Casula, Giuseppe

La grande diffusione negli ultimi anni di reti di stazioni GPS permanenti istituite per scopi commerciali come il posizionamento in tempo reale, può rappresentare un’importante integrazione alla già esistente rete scientifica di monitoraggio della deformazione crostale. Le stazioni commerciali sono solitamente equipaggiate con ricevitori a doppia frequenza e antenne tipo choke ring. Una possibile differenza fra queste e le stazioni scientifiche consiste nell’approccio utilizzato per la scelta del sito e per la monumentazione. Per questo motivo prima di utilizzare le osservazioni acquisite dalle stazioni commerciali per analisi di tipo scientifico bisogna verificare se i protocolli di installazione e gestione di questi non introducano nuove sorgenti di rumore nei dati o aumentino quelle già esistenti. In questo studio, abbiamo confrontato le caratteristiche principali delle serie temporali di 112 stazioni commerciali situate nell’Italia Centro–Settentrionale con quelle di 81 stazioni scientifiche presenti nella medesima zona (Fig. 1). Le osservazioni delle 112 stazioni commerciali prese in esame sono fornite dalle seguenti agenzie pubbliche e private: ASSOGEO, LABTOPO, Rete Regione Veneto, SOGER, IREALP, Rete Arpa Piemonte e Regione Abruzzo; e i dati delle 81 stazioni scientifiche sono stati invece acquisiti dagli archivi informatici di 5 diverse istituzioni pubbliche: ASI, INGV – RING, EUREF, FREDNET e Rete Toscana. Le osservazioni di tutte le stazioni considerate in questo lavoro sono state analizzate mediante il software GAMIT/GLOBK versione 10.34 e successive utilizzando la procedura denominata distributed processing (Dong et alii, 1998), che consente di analizzare reti con un alto numero di stazioni suddividendole in diverse sottoreti distinte, compensando successivamente i risultati ottenuti in un’unica soluzi

We use regional and local networks of continuously-operating GPS stations (CGPS) distributed in the northern–central part of the Italian peninsula to investigate the subsidence phenomenon of the Po plain sedimentary basin and vertical movements of the surrounding areas. The observations of 146 scientific and commercial stations are analyzed and compared, adopting analytical techniques widely used to study GPS coordinate time series. The use of simple antenna supports in commercial installations, instead of a more rigorous geodetic monument, does not seem to induce significant differences in the noise characteristics and in the amplitudes of annual and semi-annual periodic signals. The vertical velocity field deduced from 129 sites with observation time spans greater than one year, located in the Central–Northern Italian Peninsula, indicates the presence of two mainly subsidence areas: the Po Plain and the Arno Plain, while the sites located in the Alps and Apennine domains show relatively low uplift. The areas of the Po Plain monitored by GPS seem to indicate that the subsidence rate is constant or, in some cases, decreasing with respect to the values obtained from the last measurements, performed up to 2006 by means of both SAR and levelling techniques. Only the central part of the eastern Po Plain close to the Apennine border (Modena city area) is characterized by a peak in subsidence consisting in a velocity of about 15 mm/yr.

The global positioning system (GPS), in both static and kinematic modes, allows a highly accurate measurement of point coordinates and therefore is widely used for monitoring both slow and fast surface deformations. The information provided by a GPS network can be used at the regional scale, to evaluate tectonic and seismogenic structure evolutions [Hunstad et al., 1999; Pietrantonio and Riguzzi, 2004], such as the estimation of deformation rates in the central Apennine chain [Pesci and Teza, 2007], or at larger scale, to monitor gravitational macroscopic effects due to, for example, rock-mass collapses, landslide activations or other instabilities [Mora et al., 2003; Tzenkov and Gospodinov, 2003; Squarzoni et al., 2005]. The accuracies of GPS measurements are generally a few millimeters for the horizontal coordinate components and sub-centimeters for the vertical ones. In fact, the elevation is highly influenced by atmospheric perturbations, involving zenith delays, which are difficult to be completely removed by means of data modeling. When referring to high accuracy, GPS surveying implies the precise measurements of the vectors between two or more receivers (baselines), the so-called relative positioning: data can be acquired on static and rapid-static conditions, which require GPS stations to be stationary. Several permanent GPS stations continuously operate on the Italian territory, belonging to different institutes like IGS (International GPS Service), EUREF (European Reference Frame), ASI (Agenzia Spaziale Italiana), INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia) and others [Serpelloni et al. 2006; Falco et al., 2007; Devoti et al., 2008]. Due to the high efficiency of this surveying methodology, in the last few years, the number of GPS permanent stations has rapidly increased and continues to expand; the Earth Science Department of Siena University, for example, installed 8 new stations in 2003 to study the tectonic processes in the Central-Northern Apennines [Cenni et al., 2004]. Also private GPS networks planned for commercial civil proposal exist; in particular the ASSOGEO s.r.l (Italian Trimble provider), established a dense GPS network for real time positioning by means of the VRS (Virtual Reference Station) concept [Hu et al., 2003] and work is still in progress to cover the whole Italian territory with a mean size of about 20-50 km.

The OptecTM ILRIS-3D Terrestrial Laser Scanner (TLS) has been recently acquired by the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) Sezione di Bolgna in the context of a TTC program for volcanoes monitoring (TTC 1.3 Controllo Geodetico delle Aree Vulcaniche Attive) supported by the Dipartimento di Protezione Civile. Several experiments were performed by INGV since 2004 to study the level of precision for surface modelling by means of laser scanner long range instruments, in order to detect the best suitable standard for rapid and simple acquisition in volcanic area (Pesci et al., 2007). In particular, during the MESIMEX experiment (October 2006), a national exercitation organized by the Dipartimento di Protezione Civile (DPC) exploited to simulate a volcanic eruption in Naples, the second TLS survey of the whole Vesuvius crater was executed and a large mass variations were estimated revealing the collapse of a portion of the crater. The alignment and comparison of point clouds (2006–2005) show high variations over a large portion of the NE slope and a volume variation of about 6850 m3 was computed. The analysis was performed in almost real time by means of direct comparisons between scans, indicating the laser scanning as one of the most reliable technique for fast monitoring in crisis time (Pesci et al. 2008a). The main characteristics recommended for surveying in volcanic areas were the laser device eyes safety, the achievable very long range (> 1 km), the precision of measurements and final accuracy in data modelling, the acquisition velocity, the instrument portability in terms of weight and size and the ability to manage scanner by means of PC pocket. The ILRIS-3D scanner was chosen based on the previously described recommended points. The simple operation needed for scan execution and the possibility to plan and realize a complete survey by means of only two operators confirmed ILRIS-3D as the best choice for volcanic applications. This technical report is a simple and effective user guide for laser scanner management providing all the necessary instruction from instrument settings, remote connection, data storage, downloading and preprocessing. Authors proposal is to make operators independent enough to scan and carry out survey in interested areas also without a specific experiences in LIDAR (Light Detection And Ranging) monitoring.

Il sistema di posizionamento GPS (Global Positioning System) è nato negli Stati Uniti negli anni ’90 per scopi militari e negli ultimi decenni si è notevolmente diffuso anche in ambiente civile. Il GPS è un sistema basato sulla ricezione di segnali radio emessi da satelliti posizionati in orbite a circa 20000 km di altezza la cui configurazione attuale permette la visibilità di almeno 4 satelliti in ogni istante e luogo del pianeta. Si tratta di una tecnica di intersezione spaziale distanziometrica nel sistema di riferimento elissoidico geocentrico WGS84. La distanza geometrica (range) tra il centro di fase dell’antenna di stazione a terra ed i satelliti, viene calcolata misurando il ritardo temporale tra il segnale ricevuto ed un clone generato dal ricevitore fornendo, in prima approssimazione, il tempo di volo del tragitto satellitericevitore. Il segnale GPS è caratterizzato da una componente fondamentale, due onde sinusoidali chiamate L1 e L2 e da una componente impulsiva, i due codici pseudorandom C/A e P; viene inoltre inviato un messaggio di navigazione (codice D) nel quale sono presenti importanti informazioni quali lo stato di salute dei satelliti, le effemeridi (parametri per il calcolo delle orbite) e la deriva degli orologi di bordo. Un ricevitore GPS geodetico può effettuare due tipi di misure su entrambe le portanti L1 ed L2, cioè misure di codice e di fase. Il posizionamento GPS si può effettuare in varie modalità tra cui la modalità relativa che permette di raggiungere le massime precisioni (pochi millimetri) in quanto i sistemi di equazioni vengono risolti utilizzando le componenti dei vettori linea-di-base che, adeguatamente combinate, permettono di ridurre e/o eliminare una buona parte degli errori sistematici [Hofmann-Wellenhof, et al. 2008]. Inoltre, le misure possono essere ottenute da applicazioni statiche o cinematiche [Cina, 2001]. Il grande sviluppo tecnologico degli ultimi decenni ha reso possibile la realizzazione di strumenti di rilievo geodetico e topografico ad alta precisione, compatti e maneggevoli, caratterizzati da notevole facilità di utilizzo, versatili e spesso corredati da software ad elevate prestazioni per l’acquisizione, la gestione e l’elaborazione dei dati. I moderni ricevitori vengono implementati con la capacità di immagazzinare un numero sempre più elevato di dati generalmente in memorie Compact Flash (CF) sempre più veloci (oltre 30 MB/s di transfer rate) e della capienza che raggiunge e supera i 4Gb, il numero dei canali supera la ventina ed i firmware sono dotati di tecniche spettrali e di filtraggio in grado di distinguere la maggior parte del codice P (Precision o Protected) criptato poiché destinato ad applicazioni militari. Attualmente, non si parla più solo di sistemi GPS, ma di sistemi GNSS (Global Navigation Satellite Systems) in quanto esistono altre costellazioni di satelliti artificiali come il GLONASS ed il nascente sistema Galileo. I moderni ricevitori, dunque, sono in grado di captare in contemporanea almeno i segnali delle due principali costellazioni (GPS e GLONASS). Inoltre, è interessante notare che il numero attuale dei satelliti GPS è di 31 grazie alla vita media superiore alle aspettative dei satelliti di ormai vecchia generazione. In questi ultimi anni molti Enti o Università italiane e straniere impegnate in studi geofisici a carattere geodinamico e geodetico, hanno lavorato alla realizzazione di reti GPS di monitoraggio continuo con lo scopo di ottenere risultati affidabili ad alta precisione e di costruire una struttura adatta alla definizione di un sistema di riferimento stabile. I dati GPS acquisiti in continuo su reti appositamente realizzate, dotate di procedure automatiche 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. I prodotti che derivano dalla realizzazione delle reti permanenti sono vari e generalmente si possono riassumere come segue: la produzione di soluzioni giornaliere e settimanali di coordinate delle stazioni della rete; la produzione di soluzioni di velocità e di deformazione; l’archivio di dati GPS; divulgazione dei prodotti e risultati delle reti GPS. Grazie alla presenza di una copertura di reti permanenti a scala regionale del territorio italiano è inoltre più semplice la pianificazione e realizzazione di sottoreti atte agli studi di fenomeni locali che necessitano una geometria a più stretta maglia, per esempio con linee di base di alcune decine di chilometri o inferiori. È infatti possibile contare su una ricca banca dati, e quindi utilizzare le soluzioni già disponibili per orientare i risultati in un corretto sistema di riferimento senza introdurre necessariamente nel data processing dati appartenenti a stazioni troppo distanti e quindi senza affrontare soluzioni troppo eterogenee in termini di linee-di-base. In questo lavoro vengono descritte le caratteristiche tecniche di materializzazione, messa in funzione e analisi dati di una stazione GPS su edificio atta al monitoraggio di precisione del fenomeno della subsidenza che affligge in particolar modo alcune zone della città di Bologna per effetto di fenomeni antropici come l’estrazione di idrocarburi e lo sfruttamento di falde acquifere. Uno dei progetti seguiti dalla Sezione INGV di Bologna, infatti, si propone di apportare un significativo miglioramento della conoscenza dei fenomeni locali di subsidenza tramite l’integrazione di informazioni già esistenti con nuove misure ottenute da 6 metodologie InSAR (Interferometric Syntetic Aperture Radar) e GPS. Per questo, è importante utilizzare una rete GPS che abbia le caratteristiche necessarie per fornire risultati affidabili e che sia oltretutto direttamente vincolabile al dato SAR perciò visibile nelle immagini radar. Da qui l’ulteriore necessità di monumentare le stazioni su edificio e di illustrare con precisione tutti i dettagli tecnici relativi alla stazione BLGN.

An efficient procedure is proposed in order to define realistic lower limits of velocity errors of a non-permanent GPS station (NPS), i.e. a station where the antenna is installed and operates for short time periods, typically 10-20 days per year. Moreover, the proposed method is aimed at being independent from the standard GPS data processing. The key is to appropriately subsample the coordinate time series of several continuous GPS stations (CGPSs) situated nearby or inside the considered NPS network, in order to simulate the NPS behavior and to estimate the velocity errors associated with the subsampling procedure. The obtained data are therefore used as lower limits to accept or correct the error estimates provided by standard data processing. The proposed approach is applied to data from the dense non-permanent network in the Central Apennine of Italy based on a sequence of solutions for the overlapping time spans 1999-2003, 1999-2004, 1999-2005 and 1999-2007. Both the original and error-corrected velocity patterns are used to compute the strain rate fields. The comparison between the corresponding results reveals large differences that could lead to divergent interpretations about the kinematics of the study area.

Several geophysical processes, involving crustal deformation, can be studied and monitored by means of the comparison of multitemporal Digital Terrain Models (DTM) and/or Digital Surface Models (DSM): deformation patterns, displacements, surface variations, volumes involved in mass movements and other physical features can be observed and quantified providing useful information on the geomorphological variations (Butler et al., 1998; Kaab and Funk, 1999; Mora et al., 2003; van Westen and Lulie Getahun, 2003; Pesci et al., 2004; Fabris and Pesci, 2005; Baldi et al., 2005; Pesci et al., 2007; Baldi et al., 2008). Many techniques, including GPS kinematic methodology (Beutler et al., 1995), digital aerial and terrestrial photogrammetry (Kraus, 1998), airborne and terrestrial laser scanning (Csatho et al., 2005), remote sensors on space-borne platforms, both optical and radar stereo option, satellite SAR interferometry (Fraser et al., 2002), are suitable surveying methods for the acquisition of precise and reliable 3D or 2.5D geoinformation. Actually, the technique to capture the evolution of a natural process, rapidly changing the terrain morphology of an area like a volcanic eruption or a rock mass collapse, taking a time of a few seconds or several hours (or more) is the digital photogrammetry. Scientific software exist to manage and process stereoscopic photogrammetric images, requiring professional operators but, recently, more friendly applications are developed to facilitate and make fast but efficient the analysis.

The availability of a GPS network of 10-20 km mean size, provides good topographical support for the measurement of ground displacements, even at a local scale such as a landslide. In particular, a series of multitemporal kinematic or rapid-static GPS acquisitions of a landslide allows a good characterization of its displacements if the measurements are referred to a GPS reference network. Nevertheless, a wider network formed by stations located at long distances, for example at several tens of kilometers, characterized by large spacing, can lead to results affected by high noise, degrading the accuracy of final point positions. In order to obtain an adequate GPS reference network, some virtual reference stations (VRSs) can be introduced, even if a network refinement based on VRS cannot reach the same accuracy of a real local network. Some experiments, including measurements on a real landslide, have been performed in order to evaluate the performance of this technique. The results point out that the standard deviation of the obtained solutions is about two or three times larger than those which can be reached using a real local network.

GPS, digital photogrammetry and laser scanning techniques have been applied and compared in the frame of the studies of two complex landslides located in the Emilia-Romagna Region (Northern Italy). The three approaches, characterized by different accuracies, applicability and costs, have demonstrated to be efficient tools to define Digital Elevation Models computed in the same reference system and able to provide data on the landslide motion. The results described in the paper indicate the present low level of landslide activity in recent years. Reliability, costs and execution times of the applied surveying methods are shown and discussed in this paper.

Within the aim to evaluate the present day crustal deformation of central western Mediterranean and northern Africa, a regional GPs network was planned and measured in the frame of the Tyrgeonet and Algeonet projects. We analyse GPS data collected at ten geodetic monuments located in Algeria, together with the Villafranca, Roquetes, Cagliari, Matera and Noto IGS permanent stations. This GPS network is deployed in a crucial area for the comprehension of the Western Mediterranean geodynamics, being located along the collision belt between the Eurasian and African plates. Moreover, some of the Algerian stations are located in the inner Algeria, along the Atlas deformed zone that released strong seismic events in the past, not yet studied by space based geodetic techniques. Other four stations are located in the tectonically stable of the Algerian erg. In this paper we describe the network and the data analysis of the first epoch surveys performed during june 1998.