05.04. Instrumentation and techniques of general interest

The research scope of the papers published in this Special Issue mainly focuses on high-precision and high-reliability positioning, navigation, and timing (PNT) with Global Navigation Satellite System (GNSS) or multi-source sensors, resilient PNT with GNSSs or multi-source sensors in challenging environments, integrated PNT with GNSSs and multi-sensor systems, applications of PNT with GNSSs or multi-source sensors, etc.

L'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) è componente del Servizio Nazionale di Protezione Civile, ex articolo 6 della legge 24 febbraio 1992 n. 225 ed è Centro di Competenza per i fenomeni sismici, vulcanici e i maremoti per il Dipartimento della Protezione Civile Nazionale (DPC). L’Osservatorio Vesuviano, Sezione di Napoli dell’INGV, ha nei suoi compiti il monitoraggio e la sorveglianza H24/7 delle aree vulcaniche attive campane (Vesuvio, Campi Flegrei e Ischia). Tali attività sono disciplinate dall’Accordo-Quadro (AQ) sottoscritto tra il DPC e l’INGV per il periodo 2022-2025 e sono dettagliate nell’Allegato Tecnico del suddetto AQ. Il presente Rapporto sul Monitoraggio dei Vulcani Campani rappresenta l’attività svolta dall’Osservatorio Vesuviano e dalle altre Sezioni INGV impegnate nel monitoraggio dell’area vulcanica campana nel 2023.

Nel presente lavoro viene descritto l’aggiornamento tecnologico, effettuato in collaborazione con la società Tecnomare SpA, di un gravimetro da fondo LaCoste & Romberg modello U, serie H (numero HG24), di proprietà dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. Sono inoltre descritti e brevemente discussi i primi test in laboratorio ed i risultati di misure gravimetriche di fondo mare effettuate dal 19 al 22 Luglio 2010 nell'Area Marina Protetta del Parco Nazionale delle Cinque Terre. L'acquisizione di dati gravimetrici rientrava nelle attività specifiche del progetto di ricerca InSAS promosso e finanziato da eni Spa. La campagna a mare InSAS si è svolta in collaborazione con il NURC (NATO Undersea Research Centre) utilizzando come vettore marino il Coastal Research Vessel (CRV) ‘Leonardo’. Contestualmente all'attività di misure di gravità di fondo, sono stati acquisiti ed elaborati dal Politecnico di Milano diversi set di dati interferometrici Synthetic Aperture Sonar (SAS) su alcuni riflettori attivi e passivi localizzati nell'area di indagine. La campagna di misure a mare è stata preceduta da una serie di test in laboratorio al fine di valutare la piena funzionalità dello strumento in esame. In questa fase sono state acquisite diverse serie temporali allo scopo di valutare la qualità della misura e la sua ripetibilità.

Molto è noto delle particolarissime condizioni che rendono l'Antartide un laboratorio veramente speciale per tante discipline. Tuttavia, per le Scienze della Terra il continente antartico ha un doppio interesse. Oltre ad essere un luogo poco conosciuto dove avvengono processi straordinari ed unici per il nostro pianeta, esso occupa anche una posizione privilegiata per la registrazione di dati geofisici. Questi dati sono essenziali per la comprensione globale di molti processi fisici e ci aiutano dunque a capire come la Terra "funziona" nel suo insieme. L'Antartide è, quindi, un luogo di osservazione cruciale per la conoscenza del pianeta in cui viviamo. I processi geofisici presentano variazioni su lunghi periodi. Di conseguenza, la registrazione di lunghe e ininterrotte serie temporali è un impegno basilare per gli osservatori geofisici. Come noi traiamo vantaggio dalle registrazioni della declinazione del campo magnetico fatte dai marinai del XVIII secolo, dalle cronologie degli effetti dei terremoti trovate in archivi storici e dalle informazioni sul tempo e sulle temperature dell'aria scritte negli antichi almanacchi, così dobbiamo impegnarci per acquisire ed allo stesso tempo conservare le registrazioni strumentali secondo i migliori livelli consentiti dalla tecnologia odierna. Seguendo queste considerazioni, il programma antartico Italiano - in modo simile ai programmi di altre nazioni - si sta prodigando in uno sforzo continuo nel mantenimento e nel miglioramento degli osservatori geofisici permanenti. Forse alcune di queste attività non forniscono dati con forte impatto immediato, ma la loro vera importanza si evidenzierà certamente in futuro. Il funzionamento degli osservatori geofisici antartici è anche un obbligo verso le prossime generazioni, per metterle in condizione di comprendere quello che a noi sfugge ancora.

Le tecniche di telerilevamento satellitare e da terra per la stima della temperatura di anomalie termiche delle superfici vulcaniche, della loro variazione nel tempo e per individuare attività parossistiche o l’inizio di una fase di colate di lava, sono ormai entrate a far parte della sorveglianza e del monitoraggio vulcanologico [es. Francis, 1979; Geraci et al., 1985; Lombardo et al., 2011; Spampinato et al., 2011]. I sensori in una banda spettrale dell’infrarosso quali radiometri e telecamere termiche, utilizzati in prossimità di bocche eruttive, hanno fornito cospicue quantità di dati di temperatura della superficie di corpi magmatici (colate laviche, laghi di lava, duomi lavici), plume vulcanici, fumarole, registrati a distanza di totale sicurezza [Spampinato et al., 2011]. In particolare, i radiometri, sia portatili che installati in stazioni permanenti, oltre che fornire dati da confrontare con misure geochimiche, permettono l’acquisizione di dati di temperatura ad elevata frequenza, tali da essere messi in relazione con le misure derivate da osservazioni geofisiche quali ad esempio il tremore sismico [es. Harris e Ripepe, 2007; Branan et al., 2008].In questo lavoro si descrivono i dettagli dell’installazione di una stazione radiometrica collocata nell’area sommitale dell’Etna in zona Belvedere, nel sito già utilizzato da una stazione multiparametrica (con sensori sismici e infrasonici) e denominato EBEL. Si descrivono anche la metodologia di trasmissione dati in continuo, il trattamento del dato convertito in temperatura apparente nel campo di vista del radiometro, la visualizzazione in tempo quasi reale del dato e la sua diffusione tramite WEB.

Radio frequency (RF) signals transmitted by Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) are exploited as signals of opportunity in many scientific activities, ranging from sensing waterways and humidity of the terrain to the monitoring of the ionosphere. The latter can be pursued by processing the GNSS signals through dedicated ground-based monitoring equipment, such as the GNSS Ionospheric Scintillation and Total Electron Content Monitoring (GISTM) receivers. Nonetheless, GNSS signals are susceptible to intentional or unintentional RF interferences (RFIs), which may alter the calculation of the scintillation indices, thus compromising the quality of the scientific data and the reliability of the derived space weather monitoring products. Upon the observation of anomalous scintillation indices computed by a GISTM receiver in the Mediterranean area, the study presents the results of the analysis and characterization of a deliberate, unclassified interferer acting on the L1/E1 GNSS signal bands, observed and captured through an experimental, software-defined radio setup. This article also highlights the adverse impacts of the interferer on the amplitude scintillation indices employed in scientific investigations, and presents a methodology to discriminate among regular and corrupted scintillation data.

This article describes the IT infrastructure implemented by the Centre for the Monitoring of Subsoil activities to monitor the areas of competence of which, according to the provisions of the Addresses and Guidelines and following the appointment by the Ministry for Economic Development, the INGV is the Structure in charge of seismic and geodetic Monitoring. Particular attention is paid to the hardware and software infrastructure, the data formats used and their installation is described.

In volcanic observatories worldwide, geophysical and geochemical data are usually collected remotely, providing continuous information about the state of volcanoes even in unfavorable conditions with respect to visibility and access to the area of eruptive centers. Early stages of unrest can be detected with high reliability; nonetheless, style and, in particular, intensity of eruptions are diffcult to predict. Consequently, it turns out important to identify critical moments after which the development of a paroxysmal activity becomes highly probable. In this perspective, we exploit a machine learning (ML) method for the analysis of seismic data continuously acquired by the permanent seismic network at Etna, Italy. Threshold criteria, which are based on parameters derived from the ML system and the number of stations where changes are detected, have been established with the scope of automatic alert flagging. As mild unrests may continue for weeks and even months, there is the need to adjust the trigger criteria with respect to style and intensity of the impending phenomenon. Our choice of the criteria was guided by so-called “Receive Operation Characteristics” (ROC) curves. These are based on the trade-off between the rate of False Positives and True Positives. With a more sensitive setting one can flag more paroxysms (True Positives); however, this may have the cost to flag an alert, but no paroxysm occurs. Carrying out various tests considering both the signal characteristics and the number of stations where the thresholds were met, we identified robust configurations allowing us to issue an alert of an impending paroxysm, widely avoiding the risk of false warnings. The system we propose here can provide timely and indicative information on possible eruptive scenarios to Civil Protection and other stakeholders. Also, It can be a guide for fixing onset and end-times of paroxysmal phenomena, which are especially helpful when image-based monitoring is hindered, for instance, by meteorological conditions. Finally, if others the possibility to effectively re-analyze long time spans of data recorded in the past.

In this chapter, we deal with a posterior analysis of supervised and unsupervised learning techniques. Concerning supervised learning, we discuss methods of cross-validation and assessment of uncertainty of tests by means of the “Receiver Operation Curve” and the “Kappa-Statistics.” We show the importance of appropriate target information. Furthermore, features are critical; when they are not properly chosen, they fail to describe objects in a unique way. A critical attitude is mandatory to validate the success of an application. A high score of success does not automatically mean that a method is truly effective. At the same time, users should not despair when the desired success is not achieved. A posteriori analysis on the reasons for an apparent failure may provide useful insights into the problem. Targets may not be appropriately defined, features can be inadequate, etc. Problems can be often fixed by adjusting a few choices; sometimes a change of strategy may be necessary to improve results. In unsupervised learning, we ask whether the structures revealed in the data are meaningful. Cluster analysis offers rules giving formal answers to this question; however, such rules are not generally applicable. In some cases, a heuristic approach may be necessary.