MISURE DI GEODESIA CLASSICA E GENERAZIONE DI UN DEM DA LASER SCANNING NELL ISOLA D ISCHIA

Transcript

1 MISURE DI GEODESIA CLASSICA E GENERAZIONE DI UN DEM DA LASER SCANNING NELL ISOLA D ISCHIA Vladimiro ACHILLI (*), Omar AL-BAYARI (**), Flavio BELLOLI (***), Sven BORGSTROM (****), Carlo DEL GAUDIO (****), Prospero DE MARTINO (****), Maria MARSELLA (***), Giovanni P. RICCIARDI (****), Ciro RICCO (****), Vincenzo SEPE (****), Matteo SILVESTRI (*****) (*) DAUR - Università di Padova, Via Marzolo Padova (**) DISTART - Università di Bologna, Viale Risorgimento Bologna (***) DITS - Università di Roma La Sapienza, Via Eudossiana Roma (****) INGV - Osservatorio Vesuviano, Via Diocleziano Napoli (*****) Auselda AED Group S.p.A., Via dell Imbrecciato Roma Riassunto L isola d Ischia, localizzata nel settore nord-occidentale del Golfo di Napoli, è un area vulcanica attiva, come testimoniato sia dall attività registrata in epoca storica (eruzione dell Arso del 1302), che dalla diffusa attività idrotermale presente nell isola. Il monitoraggio geodetico dell isola viene effettuato su base sistematica dall INGV-Osservatorio Vesuviano (INGV-OV) tramite una rete di stazioni GPS, costituita da 24 vertici 3D di cui 3 in acquisizione continua ed una rete di livellazione geometrica costituita da circa 250 caposaldi altimetrici distribuiti su circa 90 km di linea di livellazione. Al fine di caratterizzare in dettaglio la complessa morfologia presente in un area ristretta dinamicamente attiva (in località Fango, nella parte nord-occidentale dell isola) è stato recentemente realizzato un modello tridimensionale del terreno (DEM) di elevata risoluzione spaziale e caratterizzato da precisione decimetrica. Il modello 3D deriva dall elaborazione di dati raccolti durante un rilievo aereo tramite Laser Scanning (LS) e presenta il notevole vantaggio di fornire l andamento del terreno anche al di sotto della vegetazione. La disponibilità di dati geodetici puntuali (vertici GPS e caposaldi altimetrici) nell area di interesse, ha consentito l associazione dei movimenti osservati a fenomeni gravitativi recenti, probabilmente modulati da strutture vulcano-tettoniche evidenti dall analisi morfologica del DEM da LS. Abstract The island of Ischia, on the north-western part of the Gulf of Naples, is an active volcanic area, as testified by both the historical activity (the Arso eruption in 1302), and the diffused hydrothermal activity in the island. Geodetical monitoring of the island is systematically carried out by the INGV- Osservatorio Vesuviano (INGV-OV) by a GPS network, with 24 3D vertices three of which continuously recording and by a levelling network with about 250 benchmarks on about 90 km of levelling line. In order to characterize precisely the complex morphology of a narrow dynamically active area (Fango area, on the north-western part of the island) a Digital Elevation Model (DEM) with an high spatial resolution and decimetric accuracy has been recently carried out. The 3D model derives from Laser Scanning (LS) data processing and presents the remarkable advantage of giving the ground shape also under the vegetation. The availability of point geodetic data (GPS vertices and levelling benchmarks) in the area has allowed to connect the recorded movements to recent sliding phenomena, probably triggered by the volcano-tectonic structures revealed by the morphological analysis of the LS DEM.

2 1. Introduzione L isola di Ischia, localizzata nel settore nord-occidentale del Golfo di Napoli, fa parte del distretto vulcanico Flegreo assieme all isola di Procida e ai Campi Flegrei, sulla terraferma. Essa si estende su di un area di circa 42 km 2 ed è composta principalmente da rocce vulcaniche, da depositi di frana di vario tipo e da sedimenti di tipo marino (Orsi et al., 1991). La storia deformativa dell isola è stata caratterizzata dal sollevamento del blocco strutturale del Monte Epomeo, avvenuto in una depressione calderica formatasi in seguito all eruzione del Tufo Verde ( anni fa). Il suo massimo sollevamento è stato stimato in non meno di 900 m in base a considerazioni stratigrafiche sui depositi sedimentari che lo sovrastano e che sono la causa dei fenomeni gravitativi che interessano le pendici dell Epomeo (Fusi N. et al., 1990; Del Prete, Mele, 1999). Tali fenomeni, oltre ad aver prodotto frane che hanno colpito i centri abitati costieri durante e dopo i grossi terremoti avvenuti nell isola (Luongo et al., 1987, Guadagno, Mele, 1992; Alessio et al., 1996), sono alla base delle recenti deformazioni del suolo localizzate essenzialmente nel settore nord-occidentale e meridionale dell isola (INGV-OV, Rendiconto, 2002). Il controllo delle deformazioni del suolo nell isola risale al 1913, quando venne effettuata la prima livellazione di precisione dall I.G.M. e successivamente tali misure sono state effettuate in maniera sistematica dall Osservatorio Vesuviano fin dal Attualmente l INGV-OV effettua il controllo del campo di deformazione mediante una rete GPS costituita da 24 vertici 3D, di cui 3 in registrazione continua e una rete di livellazione geometrica costituita da circa 250 caposaldi altimetrici distribuiti su circa 90 km di linea di livellazione (fig.1) (INGV-OV, Rendiconto, 2002). Figura 1 - Reti geodetiche all'isola di Ischia La necessità di quantificare le deformazioni in atto nell isola d Ischia ha consigliato dapprima di infittire localmente le reti geodetiche e successivamente di creare le basi per la generazione di un DEM di precisione da Laser Scanning (LS) dell isola, che si prevede di utilizzare per future applicazioni di Interferometria SAR (IFSAR). Tale DEM consentirà di ottenere, oltre ad una precisione decimetrica, un elevato dettaglio topografico anche in presenza di vegetazione, laddove nel DEM da IFSAR le zone vegetate non vengono rilevate a causa della bassa o nulla coerenza.

3 2. Misurazioni geodetiche nell isola d Ischia Allo scopo di verificare le deformazioni in atto nell isola sono stati confrontati i risultati delle ultime campagne di livellazione effettuate nell Aprile 1997 e nel Luglio 2001 (fig.2). Figura 2 - Variazioni di quota nel periodo 4/1997-7/ linea costiera Dall analisi della figura, si evidenziano fenomeni di subsidenza che interessano i settori centroorientale, centro-meridionale e nord-occidentale dell isola. In particolare, lungo la linea Borbonica (fig.3), si evidenzia per lo stesso periodo una subsidenza massima di circa 4 cm (cs.100). Figura 3 - Variazioni di quota nel periodo 4/1997-7/ linea Borbonica Tale caposaldo, nell ultimo decennio, ha evidenziato valori dello spostamento verticale di circa 14 cm (INGV-OV, Rendiconto, 2002). Le misurazioni GPS hanno sempre evidenziato, a partire dall installazione della rete avvenuta nel 1997, una significativa subsidenza per i vertici 3D localizzati nell area nord-occidentale dell isola in località Fango (Achilli et al., 1998; Achilli et al., 2000), in buon accordo con i risultati delle livellazioni nel periodo (INGV-OV, Rendiconto, 2002).

4 In generale, l esame delle deformazioni recenti monitorate dalle reti geodetiche, consente di concludere che la parte NW dell isola è interessata da evidenti deformazioni di tipo gravitativo: nel Dicembre 2000 è stato pertanto effettuato un rilievo test da LS per la generazione di un DEM dell area. 3. Generazione di un DEM da Laser Scannning In fig.4 viene evidenziata la zona test scelta per la generazione del DEM da LS, sede dei fenomeni di deformazione evidenziati dalle reti di monitoraggio dell INGV-OV. Figura 4 - Ortofoto dell isola d Ischia con l indicazione dell area interessata dal rilievo LS (immagine dal Laboratorio IPF dell INGV-OV) I sistemi LS si basano sull utilizzo di impulsi laser per la misura della distanza dal suolo della piattaforma aerea su cui le diverse componenti del sistema sono installate. La misura avviene attraverso la determinazione del tempo intercorso tra l emissione dell impulso da parte del sensore LIDAR ed il ritorno della sua componente riflessa. Il sensore laser viene accoppiato ad una piattaforma inerziale per la misura dei parametri d assetto del sensore e ad un ricevitore GPS per il calcolo della traiettoria in modalità cinematica (Al-Bayari, 2000; Al Bayari et al., 2001). Il piano di volo (numero delle strisciate e relative linee di volo) è stato stabilito sulla base dei valori prescelti per la quota di volo, l angolo di apertura dello specchio del laser, la frequenza di emissione dell impulso laser e la sovrapposizione delle varie strisciate. Il volo, effettuato il giorno 8 Dicembre 2000, comprende 3 strisciate realizzate con una quota di volo di 750 m circa e angolo di scansione di 20 che hanno definito una larghezza di scansione a terra di 540 m. Le 3 strisciate, due di lunghezza circa 5 Km e la terza circa 2.5 Km, hanno coperto una larghezza media di 1400 m circa. Una stazione di riferimento GPS è stata installata nell area del rilievo per permettere il postprocessamento differenziale dei dati acquisiti dal sistema GPS a bordo dell elicottero ed ottenere così una precisione centimetrica nel posizionamento dell antenna. La stazione di riferimento è stata successivamente collegata alla rete IGM95 (Achilli et al., 2001). Il rilievo ha generato circa 16 milioni di punti laser su una superficie di circa 8.5 km 2. Ne risulta una densità media di circa 1.82 p.ti/m 2. La presenza di vegetazione alta e bassa ha dato origine ad un elevata percentuale di doppi echi. Queste considerazioni giustificano una densità di punti che raggiunge anche i 5 p.ti/ m 2. I punti laser sono stati classificati in 6 classi: error points, ground, low vegetation, medium vegetation, high vegetation, buildings. I punti classificati come ground hanno costituito la base di dati per la realizzazione di un DEM dell area rilevata (figure 5 e 6).

5 Figure 5 e 6: Due rappresentazioni del DEM generato a partire dai punti classificati come Ground. In figura 5 sono riportati i punti GPS della rete di monitoraggio dell INGV-OV Le caratteristiche del segnale utilizzato, in termini di lunghezza d onda, non consentono il rilievo di morfologie sommerse: l acqua si comporta come una superficie riflettente nei confronti dell impulso laser e dunque nessuna eco può essere registrata dal sensore. E tuttavia possibile che, ove l acqua risulti molto increspata (come è il caso in prossimità della costa), una parte del segnale abbastanza intensa da essere registrata venga riflessa in direzione del sensore. Questa circostanza ha permesso il rilievo di punti appartenenti alla superficie marina fino alla costa e dunque l individuazione in quel tratto della linea di costa. Sebbene la zona sia eterogenea sia dal punto di vista della presenza di vegetazione, sia dal punto di vista delle pendenze, si è preferito classificare tutta la zona con gli stessi parametri di classificazione. Sono state acquisite circa 750 immagini digitali ad alta risoluzione (dimensione pixel 15 cm) e una sovrapposizione molto elevata (30%) (figure 7 e 8). Figure 7 e 8: Alcune rappresentazioni dei punti laser classificati. In tono più scuro sono rappresentati i tetti degli edifici. Le immagini, disponibili su tutta la zona del rilievo, sono utili nella fase di classificazione per un controllo visivo. Si è proceduto alla generazione di un ortofoto, utilizzando il modulo applicativo

6 TerraPhoto. I dati di partenza per la procedura di rettifica sono le immagini, il DEM laser, i parametri di calibrazione della camera determinati in laboratorio, le coordinate del centro di presa e gli angoli di assetto della camera all istante dello scatto. La procedura è quasi completamente automatizzata, tranne che per l individuazione dei tie points, fondamentali per la generazione di un ortofoto di qualità elevata (fig.9). Figura 9 - Ortofoto della zona rilevata Bibliografia Achilli V., Artese G., Borgstrom S., Capone M., Del Gaudio C., Gandolfi S., Ricciardi G.P., Ricco C., Salemi G., Sepe V., Vettore A. (1998), Metodologie integrate di rilievo GPS nell area vulcanica napoletana Atti della 2 Conferenza Nazionale dell ASITA, 1: Achilli V., Al-Bayari O., Artese G., Borgstrom S., Capone M., Del Gaudio C., Gandolfi S., Macchiavelli N., Ricciardi G.P., Ricco C., Sepe V., Vettore A. (2000), GPS measurements in the neapolitan volcanic Area Phys.Chem.Earth(A), 25 (9-11): Achilli V., Al-Bayari O., Borgstrom S., Del Gaudio C., De Martino P., Dubbini M., Fabris M., Marzocchi W., Menin A., Ricciardi G.P., Ricco C., Salemi G., Sepe V., Siniscalchi V., Trevisan R. (2001), Digital Terrain Model using Laser Scanning in the Neapolitan volcanic area, Atti del Convegno Italia-Canada 2001 su 3D Digital Imaging and Modeling Applications of: Heritage, Industry, Medicine & Land, su CD-ROM. Al-Bayari O. (2000), Some problems in kinematic airborne laser survey, Reports on Geodesy, 6 th Geodetic Millennium Meeting Poland-Italy Al-Bayari O., Baldi P., Belloli F., Dubbini M., Marsella M., Silvestri M., Zippilli C. (2001), Generazione e validazione di DEM da dati laser scanning per il rilievo di aree golenali: il caso del fiume Sacco, Atti del 5 Convegno ASITA Alessio G., Esposito E., Ferranti L., Mastrolorenzo G., Porfido S. (1996), Correlazione tra sismicità ed elementi strutturali nell isola d Ischia Il Quaternario, Italian Journal of Quaternary Sciences, 9 (1): Del Prete S., Mele R. (1999), L influenza dei fenomeni d instabilità di versante nel quadro morfoevolutivo della costa dell isola d Ischia Boll.Soc.Geol.It., 118: Fusi N., Ribaldi A., Vezzoli L. (1990), Vulcanismo, risorgenza calderica e relazioni con la tettonica regionale nell isola d Ischia Mem.Soc.Geol.It, 45: Guadagno F.M., Mele R. (1992), Earthquake-induced landslides in the island of Ischia (Southern Italy) Proc.6 th Int. Symp.on Landslides, Christchurch, N.Z. INGV-OV (2002), Rendiconto sull attività di sorveglianza II semestre 2001, U.F. Geodesia Luongo G., Cubellis E., Obrizzo F. (1987), Ischia, Liguori Ed., Napoli Orsi G., Gallo G., Zanchi A. (1991), Simple-shearing block resurgence in caldera depressions. A model from Pantelleria and Ischia J.Volcan.Geotherm.Res., 47: 1-11