LASERSCANNER CYCLOSTRATIGRAPHY. A REMOTE SENSING APPROACH FOR THE EXTRACTION OF LONG TIME SERIES FROM LARGE OUTCROPS

Terrestrial Laser Scanners (TLSs) permit to capture three dimensional models of outcrops in the form of point clouds. Each point of a point cloud is the result of a sampling operation on the outcrop’s surface, made trough a laser beam. This operation records the 3D coordinates of the point and the backscattered laser energy as an intensity value. Potentially, the intensity can be converted into a reflectance and used to discriminate different materials. When series composed of limestone and marl alternations are considered, TLS intensity can be used as a proxy for the lithology and converted into intensity-logs which were demonstrated to be a promising source of time series for cyclostratigraphic analysis. This thesis started from that result and had the main goal of exploiting that method to produce long time series, which are essential to the study of long period (> 1 Myr) Milankovitch cycles in sediments. In this perspective the following themes were investigated: a) The effect exerted on measured intensities by shales and chert. Limestone, clay (shales) and chert make most of many deep water sedimentary successions. b) The identification of a simple method to normalize the intensities, to minimize the effects of distance from the outcrop and of the incidence angle of the laser beam. c) The creation of a software package, composed by a C++ library and a Graphical User Interface (GUI) for simplifying the user interaction with the data that is needed for generating the time series. Three case studies from the Central-Italy Apennines have been considered: I) The Smirra section (Scaglia Rossa Fm. and Scaglia Variegata Fm. ), composed of pelagic calcareous homogenites was the playgroud to compare TLS intensities to calcimetric analyses carried out on samples taken from the outcrop. Results demonstrate that TLS can be used as a proxy for CaCO 3 content even in series characterized by minimal lithological variations. II) The Mulini section (Maiolica Fm.). TLS sensitivity to chert was investigated by comparing laboratory-measured reflectance spectra to TLS intensity. It is shown that the low-reflectance of chert can be exploited to distinguish it from limestone. A method based on a Support Vector Machine (SVM) classifier was thus implemented to recognize chert semi-automatically on TLS point clouds. III) The Vispi Quarry (Maiolica Fm., Marne a Fucoidi Fm., Scaglia Bianca Fm.). In this outcrop an almost continuous 200m-thick stratigraphic succession is exposed spanning from the upper Maiolica Fm. to the Bonarelli level, and representing ca. 20 Myrs. This outcrop was ideal to tackle the problem of retrieving long time series for cyclostratigraphic analysis. An original method and dedicated software were developed to achieve this task. With these original tools, it was possible to produce a 150m-long time series with resolution down to the centimeter, starting from ∼ 30 point clouds. The methods and algorithms introduced to cope with the long time series creation from point clouds have been implemented in a C++ library, names SPC . Easy access to the data structures and methods defined in SPC is instead provided by a GUI, in the form of a toolbar for the CloudCompare software. The proposed toolkit is available over the internet at https://github.com/ luca-penasa .

I Terrestrial Laser Scanners (TLSs) permettono di creare modelli tridimensionali di affioramenti, nella forma di nuvole di punti. Ogni punto di una nuvola di punti è il risultato di un’operazione di campionamento sulla superficie dell’affioramento, fatta usando un raggio laser. Questa operazione registra le coordinate 3D del punto e l’energia retroriflessa del laser, detta intensità. Potenzialmente, l’intensità può essere convertita in una riflettanza ed essere usata per discriminare matteriali differenti. Quando si considera una serie composta da alternanze di calcari e marne, l’intensità può essere usata come proxy per la litologia e venir convertita in log di intensità, questi si sono dimostrate essere promettenti serie temporali per l’analisi ciclostratigrafica. Questa tesi prende il via da questo risultato, ed ha avuto l’obiettivo principale di esplorare i metodi necessari a produrre serie temporali lunghe, che sono essenziali per studiare cicli Milankoviani di lungo periodo (> 1 Myr) nei sedimenti. In questa prospettiva le seguenti tematiche sono state sviluppate: a) L’effetto di argilliti e selci sull’intensità misurata. Calcare, argilla e selce formano infatti la maggior parte dei sedimenti nelle successioni di acqua pro- fonda. b) L’identificazione di un metodo semplificato per la normalizzazione delle intensità, per minimizzare gli effetti della distanza dall’affioramento e dell’angolo di incidenza del raggio laser. c) La creazione di un pacchetto soft- ware, composto da una libreria C++ e da una Graphical User Interface (GUI) per semplificare l’interazione dell’utente con i dati, che è necessaria per generare le serie temporali. Tre casi studio dagli Appennini dell’Italia Centrale sono stati considerati: I) La sezione di Smirra (Scaglia Rossa Fm. e Scaglia Variegata Fm. ), composta da una omogenite calcarea pelagica, questo caso è stato usato per comparare le intensità del TLS a calcimetrie ottenute da campioni dell’affioramento. I risultati dimostrano che il TLS puó essere usato come proxy per il contenuto in CaCO 3 , anche quando la serie è caratterizzata da variazioni litologiche minime. II) La sezioni dei Mulini (Maiolica Fm.). La sensitività alla selce è stata in- vestigata, comparando misure di riflettanza ottenute in laboratorio con l’intensità del TLS. Si dimostra che la bassa riflettanza della selce può essere impiegata per distiguerla dal calcare. Un metodo basato su un classificatore Support Vector Machine (SVM) è stato implementato per permettere il riconoscimento semi automatico della selce sulle nuvole di punti da TLS. III) La Cava Vispi (Maiolica Fm., Marne a Fucoidi Fm., Scaglia Bianca Fm.). In questo affiormanento è esposta una sezione stratigrafica continua di quasi 200m in spessore, che va dalla parte superiore della Maiolica Fm. fino al Livello Bonarelli, e rappresenta ca. 20 Myrs. Questo affioramento ha fornito il caso ideale per affrontare il problema di ottenere serie temporali lunghe per le analisi ciclostratigrafiche. Una metodologia originale e un software dedicato sono stati sviluppati per questo compito. Con questi strumenti è stato possibile produrre una serie di 150m a risoluzione centimetrica, partendo da ∼ 30 nuvole di punti. I metodi e gli algoritmi introdotti per l’estrazione di serie temporali da nuvole di punti sono stati implementati in una libreria C++ , detta SPC . Un accesso facilitato alle strutture dati e ai metodi definiti in SPC viene invece fornito da una GUI, sottoforma di una toolbar per il software CloudCompare. Il toolkit proposto è disponibile in internet all’indirizzo https://github.com/luca-penasa .