30 convegno Analysis of temperature time series from thermal IR continuous monitoring network (TIIMNet) at Campi Flegrei Caldera in the period 2004-2011 F. Sansivero, G. Vilardo, P. De Martino, G. Chiodini
La rete TIIMNet (Thermal Infrared Imagery Monitoring Network) per il monitoraggio del campo di temperatura superficiale dei vulcani napoletani Napoli
Le stazioni a Solfatara e Pisciarelli Le stazioni a Solfatara e Pisciarelli sono costituite da una termocamera NEC (mod. TH7302) ed un unità di acquisizione remota (RMS) che consente l acquisizione automatica delle immagini IR all infrarosso (banda LWIR 8-14 µm) e la connessione al centro di sorveglianza per la centralizzazione del dato. Le immagini acquisite hanno una dimensione di 320x240 pixel, con grandezza del pixel variabile in funzione della distanza del punto di ripresa dall area inquadrata. Termocamera NEC TH7302 Dimensioni Numero IMG Stazione Mod. camera Inizio acquisizione pixel acquisite Solfatara NEC TH7302 09 settembre 2004 ~ 500mm > 8500 Pisciarelli NEC TH7302 30 ottobre 2006 ~ 200mm > 5500 Ogni RMS acquisisce 3 immagini IR a notte che vengono successivamente trasferite (via GSM) al centro di sorveglianza. Orari di acquisizione: 00:00 02:00 04:00 Pisciarelli
Problematiche legate all acquisizione dell immagine IR e all elaborazione delle serie temporali Acquisizione Fattori atmosferici (temperatura e umidità dell aria, pioggia, nebbia ) Gas e vapore emessi che occultano la scena Migrazione dell attività fumarolica Crescita della vegetazione Modifica della scena per frane, deformazioni del suolo e attività antropica Deterioramento dell immagine IR per motivi legati a malfunzionamenti del sistema di acquisizione/trasmissione Elaborazione Nessun riferimento in bibliografia a processamento e interpretazione di serie temporali di immagini IR in aree vulcaniche con degassamento diffuso Il processo di analisi viene eseguito utilizzando numerosi software che vanno da piccole utility freeware ad applicativi proprietari commerciali Il processo di analisi è lungo e molto articolato, non consentendo, quindi, di avere un analisi in tempo reale Non esistono software di automazione del processo di analisi
Elaborazione del dato acquisito Elaborazione dei files SIT (formato proprietario NEC) Dati ottenuti: Valori di temperatura (massimi e medi) relativi all intera scena o ad aree specifiche (ROI) La rappresentazione grafica dei valori di Tmax ottenuti evidenzia andamenti legati a periodicità Mikrospec 4.0 Pro Software commerciale di analisi
Elaborazione del dato acquisito Per migliorare la rappresentazione del dato si procede con: 1. eliminazione le scene il cui valore di Standard Deviation non rientra in un intervallo stabilito Standard Deviation (s) E indicativa della qualità dell immagine IR 2. correzione al background utilizzando i valori della regressione lineare TmaxArea/TmaxBackground risultato:
Elaborazione del dato acquisito Elaborazione dei files matrice dell immagine IR (set di dati: 3 fascia acquisizione) La nuova metodologia di analisi si basa sul processamento di file matrice (.txt) dell immagine IR tramite procedure semiautomatizzate con software appositamente sviluppato (IR-Analyst) File matrice = file di testo costituito da valori di T organizzati in 320 righe e 240 colonne che rappresentano i pixel dell immagine IR di risoluzione 320x240 Il programma prevede anche l esportazione dei dati in foglio di lavoro Excel e database Access
Procedura di analisi con IR-Analyst 1. Calcolo dei 3 valori di T più alti dell immagine IR rappresentazione dei valori (media mobile su 31 periodi): Temperatura massima (Tmax1) Media delle Tmax ((Tmax1+Tmax2-Tmax3)/3)) Sono evidenti andamenti legati a periodicità La periodicità annuale è ben visibile e significativa Non significative, seppur presenti, le periodicità mensili
Procedura di analisi con IR-Analyst Correzione delle periodicità Si utilizza l applicativo Matlab TSView (parte dei Gamit/Globk Matlab Tools) secondo la seguente procedura: 1. Si applica il detrending della serie temporale 2. Si individuano le periodicità 3. Si rimuovono le periodicità significative (annuali) TSView: serie temporale originale con le periodicità ben evidenti
Procedura di analisi con IR-Analyst Correzione delle periodicità con TSView Il detrending permette di meglio evidenziare le periodicità In rosso è evidenziata la periodicità annuale L intervallo delimita i valori all interno di 2 s
Procedura di analisi con IR-Analyst: TSView: serie temporale alla quale è stata rimossa la periodicità annuale
Procedura di analisi con IR-Analyst Media mobile (periodo 31) dei dati con la periodicità annuale rimossa e filtrati tenendo conto della Standard Deviation della serie temporale Dati filtrati a 3 s Dati filtrati a 2 s Il filtraggio a 2 s elimina le alte frequenze della serie temporale
Procedura di analisi con IR-Analyst 2. Calcolo della Tmedia per l intorno 5x5 pixel centrato sulle n Tmax misurate Tav(i) = Temperatura media dell area di buffer 5x5 pixel Pixel rappresentativo di Tmax(i) Area di 5x5 pixels centrata su Tmax(i) Ai valori ottenuti è stato effettuato il detrending con TSView ed è stata eliminata la periodicità annuale:
Procedura di analisi con IR-Analyst 3. Ubicazione dei valori di T individuati sulla scena IR Nuova analisi applicata solo all area selezionata I valori di Tmax individuati dalla nuova analisi ricadono solo all interno dell area selezionata Individuazione dell area Valori caratterizzata di Tmax1, Tmax2, dalle temperature Tmax3 più alte Applicare l analisi solo ad un area Valori di più T rappresentativi ristretta, caratterizzata di aree da elevate temperature, permette di elaborare un dato a fumarolizzazione finale più omogeneo minore
Procedura di analisi con IR-Analyst 5. Rappresentazione dei nuovi dati da elaborazione su area più ristretta 2 s 2 s Gli andamenti delle 2 serie si discostano a volte sensibilmente
Comparazione con dati geochimici, di sismicità e deformazioni LF LF LF L attenzione va focalizzata sull andamento della serie temporale più che sulle singole variazioni e i picchi TavMax Flusso CO 2 Cap. ACAE (Tmax1+Tmax2+Tmax3)/3 TavBuff Flusso CO 2 Cap. ACAE (TavBuff1+TavBuff2+TavBuff3)/3
La procedura di analisi con IR-Analyst alla Solfatara L analisi è in atto anche ai dati provenienti dalla telecamera termica in funzione alla Solfatara
Conclusioni Il dato immagine (IR) ha un elevato contenuto informativo che richiede un attenta interpretazione attraverso robuste metodologie di analisi. La procedura di analisi effettuata sulle serie temporali di dati IR, per quanto ancora pioneristica, ha prodotto risultati incoraggianti, in quanto in parte correlabili ai dati di flusso di CO 2 e di deformazioni del suolo e sismicità I dati così processati possono essere utilizzati per la sorveglianza vulcanica in quanto indicatori sensibili alle variazioni nella dinamica del sistema vulcanico Il software utilizzato per l analisi (IR-Analyst) è ancora in via di sviluppo e si distinguerà in due versioni: Una versione indirizzata all analisi raffinata dei dati e allo sviluppo di nuove metodologie Una versione per la sorveglianza real-time delle aree vulcaniche monitorate da telecamere IR, che implementa automatismi spinti