I0f?0' fil0« Imaging Spectrometry and the Ronda peridotites I Q APR, m*) U Li--w/^-t ._.;•„:y CENTRALE LANDBO UW CATALO GU S 0000 0611 8968 jc^^bX K Promotor: dr. S.B. Kroonenberg hoogleraar in de Geologie en Mineralogie Co-promotor: dr. A.G. Fabbri hoogleraar in de Geologie, ITC, Enschede G fM0Vo\ ) )t<) Freek Dirk van derMee r Imaging Spectrometry and the Ronda peridotites Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor in de landbouw- en milieuwetenschappen op gezag van de rector magnificus, dr. C.M. Karssen, in het openbaar te verdedigen op vrijdag 28 april 1995 des namiddags te vier uur in de Aula van de Landbouwuniversiteit te Wageningen \ÇA } ; 3ö_7«^ é -2 BIÜ: JO;';, LANDBOL'WL.V CIP-GEGEVENS KONINKLIJKE BIBLIOTHEEK, DEN HAAG Van der Meer, F.D. Imaging spectrometry and the Ronda peridotites / F.D. van der Meer. - [S.l. : s.n.]. -111 . Thesis Wageningen. - With ref. - With summary in Dutch. ISBN 90-5485-385-9 Subject headings: remote sensing / geology Printed in the Netherlands by Grafisch Service Centrum van de Landbouwuniversiteit Wageningen /OMOHOV^ STELLINGEN 1. De hoge spectrale resolutie van „imaging spectrometer" systemen biedt de mogelijkheid om gesteenten en mineralen vanuit de lucht te identificeren en te kaarteren. Dit proefschrift 2. De positie van de carbonaat-absorptieband in mengsels van synthetische calciet en dolomiet is afhankelijk van het percentage calciet. Dit proefschrift 3. De graad van serpentinisatie van peridotieten kan worden geschat aan de hand van de diepte van de 2.3|om absorptieband voor sterk geserpentiniseerde monsters. Dit proefschrift 4. De doeltreffendheid van atmosferische calibratietechnieken isverschillen d per data set en afhankelijk van de spectrale signatuur van de voorkomende terreineenheden. Dit proefschrift 5. Beeldclassificatie doormidde lva ngeostatistisch eschattingsmethode n valtt everkieze n boven de huidige classificatiemethoden omdat deze gebruik maakt van spatiele en spectrale karakteristieken van de training data. Ditproefschrift 6. Wanneer bij beeldclassificatie spectrale banden worden gebruikt die buiten het golflengtebereik van het absorptiefenomeen liggen, neemt de betrouwbaarheid van de classificatie af. Dit proefschrift 7. Mineraalkaartering vanuit GERIS beelden bevestigt de zonering van het Ronda peridotietmassief in een granaat-, een spinel- en een plagioklaasfacies. Dit proefschrift 8. Prijsstijgingen in het openbaar vervoer staan haaks op het milieubeleid gericht op de terugdringing van het autogebruik. 9. Het gebruik van lease auto's door particulieren dient te worden ontmoedigd. 10. De duif verliest zijn geloofwaardigheid als symbool van de vrede door de mus uit de binnenstad te verdrijven. 11. De snelheid waarmee reorganisaties elkaar binnen een bedrijf opvolgen is een graadmeter voor de kwaliteit van het management. 12. De „grazende Nederlander" is de melkkoe van de fastfood industrie. 13. Naarmate de tendens om op oudere leeftijd kinderen te krijgen doorzet, zal het grootouderschap een unicum worden. 14. De bezuinigingen op de openbare groenvoorziening slaan toe in de vorm van wilde clematis en klimop. Stellingen behorende bij het proefschrift „Imaging spectrometry and the Ronda peridotites" van Freek van der Meer. Wageningen, 28 april 1995. Aan mijnvader Contents Contents Samenvatting (Summary in Dutch) 11 Chapter1 Introduction 15 1.1 Introduction 15 1.2 Rationale for this study 17 1.3 General Geology of the Betic Cordilleras 18 1.4 Outline of this thesis 21 Chapter 2 Triassic-Miocene paleogeography and basin evolution of the Subbetic Zone between Ronda and Malaga 25 2.1 Introduction 26 2.2 Outline of the stratigraphy of the Ronda-Mâlaga region 26 2.2.1 Triassic 26 2.2.2 Jurassic 30 2.2.3 Cretaceous 31 2.2.4 Paleocene-Miocene 32 2.3 Triassic-Late Miocene paleogeographic reconstructions 36 2.3.1 Pre-Miocene 36 2.3.2 Late Oligocène and Miocene 37 2.4 Quantitative subsidence analysis and its implications for geodynamics 41 2.4.1 Interpretation of the subsidence record 44 2.5 Conclusions 48 Chapter3 A review of the tectonic evolution of the Ronda peridotite massif. 51 3.1 Introduction 52 3.2 Regional geologic setting 52 3.3 A review of field and microstructures 54 3.3.1 The Sierra Alpujata 56 3.3.2 The Sierra Bermeja 56 3.4 New paleostress data 61 3.4.1 Theory 61 3.4.2 Results and interpretation 62 3.5 Discussion and conclusions 68 - Contents - Chapter4 Spectral reflectance of carbonate mineral mixtures and bidirectional reflectance theory 73 4.1 Introduction 74 4.2 Bidirectional reflectance theory 75 4.3 Reflectance spectra of carbonate minerals and rocks 77 4.3.1 Laboratory methods 77 4.3.2 Controls of carbonate absorption band positions 79 4.3.3 Effects of particle size 80 4.3.4 Effects of sorting 80 4.3.5 Calcite-dolomite mixtures 82 4.3.6 Effects of impurities 86 4.4 Reflectance spectra of rock samples 95 4.5 Conclusions 98 Chapter5 Spectral reflectance of ultramafic rocks and the effect of serpentinization 101 5.1 Introduction 102 5.2 Reflectance spectra of ultramafic rocks 104 5.2.1 Laboratory method 104 5.2.2 Mineral spectra 104 5.2.3 Rock spectra 107 5.3 Effect of serpentinization on reflectance spectra Ill 5.3.1 Theory Ill 5.3.2 Reflectance spectra of serpentinites 112 5.4 Conclusions 115 Chapter6 Reflectance spectra of weathered rock samples, soil, vegetation and field reflectance spectra 117 6.1 Introduction 118 6.2 Reflectance characteristics of weathered rock samples 118 6.2.1 Carbonates 118 6.2.2 Ultramafics 122 6.3 Soil reflectance characteristics 123 6.4 Vegetation reflectance spectra 130 6.5 Reflectance spectra characterizing the peridotite-metamorphics contact 133 6.5.1 The Ronda-San Pedro contact 133 6.5.2 The Guaitara section 136 6.5.3 The Jubrique section 139 6.6 Relation between laboratory, field and image spectra: a Case Study from the Los Pedroches batholith 141 6.6.1 Chemical composition of soils 143 6.6.2 Spectra of minerals contributing to soil reflectance 145 6.6.3 Spectra of soil samples 147 6.6.4 Image processing and analysis 150 6.7 Conclusions 156 - Contents - Chapter7 Preprocessing of imaging spectrometer data and atmospheric calibration 159 7.1 Introduction 160 7.2 Imaging spectrometer systems 160 7.2.1 The Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) 160 7.2.2 Geophysical Environmental Research Imaging Spectrometer (GERIS) 163 7.2.3 Imaging spectrometer data sets used 165 7.3 Estimation of signal-to-noise ratio 167 7.3.1 The "local means and local variances method" 168 7.3.2 The "geostatistical method" 169 7.3.3 Results 170 7.4 Wavelength calibration 179 7.5 Atmospheric calibration techniques 179 7.5.1 The Flat-field correction 180 7.5.2 The Log-residual and Rat-field log-residual method 180 7.5.3 The Empirical Line method 181 7.5.4 The Internal Average Relative Reflectance (IARR) atmospheric correction technique 183 7.5.5 The Atmospheric Removal Method (ATREM) 183 7.5.6 Performance of atmospheric calibration techniques 185 7.5.7 Comparison of the AVIRIS Cuprite Mining district data set and the GERIS data set from southern Spain 193 7.6 Conclusions 194 Chapter8 Mineral mapping and automatic feature extraction from imaging spectrometer data 197 8.1 Introduction 198 8.2 Existing techniques for mineral mapping from imaging spectrometer data 198 8.2.1 Comparison of pixel and laboratory spectra 198 8.2.2 Colour-composite images 200 8.2.3 Colour-coded stacked spectra 201 8.2.4 Binary encoding 202 8.2.5 Waveform characterization 203 8.2.6 Spectral Angle Mapping (SAM) 204 8.2.7 Spectra Unmixing 206 8.3 A new indicator kriging classification method for mineral mapping 207 8.3.1 Conventional classification techniques in the hyperspectral space.... 208 8.3.2 The indicator kriging classifier 210 8.3.3 Statistical zonation techniques for automatic detection of absorption features 215 8.3.4 Results 218 8.4 Conclusions 227 Appendix 1: Ordinary kriging of points and blocks 228 Appendix 2: Support correction 232 - Contents - Chapter 9 Imaging spectrometry and the Ronda peridotites 237 9.1 Introduction 238 9.2 Mineral mapping and the Ronda peridotites 239 9.2.1 Spectral unmixing 239 9.2.2 Mineral mapping 240 9.3 Case Study 1: Calcite-dolomite mineral mapping 246 9.3.1 GERIS data preparation 248 9.3.2 Estimating calcite-dolomite abundances using indicator kriging 249 9.3.3 Simulating calcite-dolomite abundances using conditional simulation 252 9.3.4 Results 255 9.4 Case Study 2: Mapping the degree of serpentinization 264 9.4.1 Data preparation 265 9.4.2 Sequential Gaussian Conditional Simulation (SGCS) 266 9.4.3 Results 268 9.5 Conclusions 272 Appendix 1: Sequential Conditional Simulation 274 References 275 Acknowledgements 303 Bibliography 305 Curriculum Vitae 309 Plates 313 Samenvatting - Samenvatting (Summary in Dutch) Conventionele satelliet gegevens, zoals verkregen door Landsat Thematic Mapper en SPOT, hebben een spectrale resolutie ind eord eva n 100to t20 0nanometer s waardoor een grootdee l van de informatie belangrijk voor het herkennen van mineralen (met absorptie banden in de orde van 20 tot 40 nanometers breed) in remote sensing data verloren gaat. Derhalve werden hoge spectrale resolutie sensoren ontwikkeld waarmee laboratoriumachtige spectra kunnen worden gemeten voor elk pixel. Zo ontstond de „imaging spectrometry"; een nieuwe discipline binnen de remote sensing. „Imaging spectrometry" is het verkrijgen van beeldgegevens in vele nauwe aaneensluitende spectrale banden over het 0.4um tot 2.5um golflengte bereik met als doel de optimale spectrale karakterisering van pixel spectra om zo mineralen en gesteenten te kaarteren vanuit vliegtuig of satelliet opnames. Toepassingen van „imaging spectrometers" gemonteerd op vliegtuigen hebben succes opgeleverd in woestijn gebieden. Relatief weinig onderzoek is gedaan naar de vertaling van deze resultaten in gedeeltelijk begroeide gebieden dieee n meerrealistisch eomgevin g vormenvoo r geologische prospectie.Di tvereis t een andere aanpak waarbij nieuwe analyse methoden dienen te worden ontwikkeld.