Casula, Giuseppe

abstract - The description of wave propagation by a viscoelastic rheology allows for the introduction of two important phenomena: wave dissipation, i.e., the conversion of motion into heat, and velocity dispersion, the phenomenon in which two different Fourier components travel with different velocities. In this work, we consider a mechanical representation of viscoleastic media, which in virtue of its simplicity constitues a useful tool to model the variety of dissipation mechanisms present in real media. Examples of simulated wavefields in these type of media can be found, for instance, in the works of Carcione et al. (1988a,b), where the equations are based on the standard linear solid model. Here we analyze in detail the physical properties and capabilities of different mechanical models, and give some hints to obtain realistic models of attenuation and velocity dispersion; for example, the constant Q phenomenon and the set of relaxation peaks over a given frequency band.

In questi ultimi anni molti Enti o Università italiane e straniere impegnate in studi geofisici a carattere geodinamico e geodetico, hanno sentito la necessità di realizzare reti GPS in monitoraggio continuo capaci di raggiungere le migliori precisioni possibili ottenibili e al contempo di poter disporre di dati inquadrati in un solo sistema di riferimento. Infatti i dati GPS acquisiti in continuo su reti realizzate con procedure automatizzate di acquisizione, trasmissione e analisi dei dati, rappresentano un potente mezzo per studiare le deformazioni del suolo di origine tettonica e vulcanica, consentendo avanzamenti significativi nella ricerca geofisica e geodetica e per scopi di monitoraggio orientati per applicazioni di Protezione Civile. Con questi obiettivi sono state realizzate le stazioni GPS di Roma (INGR), Villavallelonga (VVLO), Roseto degli Abruzzi (RSTO), Gibilmanna (GBLM), Preturo (INGP) e Monte Argentario (MAOO), distribuite nelle aree italiane di principale interesse geodinamico e sismologico. Queste sono state collocate in particolare dove andava colmato un gap sulla distribuzione di stazioni permanenti già esistenti afferenti alla rete GPS dell’Agenzia Spaziale Italiana. Le stazioni, realizzate secondo criteri che soddisfano la ricerca geofisica, sono costituite da ricevitori GPS geodetici a doppia frequenza le cui antenne sono state collocate su pilastrini in cemento armato prevalentemente fondati su affioramenti rocciosi. In questa pubblicazione viene descritto lo stato attuale della rete, la struttura dei monumenti geodetici, la strumentazione utilizzata, le modalità di acquisizione e trasmissione dei dati, la loro analisi e archiviazione. Viene anche mostrato un confronto sulla qualità dei dati prodotti dalle stazioni INGV rispetto alle stazioni di Matera (MATE) e Cagliari (CAGL), afferenti alla rete internazionale dell’International Godynamic Service.

A multi-technique high resolution 3D modelling is described here aimed at the investigation of the state of conservation of carbonate columns of the 1000 BC ancient church of Buon Camino located in the homonymous district of the town of Cagliari (Italy). The integrated application of different Non-Destructive Testing (NDT) diagnostic methods is of paramount importance to locate damaged parts of the building material of artefacts of historical buildings and to plan their restoration. In this study a multi-step procedure was applied starting with a high resolution 3D modelling performed with the aid of Structure from Motion (SfM) Photogrammetry and Terrestrial Laser Scanner (TLS) methodologies. For this delicate task we operated simultaneously a Nikon D-5300 digital Reflex 24.2 Mega pixel Camera and a Leica HDS-6200 Terrestrial Laser Scanner. Subsequently, starting from the information detected with the above methods deeper material diagnostics was performed by means of high resolution 3D ultrasonic tomography aimed at the capillary definition of the elastic properties in the inner parts of the building materials. Measurements of longitudinal wave velocity from ultrasonic data were performed using the transmission method, namely two piezoelectric transducers coupled on the opposite sides of the investigated columns. The ultrasonic data acquisition was planned designing an optimal survey and providing a very good spatial coverage of the investigated columns. The columns were then criss-crossed by a large number of ray paths forming a dense 3D net. The SIRT (Simultaneous Iterative Reconstruction Tomography) algorithm was used to produce the 3D rendering of the velocity distribution inside the investigated columns. With this method the damaged parts were located and it was possible to distinguish them from the unaltered areas. The information on the superficial material conditions obtained by SfM and TLS techniques were compared and integrated with the information of the inner materials obtained by 3D ultrasonic tomography. The results of the above non invasive geophysical techniques have been interpreted in the light of the different textural and petrophysical features of the study carbonate building materials. The study of the main textural features, such as the relationship between bioclasts, carbonate matrix, or that of the cement and petrophysical characteristics such as the nature and distribution of porosity were found to be of fundamental importance in the interpretation of the geophysical data (e.g. TLS reflectance and longitudinal acoustic wave propagation). Therefore a detailed analysis of the textures and pore microstructure were carried out from petrographic thin-sections in Optical and Scanning Electron Microscopy (OM/SEM). The final result of our multi-step-technique integrated methodology is a sophisticated 3D model with a high resolution 3D image representing the internal and external parts of the investigated columns in order to account for their static load resistance and possibly plan their conservation and restoration. The described procedure can also be applied to other cases in which a diagnosis is needed of the state of conservation of the variously shaped, layered-stones and composed artefacts typical of ancient historical buildings.

Nella fase di implementazione dell'hardware e del software per la materializzazione di stazioni GPS permanenti il problema della programmazione e scarico dati a distanza mediante modem da telefonia fissa, PSTN e ISDN o mediante modem da telefonia mobile, essenzialmente GSM /GPRS costituisce un problema di non facile soluzione. Anche laddove esista da parte delle aziende coinvolte nelle forniture un assistenza software che consenta di sviluppare dei prodotti personalizzati, alcune operazioni richieste vengono spesso eseguite dall'utenza con mezzi propri. Infatti, gli standard commerciali che vanno per la maggiore operano prevalentemente in ambiente Microsoft Windows e sono spesso privi della modularità e della flessibilità necessarie sia per adattarsi a problemi scientifici sia per la loro esecuzione in background in ambienti Unix (Linux, Solaris o HP-UX). In questo lavoro vengono analizzate le problematiche legate alla programmazione di ricevitori Trimble Navigation Limited modello 5700 CORS (Continuous Operating Reference Stations), in dotazione al Laboratorio di Geodesia e Telerilevamento dell'INGV-CNT, per un loro utilizzo nell’ambito di stazioni GPS permanenti. In particolare, è stato sviluppato un sistema automatico per il controllo a distanza, la programmazione e lo scarico dati di uno standard dei predetti ricevitori. Tutta la logistica della cascata hardware e dello strato software è stata sviluppata mediante strumenti da noi implementati; il risultato è sufficientemente stabile e può essere fattivamente utilizzato per il supporto alla realizzazione di stazioni permanenti GPS anche in siti dalla logistica scarsa come quelli situati in zone remote prive di linee telefoniche fisse e di alimentazione. Per il suddetto tipo di strumentazione infatti, non esiste in Italia una vera e propria assistenza Hardware e Software in grado di risolvere determinati problemi e, pertanto, in alcuni casi è stato necessario ricorrere sia al supporto tecnico dell'UNAVCO, il consorzio universitario Americano per il NAVSTAR GPS (http://www.unavco.org), sia alla nostra consolidata esperienza nel campo della strumentazione GPS. Il presente documento è rivolto ad un pubblico limitato costituito da quegli esperti del settore che siano interessati alla soluzione delle problematiche analizzate in questa sede.

In the following we present a new non-invasive methodology aimed at the diagnosis of stone building materials used in historical buildings and architectural elements. This methodology consists of the integrated sequential application of in situ proximal sensing methodologies such as the 3D Terrestrial Laser Scanner for the 3D modelling of investigated objects together with laboratory and in situ non-invasive multi-techniques acoustic data, preceded by an accurate petrographical study of the investigated stone materials by optical and scanning electron microscopy. The increasing necessity to integrate different types of techniques in the safeguard of the Cultural Heritage is the result of the following two interdependent factors: 1) The diagnostic process on the building stone materials of monuments is increasingly focused on difficult targets in critical situations. In these cases, the diagnosis using only one type of non-invasive technique may not be sufficient to investigate the conservation status of the stone materials of the superficial and inner parts of the studied structures 2) Recent technological and scientific developments in the field of non-invasive diagnostic techniques for different types of materials favors and supports the acquisition, processing and interpretation of huge multidisciplinary datasets.

L’importante sviluppo avuto recentemente dai servizi GPS di posizionamento differenziale in tempo reale (RTK e VRS), ha permesso di diminuire in modo considerevole i tempi e quindi i costi per un rilievo topografico, questo senza incidere in modo significativo sulla precisione delle misure eseguite [Pesci et al., 2008]. L’infrastruttura che permette la realizzazione di questi servizi è costituita da una rete GPS di stazioni permanenti (SP) distribuite più o meno regolarmente su di una griglia la cui maglia, cioè la distanza tra le stazioni, è di qualche decina di chilometri. Assogeo S.p.a. a partire dal 2006 ha sviluppato nell’Italia centro-settentrionale una rete di stazioni permanenti (Fig. 1a) in grado di supportare i diversi servizi di posizionamento in tempo reale.Attualmente questa rete è costituita da 32 stazioni equipaggiate con ricevitore ed antenne geodetiche a doppia frequenza (Tab. 1) in continua espansione. Un singolo operatore, anche se equipaggiato di un solo ricevitore GPS, ha la possibilità di connettersi al centro operativo Assogeo ed eseguire il proprio rilievo topografico, in tempo reale. Il sistema di riferimento in cui vengono forniti i risultati del rilievo è quello su cui vengono calcolate le posizioni delle diverse SP, per questo motivo è importante che tale sistema di riferimento sia compatibile con quello utilizzato in ambito cartografico e topografico definito dall’Istituto Geografico Militare Italiano (IGMI). Inoltre, è necessario che la stima della posizione delle diverse SP sia la più precisa possibile e che quindi venga calcolata utilizzando tutte le informazioni acquisite da tali stazioni. A questo proposito IGMI ha istituito la Rete Dinamica Nazionale [RDN, Baroni et al. 2009] formata da 99 SP già operanti sul territorio e omogeneamente distribuite, offrendo un riferimento per allineare le diverse reti GPS per il servizio di posizionamento in tempo reale sorte sul territorio italiano. La rete RDN è a sua volta allineata ad un sistema di riferimento convenzionale ufficializzato in Europa, cioè il sistema ETRF2000 [Bruyninx et al., 2009], e riferito all’epoca 2005.0, secondo le più recenti direttive EUREF [Bruyninx, 2004, Kenyeres and Bruyninx, 2004]. Per uniformare le soluzioni allo stesso sistema di riferimento utilizzato dall’IGMI, è necessario quindi che anche le posizioni delle SP della rete Assogeo siano calcolate in ETRF2000 all’epoca 2005.0 e poiriportate al 2008.0. In questo lavoro vengono proposte e confrontate due strategie di calcolo per ottenere, in un modo semplice e intuitivo, il sistema di riferimento desiderato. Si tratta di procedure differenti che analizzano il medesimo insieme di osservazioni utilizzando lo stesso software, ma utilizzando strategie diverse, questo per verificare la reale precisione con cui può essere stimata la posizione di una stazione GPS permanente.

A time-of-flight terrestrial laser scanner (TLS) works like a laser rangefinder but is also able to scan a surface with a selected sampling step, leading to a point cloud defined into an internal reference frame. Moreover, radiometric information about signal returns intensity is provided, computed in terms of the ratio between emitted and received pulse intensities. Besides the geometric and radiometric data, some TLS instruments, equipped by an internal or an external calibrated camera, are able to provide also the RGB information by mean of a texturing procedure, i.e. a procedure of point cloud coloring. In general, the mapping of a 2D RGB image onto a digital surface model during 3D rendering, increases the realism of the resulting model. The point cloud texturing is currently used in TLS observation aimed to cultural heritage study and preservation (see e.g. Beraldin et al., 2002). The texturing procedure consists in camera calibration and orientation. The camera calibration models the true parameters of the camera (i.e. focal length, format size, principal point, and lens distortion, see e.g. Tsai 1986, 1987), whereas the orientation process leads to the position and angles of the camera with respect to the point cloud reference frame. Pairs of corresponding points, visible both in the captured RGB image and in the corresponding point cloud can be selected and used to solve for the calibration parameters of the camera in a the least square approach. Depending on the unknown quantities that must be obtained, in particular the availability of calibration parameters of the camera for the considered field, the procedure requires the detection of some or several pairs of corresponding points. In some cases, 13 parameters could be necessary, and at least 20 pair of points are therefore needed to have an adequate redundancy in the least square computation. The Optech ILRIS 3D (Optech, 2010) is a TLS instrument characterized by good performance in long range acquisition (up to 1200 m), which is equipped with an internal integrated camera (3 megapixel) to provide the RGB information and therefore allow the point cloud texturing. The format of the data directly provided by a TLS instrument is specific for the instrument. In order to allow their importation by the standard data processing software packages (e.g. Innovmetric PolyWorks, I-Site Studio, Leica Cyclone. For a list of available packages see e.g. GIM, 2009), a parsing procedure is necessary. In the case of ILRIS instrument, the parsing procedure is implemented in Optech Parser software and is well described also in the short manual provided by Pesci et al. (2009), where significant information about the planning and the definition of a reasonable acquisition protocol of a TLS measurement is also provided. A new feature available in Optech Parser allows the point cloud texturing, by means of 2D images captured at the scanning epoch by the internal camera by using the camera calibration certificate of the integrated camera. In particular, to perform the computations, the "texture image" and the “texture calibration parameter” files have to be used. The first file is the image automatically stored by the scanner and the second one is provided by Optech (Optech, inc). If these two files are directly used, the texturing procedure is completely automatic. Nevertheless, in some cases a high accuracy in RGB data treatment is necessary, and the recognition of an adequate number of pairs of corresponding point must be carried out by means of Optech Matching Viewer software package (Optech, inc). The Matching Viewer package is able to provide a texture calibration parameter file for a fine texturing. This technical report describes in detail the procedure for point cloud texturing using images from an external calibrated digital camera and Matching Viewer. In particular, the Nikon reflex D50, which is characterized by 28-mm focal length and 8.0 megapixel resolution. A TLS survey of the Santo Stefano historical square of Bologna city, aimed to provide the high resolution acquisition of Corte Isolani Palace, is performed. Figure 1 shows the external camera mounted on the ILRIS instrument during the survey. The scanner handle is shaped to allow the high precision installation of a camera on a calibrated position. Anyway the mechanical components lead to alignment errors to be corrected by means of a specific matching procedure described in the following.

Abstract A semi-permanent GPS network of about 30 vertices: Victoria Land Network for DEFormation control (VLNDEF) has been set up since Austral summer 1998 at Terra Nova Bay (TNB) near Ross Sea in Antarctica. A permanent GPS station TNB1 based on dual frequency Ashtech P-code GPS receiver with a Choke Ring Antenna has been installed on a bedrock monument in October 1998 and has recorded continuously up to the present. The GPS network has been routinely surveyed every two summers using high quality dual frequency GPS receivers; data, metadata and solutions are available to the scientific community at (http://www.geodant.unimore.it). In this paper we present the results of a distributed session approach applied to processing GPS data of the VLNDEF network, and based on Gamit/Globk 10.3 GPS analysis software. An improved reference frame definition was implemented using Globk package in order to compute Antarctic intra-plate residual velocities and to invert the strain field from GPS data in this region.

The recent development of the Global Positioning System geodetic technique allow the determination of the separation between the ellipsoid and the geoid if GPS-derived elevations are compared with spirit leveling measurements; this approach may provide a contribution to the definition of the geoidal ondulation even on areas such as the Italian peninsula characterized by wide roughness of topography and very complex geological and structural features. With this aim in 1993 we measured by the GPS technique the position of 32 benchmarks along some of the Italian first order leveling routes located across the Apenninic chain. The simultaneous surveys performed on ITRF stations and on 5 tide gauge stations, may provide an accurate constrain of the gravimetric geoid recently computed by DIIAR in Milan, Italy.

Fin dal 2005 l'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) ha operato in ambiente vulcanico grazie alle interessanti prestazioni degli scanner ILRIS 3D e ILRIS ER (Optech). Le precisione e l'alta densità delle misure ottenute, insieme alla potenza dei sistemi di allineamento dele immagini hanno reso possibile, tra le tante esperienze, il monitoraggio delle variazioni superficiali nel cratere del Vesuvio. l'identificazione delle pareti maggiormente interessate da fenomeni franosi e la valutazione, con buona precisione, dei volumi di roccia crollati [Pesci el al., 2011a].