ANALISI DI UNA RETE GPS PER SCOPI GEODINAMICI NELL AREA ITALIANA: RISULTATI E PROBLEMI APERTI

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1 GNGTS Atti del 17 Convegno Nazionale F. Riguzzi (1), A. Zanutta (2) e P. Baldi (3) (1) Istituto Nazionale di Geofisica, Roma (2) DISTART, Universita` di Bologna (3) Dipartimento di Fisica, Universita` di Bologna ANALISI DI UNA RETE GPS PER SCOPI GEODINAMICI NELL AREA ITALIANA: RISULTATI E PROBLEMI APERTI Riassunto. In questo lavoro sono stati analizzati dati provenienti da una rete di 9 stazioni permanenti situate sia in Italia (Cagliari, Matera, Medicina, Noto, Padova e Torino) che in Europa centrale (Graz, Zimmervald e Wettzell). In particolare, le osservazioni GPS considerate riguardano 4 intervalli temporali di 5 giorni ciascuno, presi a partire dall ottobre 1996 fino a marzo Il processamento dei dati e` stato effettuato con il software Bernese (v. 4.0). Dopo le compensazioni, l analisi di deformazione ha mostrato differenze di coordinate significative per i siti di Matera, Medicina e Noto. I vettori spostamento 2D, calcolati dalle differenze di coordinate su intervalli temporali contigui, mostrano andamenti piuttosto discontinui. Cio` sembra essenzialmente dovuto ad effetti sistematici non modellizzati (Langbein e Johnson, 1997) oppure a problemi logistici ricevitore/antenna (Springer et al., 1997). L esempio piu` evidente nel nostro caso e` stato quello di Medicina che ha avuto spostamenti significativi con andamenti molto irregolari. D altra parte, quando si analizzano le serie temporali delle soluzioni settimanali delle stazioni permanenti, si notano oscillazioni ben superiori alle relative precisioni, Conseguentemente, se da un lato appare rischioso trarre conclusioni geodinamiche da analisi di insiemi limitati di dati, dall altro la corretta interpretazione geodinamica delle serie temporali attualmente disponibili grazie alle stazioni permanenti richiede comunque analisi piu` approfondite. ANALYSIS OF AGFS NETWORK FOR GEODYNAMICAL PURPOSES IN THE ITALIAN AREA: RESULTS AND OPEN PROBLEMS Abstract. A network of 9 GPS permanent stations, six of them located on the Italian area (Cagliari, Matera, Medicina, Noto, Padova and Torino), the other three in central Europe (Graz, Zimmervald and Wettzell) has been four times analyzed starting from October 1996 till After the GPS data processing, a rigorous statistical analysis based on the F (Fisher) test applied on the detected coordinate differences showed significant displacement at Matera, Medicina and Noto. The 2D displacement vectors show behaviour rather discontinuous. This fact seems to be related to systematic not modeled effects or to receiver/antenna logistic problems. Emblematic is the case of Medicina, where seasonal effects are combined with the tectonic signal. INTRODUZIONE L obbiettivo di questo lavoro e` quello di effettuare l analisi di una rete GPS regionale per il controllo delle deformazioni nell area italiana utilizzando le osservazioni provenienti dalle stazioni permanenti e valutando se e quali problemi si possano presentare analizzando dati di durata limitata ad intervalli regolari di tempo, rispetto al contributo che possono fornire analisi di serie continue di dati, cercando di identificare le tecniche di analisi piu` idonee. Bisogna sottolineare che i rilievi GPS di durata limitata ed effettuati ad intervalli regolari (campagne GPS) sono attualmente gli unici rilievi possibili in aree di interesse geodinamico, in assenza di stazioni permanenti. In questo lavoro sono stati utilizzati dati provenienti da stazioni permanenti con le modalita` di rilievi di campagna ; in questo modo ci siamo messi nelle condizioni di lavoro ottimali dal punto di vista del rilievo (qualita` dei ricevitori e della monumentazione) e abbiamo la possibilita` di effettuare un confronto con altre soluzioni (ITRF) e con altre tecniche (VLBI). I problemi incontrati in questa soluzione ottimale e` molto probabile che si presentino nelle normali condizioni dei rilievi non permanenti.

2 RETE ANALIZZATA La rete analizzata e` costituita da 9 stazioni permanenti per le quali fossero disponibili osservazioni a partire dalla fine del 1996, inizio del Di queste 6 sono italiane (banca dati GEODAF) e 3 in Europa centrale (banca dati CDDIS), in un area ritenuta piu` stabile da un punto di vista geofisico (tab.1). Tabella1 - Osservazioni GPS analizzate GPS WEEK A GPS WEEK B GPSWEEK GPSWEEK 945 SITI / DATE CAGL GRAZ MATE MEDI NOTO UPAD WTZR ZIMM DOY Ottobre CAGL GRAZ MATE MEDI NOTO TORI UPAD WTZR ZIMM DOY Aprile 8-12 DOY Ottobre DOY Febbraio Questa rete di e` di dimensioni regionali con basi comprese tra 100 e 1300 km circa ed e` tale che importanti aree di interesse geofisico rimangano comunque scoperte (per es. l appennino centrale). ANALISI DATI Il processamento dei dati GPS e` stato effettuato con il software Bernese (v. 4.0) (Rothacher et al., 1995) effettuando delle soluzioni multibase a stella a partire da punti differenti per ciascun DOY. Sono stati stimati i seguenti parametri: coordinate, matrici di covarianza, ritardi troposferici ogni 4 ore e ambiguita` di fase. Sono poi state compensate le sottoreti relative a ciascun intervallo temporale in un unica soluzione con NETGPS (Crespi, 1996). Le precisioni ottenute risultano buone e piuttosto omogenee su tutti i periodi (tab.2). Tabella. 2 - Precisione. (livello di confidenza 99%) GPS WEEK SMAX SMED INT h SMAX = valore massimo dei semiassi delle ellissi di errore, SMED = valore medio dei semiassi delle ellissi di errore, INT h = intervallo medio di confidenza in quota. L analisi di deformazione e` stata effettuata con il software DENETGPS (Crespi, 1996) con l obbiettivo di valutare la significativita` delle differenze di coordinate per coppie di rilievi indipendenti rispetto agli errori associati, a partire dalle basi e dalle matrici di covarianza espresse nello stesso sistema di riferimento. Mediante un il test di Fisher si separano i siti in due gruppi rispetto ad un valore F t di soglia ad un dato livello di significativita` (nel nostro caso

3 1%). Se risulta che F> F t, le differenze di coordinate risultano significative a quel dato livello di confidenza. E` possibile effettuare tale analisi separatamente in altimetria e planimetria. Nel nostro caso, dato le dimensioni della rete, si e` scelto di analizzare solo la parte planimetrica. La tab. 3 mostra i risultati di tale analisi. Tabella 3 - Analisi di deformazione.(livello di significativita` 1%) SITO 1997A B-1997A senza UPAD F t = 3.89 con UPAD F t = 4.72 F t = 3.89 F t = 4.72 MEDI CAGL NOTO WTZR GRAZ ZIMM UPAD TORI MATE I risultati dell analisi possono essere riassunti nei seguenti punti: 4 siti mostrano spostamenti sempre non significativi: CAGL, WTZR, ZIMM e TORI 3 siti hanno serie di spostamenti significativi: MEDI, NOTO e MATE GRAZ ha un solo spostamento significativo di piccola entita` UPAD ha un solo spostamento significativo di grande entita`, tale da stravolgere complessivamente i risultati del confronto nell ultimo periodo. Nell ultimo intervallo temporale UPAD ha avuto un cambiamento di antenna, e` quindi evidente, dal confronto delle ultime due colonne di tab.3 e della successiva tab.4, quanto sia importante individuare e rimuovere dall analisi i casi come quelli di UPAD. In termini di spostamenti 2D si puo` notare come l effetto del cambiamento di antenna risulti stranamente, ma evidentemente planimetrico (tab.4). Tabella 4 - Vettori spostamento 2D, sqm e azimut. SITO 1997A B-1997A senza UPAD con UPAD cm gradi cm gradi Cm gradi cm gradi MEDI 0.8± ±0.1 9 ± ± CAGL 0.1± ± ± ± NOTO ± ± ± ± WTZR GRAZ ± ± ± ± ZIMM 0.2± ± ± ± UPAD 0.1± ± ± TORI ± ± ± MATE ± ± ± ± Eliminato il problema di UPAD e considerata casuale la significativita` dello spostamento di GRAZ ad 1 sola epoca, si nota che: MEDI, MATE e NOTO sono le uniche stazioni con spostamenti significativi MATE e NOTO identificano un trend piu` definito MEDI ha spostamenti molto discontinui che evidenziano la presenza di un forte rumore Gli andamenti degli spostamenti 2D per ciascun sito sono riportati in fig.1. Dalla figura risulta evidente ancor meglio come gli andamenti risultino piuttosto discontinui in tutte le stazioni e con maggiore evidenza a MEDI. In che modo considerare gli

4 andamenti discontinui ma significativi? Se si hanno a disposizione insiemi limitati di dati (campagne), una possibilita` e` effettuare delle medie pesate e calcolare, per es., delle velocita` medie. In realta`, calcolare gli andamenti medi da insiemi limitati di dati, come nel caso di MEDI, non sempre ci pone al riparo da possibili interpretazioni non corrette. Per rendersi conto di cio` e` sufficiente analizzare le serie temporali fornite dalle soluzioni settimanali della rete EUREF e notare che, ad esempio a MEDI, si presentano delle forti oscillazioni sulle 3 componenti ben al di sopra degli errori associati alle singole soluzioni settimanali. In fig.2 sono mostrate le soluzioni settimanali EUREF per ciascuna componente (N, E e Up) di MEDI (EUREF, 1998). Analizzando anche solo le componenti planimetriche e` possibile vedere dei periodi di forte disturbo nelle soluzioni che durano fino a 10 settimane circa. Ciascuna soluzione e` rappresentata da un asterisco. Le frecce indicano gli asterischi corrispondenti alla nostra soluzione. Come si vede gli intervalli temporali da noi scelti corrispondono a dei periodi di relativa quiete, per cui la media pesata sarebbe in grado di fornire dei valori abbastanza realistici di velocita` media. Se invece fossimo casualmente capitati nel periodo compreso ad esempio tra le settimane 930 e 940, utilizzare la media pesata come stimatore sarebbe stato a dir poco fuorviante. Fig. 1 - Spostamenti planimetrici della rete analizzata. D altra parte, per quanto riguarda le stazioni permanenti, ridurre l analisi a delle grosse regressioni lineari pur se effettuate su intervalli temporali piu` lunghi, limita la comprensione dei fenomeni quali quelli evidenziati a MEDI. A nostro avviso, avendo la disponibilita` di lunghe serie di soluzioni, e` necessario intraprendere delle analisi piu` raffinate, per esempio effettuare delle analisi spettrali e/o di autocorrelazione. A titolo di esempio abbiamo provato a fare l analisi spettrale degli andamenti temporali delle soluzioni EUREF di MEDI per le due componenti planimetriche. I relativi periodogrammi sono riportati in fig.3 e mostrano una forte componente di tipo stagionale. I fenomeni stagionali potrebbero produrre essenzialmente effetti diretti sul tipo di monumentazione della stazione permanente (per es. variazioni di temperatura), o indiretti, dovuti per es. alla piovosita` che produrrebbe variazioni del carico della falda, molto superficiale a Medicina. Questi effetti non sono attualmente modellizzati direttamente dai migliori software scientifici di processamento dei dati GPS.

5 Fig. 2 - Serie temporali delle soluzioni EUREF di MEDI per le componenti N, E e Up. Le frecce indicano le soluzioni EUREF corrispondenti ai nostri periodi di analisi. Fig. 3 - Periodogrammi per la componenti Sud ed Est di MEDI. I picchi principali corrispondono a periodicita` stagionali. CONCLUSIONI Lo studio dei campi di spostamento su intervalli limitati di tempo pone in alcuni casi dei problemi di interpretazione a causa di un forte rumore che si sovrappone al segnale geodinamico. Tale rumore ha delle componenti periodiche che meritano uno studio piu` approfondito. D altro canto, l uso di osservazioni provenienti da stazioni permanenti non ci pone sempre al riparo da possibili erronee interpretazioni dei risultati dovute, come nel caso di UPAD, a modifiche apportate alla strumentazione. Per limitare tali inconvenienti, l istituzione di una piccola rete GPS locale di controllo puo` rivelarsi utile. BIBLIOGRAFIA M. Crespi, A software package for the adjustment and the analysis of GPS control networks, in Reports on Surveying and Geodesy; ed. Unguendoli M., University of Bologna, edizioni Nautilus, EUREF, Sito web J. Langbein e H. Johnson, Correlated errors in geodetic time series: implications for time dependent deformation, J. Geophys. Res., 102, F. Riguzzi e A. Zanutta, Displacement field of the Italian area from permanent GPS stations, Annali di Geofisica, 41, 2, M. Rothacher, G. Beutler, W. Gurtner, E. Brockmann e L. Mervart, Bernese GPS Software Version 4.0. Markus Rothacher and Leos Mervart editors. University of Berne, Switzerland. T.A. Springer, W. Gurtner, M. Rothacher and S. Schaer, EUREF activities at the CODE analysis center. Astronomical Institute, University of Berne.