L impiego di ArcGIS 10 nell interpretazione archeologica di dati georadar

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1 L impiego di ArcGIS 10 nell interpretazione archeologica di dati georadar Valeria Poscetti Vienna Institute for Archaeological Science (VIAS), Università di Vienna Abstract Il georadar, metodo geofisico per l indagine non invasiva del sottosuolo, trova attualmente larga applicazione in archeologia. La grande mole di dati prodotta nelle indagini ad alta risoluzione su vaste aree (sistemi multi-antenna) richiede metodi efficienti di gestione e interpretazione dei dati. La tecnologia GIS rappresenta in tal senso un mezzo molto efficace: l applicazione qui presentata, sviluppata nel quadro di una ricerca universitaria mirata a sviluppare metodi innovativi per l interpretazione archeologica di dati geofisici, riguarda l impiego di ArcGIS 10 per la creazione di modelli 2D e 3D di interpretazione archeologica di dati georadar. La ricerca, svolta all interno di un programma di dottorato, è condotta dalla sottoscritta presso il Vienna Institute for Archaeological Science (VIAS) dell Università di Vienna in collaborazione con l Istituto Ludwig Boltzmann per la Prospezione Archeologica e Archeologia Virtuale. Introduzione Il georadar GPR (Ground Penetrating Radar), metodo geofisico per l indagine non invasiva del sottosuolo, trova già da alcuni anni larga applicazione in archeologia (Neubauer et al. 2002) (Conyers&Goodman 1997) (Malagodi et al. 1996). Il metodo (Daniels 2004) basato sulla propagazione e riflessione delle onde elettromagnetiche nel sottosuolo con frequenze generalmente comprese tra 200 e 1000 MHz, consente di ricavare informazioni dettagliate circa le strutture presenti nel sottosuolo ed èparticolarmente adatto all individuazione di strutture murarie, piani pavimentali ma anche cavità, pozzi, canalizzazioni. Solitamente il Georadar viene applicato per indagini di dettaglio ad alta risoluzione e integrato, quando possibile, con altri metodi di prospezione geofisica (solitamente metodo magnetico, metodo geoelettrico) (Keay et al. 2009) (Piro et al. 2003) (Neubauer et al. 2002). Il recente sviluppo dei sistemi georadar multi-antenna e multifrequenza, sempre più spesso collegati a mezzi motorizzati per l acquisizione rapida dei dati su ampie aree, permette indagini ad alta risoluzione anche a larga scala(2-3 ettari al giorno con intervallo spaziale di campionamento di 0.08 x 0.08 m) (Conyers&Leckebusch 2010) (Trinks et al. 2010), con il risultato della produzione di una grande mole di dati che devono essere gestiti e interpretati in modo efficiente. La tecnologia GIS rappresenta in questo senso un mezzo estremamente efficacepermettendo, accanto alla possibilità di integrare e confrontare tra loro diverse 1

2 tipologie di dati, la possibilità di classificare e descrivere le strutture archeologiche evidenziate, tramite creazione di features e relativi attributi (Neubauer 2004).Tramite visualizzazioni 3D e analisi tridimensionali delle features, è inoltre possibile sfruttare, almeno in parte, le potenzialità offerte dalla struttura tridimensionale dei dati georadar (con riferimento alla indagine 3D del sottosuolo) permettendo di realizzare modelli 3D di interpretazione archeologica dei dati. Il presente contributo è volto ad analizzare alcuni aspetti dell impiego del Software ArcGIS 10 per l interpretazione archeologica di dati georadarrecentemente sviluppati nell ambito di una ricerca mirata allo sviluppo di metodi innovativi ed efficienti per l analisi e l interpretazione archeologica di dati di prospezione geofisica. La ricerca, condotta presso il Vienna Institute of Archaeological Science" (VIAS-Università di Vienna), prende come oggetto dati georadar relativi a recenti campagne di prospezione geofisica condotte dal Ludwig Boltzmann Institute for Archaeological Prospection and Virtual Archaeology in collaborazione con il sopra citato Vienna Institute of Archaeological Science. I dati si riferiscono per lo più a indagini test (nuove strumentazioni georadar) condotte recentemente nell area del Foro della città romana di Carnuntum(Austria). Visualizzazione e interpretazionedei dati georadar I dati georadar vengono abitualmente visualizzati in forma di immagini bidimensionali corrispondenti a sezioni verticali o più frequentemente a sezioni orizzontali del sottosuolo denominate rispettivamente radargrammi e depth-slice (o time-slice). Attualmente l interpretazione archeologica dei dati georadar avviene prevalentemente sulle sezioni orizzontali, ossia sulle depth-slice, ricavate dal blocco tridimensionale dei dati georadar durante il processo di elaborazione. Esse offrono una visione planimetrica delle strutture archeologiche interraterelativamente ai vari livelli di profondità nel sottosuolo. IL processo di interpretazione avviene generalmente sulla base dell osservazione visiva delle depthslice cui segue la mappatura,tramite procedimenti grafici manuali o semi-automatici (Leckebusch et al. 2008), delle strutture evidenziate. Visualizzazioni diverse dalle depthslice (per es. isosurfaces) vengono anche sempre più spesso realizzate (Goodman et al. 2009) allo scopo di visualizzare tridimensionalmente gli oggetti indagati. 2

3 Interpretazione dei dati in ArcMap Nell intepretazione in ArcMap (fig.1), le depth-slice vengono importate in ArcMap sotto forma di immagini raster georeferenziate e quindi analizzate tramite la creazione di features (generalmente linee o più spesso poligoni) corrispondenti agli oggetti archeologici evidenziati (strutture murarie, pavimentazioni, ammassi di detriti ecc.). Data l ampia mole di immagini raster che normalmente deve essere caricata in ArcGIS, derivata dall indagine georadar ad alta risoluzione, procedimenti batch sono generalmente utilizzati nella fase preliminare di interpretazione, per accelerare alcune necessarie operazioni relative ai raster- depth-slice come ad esempio l assegnazione del giusto sistema di coordinate. Per ogni immagine raster (o comunque per le immagini più significative), che come si è visto corrisponde a un determinato livello di profondità nel sottosuolo, può essere creato un singolo shape file, o una featureclass che conterrà tutti gli oggetti graficirelativi alle strutture archeologiche evidenziate per quel determinato livello di profondità, opportunamente descritti nella relativa tabella degli attributi. Diversamente si potrà scegliere di creare un unico shape file relativo a tutti i livelli significativi di interpretazione e di inserire negli attributi le informazioni sulla profondità delle varie strutture evidenziate. 3

4 La definizione degli attributi, in connessione con l uso della simbologia, permette la descrizione dettagliata delle strutture evidenziate, offrendo la possibilità di creare mappe tematiche e condurre analisi spaziali estremamente utili nel lavoro di interpretazione dei dati. Nel metodo qui applicato, accanto alle fondamentali mappe di tipologia delle strutture opportunamente sovrapposte a immagini aeree (in fig.1 l interpretazione grafica è sovrapposta a immagine Bing Maps), vengono create solitamente anche mappe di fase che descrivono la supposta successione delle diverse fasi costruttive individuate. Interpretazione dei dati inarcscene Per la visualizzazione 3D delle features gli shape file, precedentemente creati per l interpretazione in ArcMap, vengono importati in ArcScene dove la loro sovrapposizione sui diversi layer, in connessione con l extrusion delle features e opportuna simbologia, offrirà un immagine 3D delle strutture archeologiche evidenziate. In caso dell uso di un unico shape file (vd. sopra) l effetto 3D di sovrapposizione delle features sui vari livelli verrà dato sulla base dei valori di profondità precedentemente attribuiti ai singoli oggetti nella tabella degli attributi. In alternativa si può scegliere di impostare i valori di quotadei vari poligoni (sempre in riferimento ai valori di profondità nel sottosuolo) operando direttamente sui valori Z dei loro vertici tramite l Editing 3D (sketch properties). E frequente che, sulla base della visualizzazione 3D delle features, nasca la necessità di apportare correzioni o modifiche all interpretazione grafica (nella forma o posizione dei poligoni) che potranno essere eseguite direttamente con l Editing 3D. Un aspetto importante dell interpretazione grafica dei dati in ArcScene è rappresentato dalla possibilità di integrare l impiego di ArcGIS con l uso di programmi di grafica 3D, come per esempio SketchUp, per ottenere una migliore resa grafica dei modelli tridimensionali delle strutture analizzate. La possibilità di importare modelli 3D in ArcGIS permette tra l altro di integrare nel progetto ArcScene particolari modelli di visualizzazione 3D dei dati georadar (per es. isosurfaces) offrendo nuovi spunti per l interpretazione tridimensionale dei dati stessi (fig.2).tale tipo di applicazione, che richiede l integrazione dell uso del software ArcGIS con software di visualizzazione 3D dei dati (in questo caso AVS-Express) è tuttavia, relativamente al progetto qui presentato, ancora in fase preliminare. 4

5 Uso delle animazioni E noto (Neubauer et al. 2002) che la visione dinamica della successione di depth-slice relative a un area di indagine facilita l interpretazione dei dati georadar, permettendo di percepire meglio la conformazione delle strutture interrate specialmente in riferimento a piani inclinati, scale, ammassi di detriti, conformazioni geologiche (per es. paleoalvei). Tali tipi di animazioni, presentate abbastanza frequentemente in ambito scientifico, vengono tuttavia realizzate, generalmente, indipendentemente dall interpretazione in GIS che viene invece ancora condotta, almeno per quel che si è potuto constatare, in modo sostanzialmente statico (accedendo e spegnendo di volta in volta i vari layer corrispondenti ai raster- depth-slice di interesse). Nell ambito dell applicazione qui presentata, si è pertanto voluto testare la possibilità di una interpretazione animata dei dati tramite la creazione di animazioni direttamente in ArcGIS. L uso delle animazioni ( in questo caso animazioni per gruppi di layer) in ArcMap come pure in ArcScene si dimostra di estrema efficacia nel processo di interpretazione dei dati, permettendo di unire tecnicamente e concettualmente due processi (osservazione dell animazione dei dati e interpretazione grafica nel GIS) che generalmente, come si è detto, restavano sostanzialmente scissi. L applicazione di animazioni in ArcScene rende inoltre possibile, combinando l animazione dei raster con la visualizzazione 3D delle features, creare effetti 3D di particolare interesse che per certi aspetti possono essere assimilati a una sorta di scavo virtuale all interno della porzione di sottosuolo investigata. 5

6 Conclusioni e sviluppi futuri del progetto L impiego del sotware ArcGis, in particolare nella sua recente versione ArcGIS 10, si dimostra particolarmente utile nel lavoro di interpretazione dei dati georadar. Sebbene molti dei processi base dell interpretazione fossero già stati testati (in una fase preliminare della ricerca) utilizzando la precedente versione del Software, è evidente che alcune innovazioni introdotte nella versione 10 come per es. la possibilità di aggiungere nuove features tramite l uso del feature template, o il nuovo tool Layer 3D to Feature Class (qui utilizzato per poi esportare le features in SketchUp) risultano di grande utilità e rendono il processo di interpretazione archeologica dei dati più agevole e rapido. La possibilità di importare in ArcGIS modelli 3D di visualizzazione dei dati georadar (isosurfaces) consente lo sviluppo di nuovi approcci per l interpretazione tridimensionale dei dati. Tale aspetto, attualmente ancora in fase preliminare (con riferimento alla presente ricerca), riguarderà le prossime fasi del progetto che prevedono l impiego di ArcGIS combinato con l uso di software di visualizazzione3d (per es. AVS-express). La creazione di animazioni risulta di grande efficacia nel processo di interpretazione dei dati permettendo, tra l altro, visualizzazioni 3D particolari che simulano una sorta di scavo virtuale. Le animazioni GIS finora realizzate nell ambito del progetto riguardano principalmente animazioni per gruppi di layer. IL successivo sviluppo della ricerca valuterà anche l utilità di creare animazioni di features tramite l uso di temporal data. L applicazione presentata, attualmente ancora in via di sviluppo, è finalizzata alla realizzazione di flussi di lavoro efficienti e standardizzati, che possano includere anche processi automatici, in grado di facilitare il processo di interpretazione archeologica dei dati georadar nei GIS come pure di altri dati di prospezione geofisica. Scopo della ricerca è anche quello di migliorare la gestione e la condivisione di dati di prospezione archeologica all interno di gruppi di lavoro, come quello di facilitare la tempestiva diffusione dei risultati sia in ambito scientifico che divulgativo. Riferimenti autore Valeria Poscetti: valeria.poscetti@alice.it Vienna Institute for Archaeological Science (VIAS), Università di Vienna Università di Vienna, piattaforma interdisciplinare d eccellenza (VIAS) Il lavoro si inquadra in un progetto di dottorato triennale ancora in corso. Si avvale dell utilizzo del software ArcGIS (ArcGIS Desktop, livello funzionale ArcInfo) e di software di visualizzazione 3D (AVS Express). IL lavoro prevede anche l eventuale utilizzo di software commerciali per l elaborazione dei dati georadar. 6

7 Bibliografia DanielsD.J. (2004) Ground Penetrating Radar 2nd Edition, The Institution of Electrical Engineers. ConyersL.B., LeckebuschJ. (2010) Geophysical archaeology research agendas for the future: some ground-penetrating radar examples, Invited Paper, Archaeological Prospection. ConyersL.B., Goodman, D. (1997) Ground Penetrating Radar. An Introduction for Archaeologists. Altamira Press, London. Goodman D. et al. (2009), GPR Archaeometry, Ground Penetrating Radar: Theory and Applications, Harry M. Jol Ed., Keay S., Earl G., Hay S., Kay S., Ogden J., Strutt C.D., (2009) The Role of Integrated Geophysical Survey Methods in the Assessment of Archaeological Landscapes: the Case of Portus. Archaeological Prospection 16, LeckebuschJ., WeibelA., Bühler F., (2008), Semi-automatic feature extraction from GPR data, Near Surface Geophysics 6, Malagodi S., Orlando L., Piro S., Rosso F., (1996) Location of Archaeological Structures using GPR Method: Three-dimensional Data Acquisition and Radar Signal Processing, Archaeological Prospection 3, Neubauer W. (2004) GIS in Archaeology the Interface between Prospection and Excavation,Archaeological Prospection 11, NeubauerW., Eder-HinterleitnerA., SerenS., MelicharP., (2002) Georadar in the Roman Civil Town Carnuntum, Austria: an approach on archaeological interpretation of GPR data, Archaeological Prospection 9, Piro S., Goodman D., Nishimura Y., (2003) The study and Characterization of Emperor Traiano s Villa (Altopiani di Arcinazzo, Roma) using High-resolution Integrated Geophysical Survey. Archaeological Prospection 10, Trinks I.et al.(2010) Efficient, large-scale archaeological prospection using a true threedimensional ground-penetrating radar array system, Archaeological Prospection17,