Analyse multispektraler Landsat-5 TM- und panchromatischer SPOT-Daten zur geologischen Kartierung des Pilgangoora Belts und angrenzender Bereiche, Pilbara-Kraton, West-Australien

Diplomarbeit von Heiko Zumsprekel

Zusammenfassung:

Die Arbeit behandelt die digitale Bildverarbeitung und Interpretation multispektraler Landsat-5 TM- und panchromatischer SPOT-Daten eines Gebietes im ariden Pilbara-Kraton, West-Australien. Der insgesamt 60 000 km2 große Kraton stellt ein typisches archaisches Granit-Greenstone-Terrain dar. Granitoide Batholithe von z.T. über 100 km Durchmesser, die sich aus mehreren Plutonen mit unterschiedlichem Alter und Mineralbestand zusammensetzen, werden von schwach bis eng gefalteten, synklinalen tektonischen Septen getrennt. In der Gesteinsabfolge dieser Greenstone Belts dominieren im unteren Teil (ultra)mafische, z.T. komatiitische Vulkanite mit vereinzelten Einschaltungen von Chert-Gesteinen, während in den oberen Bereichen der Anteil klastischer Sedimente zunimmt. In verschiedenen Horizonten der stratigraphisch als Pilbara-Supergruppe bezeichneten Abfolge finden sich saure Vulkanite und pyroklastische Gesteine, deren Bildung mit intrusiven Ereignissen im Kraton vor ca. 3460 Ma und 3325 Ma in Zusammenhang steht.

Die Landsat-5 TM-Daten umfassen ein Gebiet von insgesamt 60 x 65 km Größe im zentralen Pilbara-Kraton und beinhalten den größten Teil des Yule-Batholiths sowie Bereiche des Wodgina, Strelley und Pilgangoora Belts. Die Analyse der statistischen Parameter der Einzelkanäle zeigt einen niedrigen Kontrastreichtum und eine geringe Gesamthelligkeit, mit Ausnahme der Kanäle des kurzwelligen Infrarots. Der Korrelationsgrad von Einzelkanälen des visuellen Wellenlängenbereichs bzw. des Infrarots ist untereinander verhältnismäßig hoch. Die Berechnung des Optimum-Index-Faktors für alle möglichen Farbdarstellungen von drei Kanälen führt zu dem Ergebnis, dass Kombinationen aus Kanälen des visuellen Wellenlängenbereichs mit denen des kurzwelligen Infrarots den größtmöglichen Informationsgehalt im Falle der nicht weiterverarbeiteten Originalkanäle bieten.

Durch geeignete Ratiobildungen und Additionsverfahren können die spektralen Unterschiede einzelner Objektklassen (z.B. eisenoxidreiche Verwitterungskrusten, Tonminerale, quarzreiche Lithotypen oder Vegetation) herausgearbeitet werden. Die Transformation der Landsat-5 TM-Daten in Hauptkomponenten als stark datenreduzierender Bildverarbeitungsprozeß führt zu einer Verstärkung des Signal/Noise-Verhältnisses, insbesondere in den Hauptkomponenten höherer Ordnung, in denen die spektralen Unterschiede einzelner Lithotypen abgebildet werden. Durch die Transformation von 3-Kanal-Kombinationen in das IHS-Farbsystem kann in den im RGB-Farbraum relativ dunkel erscheinenden Bildbereichen der Greenstone Belts eine Bildverbesserung erreicht werden. Die IHS-transformierten Farbkompositen eignen sich jedoch nicht für eine Kombination mit den panchromatischen, räumlich höher auflösenden SPOT-Daten bzw. digitalisierten Luftbildern.

Für das Verschneiden der Landsat-5 TM-Daten mit geometrisch höher auflösenden Bildern bieten sich mehrere Techniken an. Durch eine auf dem Prinzip der Hauptkomponententransformation beruhende „resolution merge“-Technik bleibt die Farbinformation der multispektralen Kanäle weitgehend unverändert, so dass in den neu berechneten Datensätzen die Vorzüge zweier Sensorsysteme genutzt werden können. Insbesondere bei der Interpretation eines mit 11 x 11 km relativ kleinräumigen Untersuchungsgebietes ist dieses Verfahren als positiv zu bewerten, da morphologische Erscheinungen und tektonische Elemente sehr viel genauer zu erkennen sind.

Die Interpretation des Untersuchungsgebietes auf der Grundlage von drei ausgewählten Farbkompositen erlaubt die Differenzierung von zwölf Lithotypen und zwei nicht geologischen Objektklassen, deren Verbreitung und Lagerungsverhältnisse visuell in einer thematischen Übersichtskarte erfasst worden sind. Bei den computergestützen Verfahren führte lediglich die überwachte Klassifikation einer geometrisch verbesserten Farbkomposite aus Landsat-5 TM-Originalkanälen zu Resultaten, die mit der visuellen Interpretation zu korrelieren sind, wenn man von einer Überbetonung einzelner Objektklassen absieht. Insgesamt sind die Ergebnisse, die aus Klassifikationsverfahren erzielt wurden, jedoch als nicht zufriedenstellend zu bewerten.

Die Überprüfung der Satellitenbildanalyse erfolgte durch die geologische Geländeaufnahme eines ca. 5 x 5 km großen Gebietes im zentralen Bereich des Untersuchungsgebietes, in dem granitoide Gesteine des Yule-Batholiths in tektonischem Kontakt mit (ultra)mafischen Vulkaniten des südlichen Pilgangoora Belts stehen. In den zentralen Bereichen des Pilgangoora Belts ist eine Gesteinsabfolge aus banded-iron-Formationen, chert-Gesteinen und fein- bis grobklastischen Sedimenten aufgeschlossen, die im Zuge des magmatischen Diapirismus komplex gefaltet, generell steil bis subvertikal aufgerichtet wurden und in einer späteren Deformationsphase durch horizontal gerichtete Bewegungen verstellt wurden. Weiterhin treten im Kartiergebiet doleritische Ganggesteine des Proterozoikums auf, deren Verlauf innerhalb der granitoiden Gesteine deutlich zu verfolgen ist. Zu den jüngeren Bildungen gehören lateritische Hartkrusten des Tertiärs, die z.T. morphologisch als tafelförmige Erhebungen erhalten geblieben sind, sowie quartäre Alluvionen innerhalb episodisch wasserführender Flußläufe.

Die Ergebnisse der Satellitenbildanalyse lassen sich mit den Geländebefunden weitgehend korrelieren. Lediglich die heterogene Gesteinsabfolge des zentralen Pilgangoora Belts konnte durch die visuelle Interpretation nicht detailliert aufgeschlüsselt werden, da sich zum einen die spektralen Charakteristika der klastischen und chemischen Sedimente stark ähneln, zum anderen oberflächliche Verwitterungskrusten das Reflexionsverhalten der Gesteine maskieren. Prinzipiell enthalten die spektral und räumlich optimierten Landsat-5 TM-Daten aber wichtige geologische Informationen, die eine effektive, flächendeckende Kartierung des Pilbara-Kratons - wie sie im Rahmen des AGSO-GSWA-Pilbara-Projekts angestrebt wird - unterstützen kann.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Geographischer Überblick der Pilbara-Region	2
2.1	Besiedlung der Pilbara-Region	2
2.2	Naturräumliche Abgrenzung der Pilbara	3
2.3	Klima und Klimagang	5
2.4	Relief	6
2.5	Entwässerung	7
2.6	Vegetation	8
3.	Geologischer Überblick über die Pilbara-Region	9
3.1	Großtektonischer Rahmen	9
3.2	Das Granit-Greenstone-Terrain des Pilbara-Kratons	10
3.3	Stratigraphie innerhalb der Greenstone Belts	11
3.3.1	Abriß der Forschungsgeschichte	11
3.3.2	Stratigraphische Gliederung	13
3.4	Batholithe	17
4.	Grundlagen der Fernerkundung	19
4.1	Strahlungstheoretische Grundlagen	19
4.2	Fernerkundung in der Geologie	22
4.3	Das Sensorsystem Landsat Thematic Mapper	24
4.4	Das SPOT-System	25
5.	Spektrale Charakteristika von Gesteinstypen	27
6.	Bildverarbeitung der Subszene Wodgina	31
6.1	Lage der Subszene	31
6.2	Datenhintergrund	33
6.3	Grundlegende Aufbereitungsschritte der Landsat-Rohdaten	34
6.3.1	Statistische Kenngrößen der Einzelkanäle	34
6.3.2	Streckungsverfahren	39
6.3.3	Korrelationsgrad der Einzelkanäle	40
6.3.4	Optimum-Index-Faktor (OIF)	43
6.4	Arithmetische Pixeloperationen	45
6.4.1	Ratiobildung	45
6.4.2	Addition	46
6.5	Hauptkomponentenanalyse	48
6.6	Farbtransformationen	51
6.6.1	RGB-Farbsystem	51
6.6.2	IHS-Farbsystem	52
6.7	Verbesserung der geometrischen Auflösung der Landsat-TM-Daten	53
7.	Visuelle Interpretation der Satellitenbilddaten	56
7.1	Auswahl geeigneter Kanalkombinationen	56
7.2	Definition von Objektklassen	57
7.3	Interpretation der Objektklassen	58
8.	Digitale Klassifikation	66
8.1	Methodik	66
8.2	Klassifikation der ausgewählten Farbkompositen	69
8.3	Bewertung der computergestützten Klassifikationen	71
9.	Verifikation der Satellitenbildanalyse: Kartierung des zentralen Untersuchungsgebiets	76
9.1	Geographischer Überblick über das Kartiergebiet	77
9.2	Petrographie der Gesteinseinheiten im Kartiergebiet	81
9.2.1	Warrawoona-Gruppe (nach HICKMAN, 1990)	81
9.2.2	Gorge-Creek-Gruppe(nach HICKMAN, 1990)	86
9.2.3	De Grey-Gruppe(nach HICKMAN, 1990)	89
9.2.4	Granitoide Gesteine	90
9.2.5	Doleritische Ganggesteine	92
9.2.6	Hartkrustenbildungen	93
9.2.7	Alluvium und Kolluvium	94
9.3	Strukturgeologie und Tektogenese	94
9.3.1	Tektonische Elemente im Kartiergebiet	97
9.3.2	Regionale Modelle zur Entwicklung des zentralen Pilbara-Kratons	98
10.	Schlußfolgerungen	104
	Literatur	106