-alcalini di età  Ediacariana, caratterizzati da una composizione molto simile e da una diffusa copertura di vernice del deserto sulla superficie degli affioramenti. La discriminazione di queste rocce granitoidi è stata effettuata grazie allo studio delle immagini in scala di grigi e combinazioni RGB a falsi colori di bande ASTER, rapporti tra bande ASTER e classificazioni di tipo supervised, quali maximum-likelihood (MLL) e spectral angle mapper (SAM). I dati dei sistemi ASTER VNIR/SWIR (Visible Near Infra Red Region, Short Wave Infrared Region) si sono comunque mostrati più efficaci di quelli del sistema TIR (Thermal Infrared Region), nella discriminazione delle rocce considerate. Questo è principalmente dovuto alla presenza di alterazioni idrotermali e superficiali, caratterizzate da assorbimenti diagnostici nella regione VNIR-SWIR, che di fatto dipendono dall'evoluzione magmatica, dalla tessitura e dalla composizione del litotipo indagato. Le analisi di telerilevamento dell'area Himalayana, caratterizzata dalla presenza di vegetazione, nuvole, neve e ghiaccio ha richiesto l'utilizzo di tecniche più complesse di quelle utilizzate nell'area Marocchina, caratterizzata da una buona esposizione degli affioramenti. Il mascheramento dei pixel non rocciosi si è così mostrato un buon approccio in aree con clima alpino. Le firme spettrali da satellite degli affioramenti leucogranitici analizzati, si mostrano influenzate dalla presenza di un'associazione di roccia e licheni. Poichè le rocce granitiche sviluppano substrati acidi, la presenza di specie licheniche acidofiliche è diagnostica della composizione della roccia sottostante. La presenza congiunta di assorbimenti caratteristici dei licheni acidofilici e della muscovite negli spettri da satellite possono quindi essere interpretati come proxy della presenza di rocce leucogranitiche. Si sono quindi analizzate le immagini in scala di grigi e composizioni a fasi colori di rapporti tra bande, assorbimenti relativi di banda e componenti principali, mirate ad enfatizzare gli assorbimenti di licheni e muscovite. In questo modo, le elaborazioni di telerilevamento, unite alle analisi spettrali hanno portato alla scoperta di un corpo granitico di 110 km2 (Buraburi Granite-BG) nella regione del Dolpo (Nepal occidentale). I risultati portano a concludere che le fasi di pre-processing e processing mirate alle applicazioni geologiche del telerilevamento, devono essere scelte e pesate in base agli specifici contesti ambientali e stagionali. Infine si è dimostrata l'importanza dei proxies quali licheni acidofilici e vernice del deserto, nel riconoscimento indiretto, da satellite, di rocce granitiche.