Saraceno, Benedetto

At the end of the summer 2021, an increase in CO2 emissions at Vulcano brought an increase in the alert level and, consequently, to the upgrade of the monitoring activities by increasing the number of instruments deployed and the rate of the surveys. One of the new devices installed was a geodetic GNSS mobile network for a real-time and high-frequency monitoring of ground deformation, to increase the detail with respect to the existing permanent network. The mobile stations were initially installed at the northern base of the La Fossa crater, where the highest values of soil degassing were recorded. Two stations were co-located with gravimeters, in order to compare and integrate the data. After this very first period of testing, the mobile GNSS array has been reconfigured, to investigate the mud pool area. Thus, four stations were installed around the degassing area, one of them being in the same site of the gravimeter. Data has been acquired at 1 Hz rate and is used for the weekly reporting to Civil Protection. It was the first experience of a light and quick-to-install geodetic real-time and high-rate GNSS mobile network in this area, and it was the occasion for testing its performance, as well as different approaches for the real-time kinematic (RTK) differential positioning in order to find the most suitable for the ongoing phenomena. Furthermore, direct data communication and archiving in the institutional database have been implemented for immediate querying from the control room tools. We report the experiences collected during the installation phase, site selection, RTK approaches, and ground motion and provide the daily raw data in RINEX format for any future precise postprocessing for the mid- to long-term analyses.

Da venerdì 4 novembre a domenica 6 novembre 2022, si è tenuta una esercitazione nazionale denominata “Exe Sisma dello Stretto 2022” in un'area del territorio della Regione Calabria e della Regione Sicilia caratterizzata da una elevatissima pericolosità sismica. L’esercitazione è stata indetta e coordinata dal Dipartimento della Protezione Civile e aveva l’obiettivo di verificare la risposta operativa a un evento sismico significativo del Servizio Nazionale della Protezione Civile, di cui anche l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia fa parte. Durante le tre giornate, l’INGV ha avuto modo di testare tutte le procedure che l’Istituto ha codificato a partire da quelle del “Protocollo di Ente per le emergenze sismiche e da maremoto”. Dopo che INGV ha dato l’avvio all’intera esercitazione simulando il terremoto di magnitudo MW 6.2 (ML 6.0) alle ore 09:00 UTC in provincia di Reggio Calabria (5 km a SW dal comune di Laganadi), e ha, quindi, inviato il messaggio per il potenziale maremoto con un livello di allerta arancione; inoltre, il Presidente INGV ha prontamente convocato l’Unità di Crisi e attivato tutti Gruppi Operativi. Questi ultimi, nell’ambito dello scenario esercitativo, hanno verificato che i flussi di comunicazione interna e tutte le attività necessarie in emergenza sismica, presenti nei relativi protocolli operativi, risultassero rispettati. L’obiettivo primario dell’esercitazione è stato quindi quello di validare le attività previste e di aggiornare il personale afferente ai Gruppi Operativi stessi. Tra di essi, SISMIKO, che rappresenta il GO dedicato al coordinamento delle reti sismiche mobili INGV in emergenza, nelle settimane precedenti l’esercitazione ha predisposto tutte le attività che intendeva testare, descrivendole brevemente nel Documento d’impianto INGV e con maggior dettaglio in quello del Gruppo Operativo. A pochi giorni dalla chiusura dell’esercitazione, un terremoto di magnitudo ML 5.7 (MW 5.5) registrato alle ore 06:07 UTC del 09 novembre 2022 ha spostato l’attenzione dalla simulazione alla realtà.

Si è approfittato della la diffusione capillare e dell’abbassamento massiccio dei costi dei sistemi di calcolo ad elevata efficienza (HPC) per ammodernare i server di acquisizione e archiviazione presenti nei centri di acquisizione dati [Del Negro et al., 2002]. Il sistema descritto nel testo è stato applicato con successo oltre al sistema Mag-Net [Del Negro et al., 2002] anche alla rete dilatometrica [Sicali & Bonaccorso, 2013]. L’ammodernamento dei due sistemi di monitoraggio, nonostante interessasse sia la parte hardware che software, è stato poco invasivo poiché entrambi i sistemi possiedono una struttura modulare [Sicali et al., 2016]. L’ammodernamento ha permesso di risolvere problemi oramai decennali come il posizionamento dei sistemi di acquisizione rispetto ai server di acquisizione, ottimizzando allo stesso tempo le risorse disponibili, sia computazionali che umane. La manutenzione è divenuta più semplice e meno dispendiosa in termini di tempo e costi. L’uso delle tecniche di virtualizzazione ci permette di manipolare a piacimento i sistemi e automatizzare alcune procedure altrimenti realizzabili solo intervenendo fisicamente. La possibilità di astrarre le componenti hardware degli elaboratori al fine di renderle disponibili al software in forma di risorsa virtuale, ci permette di eseguire operazioni che un tempo erano invasive, potenzialmente dannose oltre che dispendiose in termini di tempo (time consuming). Si pensi ad operazioni come la rimozione/sostituzione del disco fisso, della CPU o all’upgrade della RAM.

This work presents and describes a 20-year long database of GPS data collected by geodetic surveys over the seismically and volcanically active eastern Sicily, for a total of more than 6300 measurements. Raw data were initially collected from the various archives at the Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Catania-Osservatorio Etneo and organized in a single repository. Here, quality and completeness checks were performed, while all necessary supplementary information were searched, collected, validated and organized together with the relevant data. Once all data and information collections were completed, raw binary data were converted into the universal ASCII RINEX format; all data are provided in this format with the necessary information for precise processing. In order to make the data archive readily consultable, we developed software allowing the user to easily search and obtain the needed data by simple alphanumeric and geographic queries.

Geomorphological changes of areas affected by crustal deformation, eruptive events, gravitative instabilities, land- slide and glacier evolution, and other phenomena, can be detected and quantified using high-accuracy digital sur- face models. The comparison between multitemporal models provides a space-time description of geophysical processes, and can be used to estimate deformation patterns, displacements, surface variations, volumes involved in mass movements, and other physical features. Several techniques, including GPS kinematic methodology, digi- tal aerial and terrestrial photogrammetry, airborne and terrestrial laser scanning, satellite-based and ground-based interferometric radar and optical satellite imagery systems, are suitable surveying methods that provide appropriate spatial resolution. Terrestrial Laser Scanning (TLS) allows an accurate and cost-effective representation of the topographical details of the observed surface. For this reason, TLS is currently used in geologic survey, engineering practice, cultural heritage, and mobile mapping. Besides the geometric data, the point cloud provided by a TLS observation con- tains radiometric information, i.e. the intensity of the received pulses, that can be used for classification purposes. Moreover, some instruments are equipped with a calibrated camera to add RGB color data to the intensity data. Since a TLS survey, including the corresponding data processing and analysis, can be carried out in relatively short time, an operational procedure can be planned and executed. The TLS and other remote sensing techniques, like digital photogrammetry, can be integrated to profit from the strength of each single technique and overcome the corresponding weakness, leading to a better modeling of the observed system. We show the results of observations on three Italian volcanoes by using a TLS recently implemented in the moni- toring system of the INGV. The most complete set has been acquired on Mt. Vesuvius crater in May 2005, October 2006 and June 2009. The whole crater was measured with several overlapped scans and the corresponding digital surface models were generated and registered into the UTM-WGS84 reference frame. The comparison between the models leads to an evaluation of the occurred changes. The deformation maps showed a progressive mass loss due to rock-falls in an area of about 5000 m2 with a corresponding accumulation at the bottom of the crater. The volume loss which occurred from 2005 to 2009, was computed by subtraction of volumes defined with respect to reference planes parallel to the caldera walls and was estimated to be 20300 m3. Some results were also in- terpreted on the basis of micro-seismic and meteorological data in order to plan a monitoring technique where seismic signals related to rock-fall and/or signals of intense rainfalls are used as alarms for fast TLS surveys able to characterize the corresponding changes of the caldera walls. The proposed methodology, in particular the simple but effective approach used in the estimation of volume uncertainties, can be applied to each rock slope instability phenomenon, regardless to the particular environment. Two measurements were carried out at Vulcano in April 2009, by surveying the whole “La Fossa” crater and the “La Forgia” unstable slope, and in April 2010, by re-surveying again the “La Forgia” slope. All measurements were acquired with several overlapped scans. The comparison between the two measurements at “La Forgia” shows small change in the morphology that will be further investigated by new measurements; new measures will also be carried out to image again the “La Fossa” crater. Measurements at Stromboli were aimed at testing the capability of the technique in very difficult surveying con- ditions: the 2007 lava fan in the Sciara del Fuoco, an inaccessible and unstable area of the Stromboli volcano. In such a condition, TLS observes the fan only with high incidence angles and from distances longer than La Fossa case. In addition, the lava fan consists in black porous lavas, characterized by a bad reflectivity.

Il laser scanner, o laser a scansione terrestre (TLS), è uno strumento di rilievo non distruttivo che permette di misurare una grande quantità di punti (milioni) distribuiti sulle superfici fisiche osservate. Per ogni punto si ottengono le coordinate geometriche cartesiane x, y e z e un valore d’intensità, generalmente fornito nell’intervallo [0, 255], cioè nella scala di grigi. L’intensità è una variabile strettamente correlata alla rugosità dei materiali e alle condizioni di umidità al momento del rilievo e, in certi casi, fornisce indicazioni sullo stato di alterazione delle superfici [Pesci e al., 2007; Franceschi et al., 2009]. Il risultato di una singola scansione, cioè la nuvola di punti, è quindi composto dall’insieme delle coordinate e delle intensità (x, y, z, I) di tutti i punti misurati nello stesso sistema di riferimento. I sistemi laser a scansione terrestre (TLS) sono ormai largamente diffusi ed utilizzati nelle più diverse applicazioni. Essi vengono impiegati per rilievi sia ambientali, (per esempio in aree di dissesto idrogeologico o in aree vulcaniche e montane), che architettonici, principalmente in ambiente urbano, e sono ancora molti altri i campi di applicazione. Per esempio: nel rilievo del territorio, grazie alla rapida acquisizione di una elevata quantità punti, è facile la creazione di sezioni, curve di livello e volumetrie; in ambito geologico, anche nelle zone inaccessibili, il sistema permette di definire dei precisi modelli di riferimento (DEM) per lo studio della stabilità dei versanti ed il monitoraggio dei fenomeni di dissesto [Pesci et al., 2011a]; in architettura, grazie all’alta risoluzione ed alla possibilità di integrare l’informazione TLS all’informazione ottenuta dalle immagini digitali (RGB) di fotocamere calibrate è possibile ottenere modelli molto accurati e dettagli morfologici per il restauro, la progettazione, etc..(vedi per esempio: www.centrorestaurovenaria.it). In particolare, è possibile associare ad ogni punto sia il valore di intensità nella scala di grigi, sia il contenuto di colore dell’immagine acquisita (RGB) ed utilizzare una informazione più completa per lo studio della superficie in esame [Pesci et al., 2010]. Il laser scanner ILRIS-ER, che è la versione più potente del modello ILRIS-3D (www.optech.ca) ha delle precise specifiche tecniche fornite nelle brouchure ufficiali (Fig.1) della casa madre Optech (inc), ma riassumendo al massimo si isolano 3 parametri fondamentali: portata, divergenza e passo di campionamento.

Il presente lavoro è stato realizzato con l’obiettivo di divulgare le conoscenze acquisite nell’ambito del monitoraggio delle aree vulcaniche attive italiane mediante sistemi laser scanner terrestri. Le sezioni INGV di Bologna, Roma, Napoli e Catania hanno lavorato congiuntamente sin dal 2007 per sperimentare queste strumentazioni e valutarne l’efficacia per lo studio delle variazioni superficiali in aree spesso caratterizzate da materiali a bassa riflettività e quindi non facili da rilevare. I primi esperimenti sono stati realizzati sul Vesuvio nel 2007 e la ripetizione delle misure ha permesso di ottenere una serie temporale di modelli digitali (DSM) che, analizzati e confrontati, hanno permesso di mappare i crolli di porzioni delle pareti vulcaniche, misurare con precisione le variazioni dei volumi in gioco e di ideare (work in progress) un sistema speditivo per riconoscere le frane attive ed eseguire in tempo reale il rilievo delle zone di interesse. Nonostante l’esperienza vesuviana sia l’unica, per la ricchezza del data-base utilizzato, che al momento ha portato alla produzione di vari lavori scientifici [Pesci et al., 2007; Pesci et al., 2008ab; Pesci et al., 2009; Pesci et al., 2011a], è importante sottolineare che moltissime esperienze sono state fatte in questo senso, in tutte le aree vulcaniche di interesse. Sebbene i dati acquisiti non siano ancora sufficienti per realizzare un lavoro completo, hanno permesso di ampliare la conoscenza sulla metodologia e strumentazione utilizzate, sulle caratteristiche morfologiche delle aree osservate e sulle criticità del rilievo in ambiente vulcanico. Con questo rapporto tecnico si vuole illustrare l’applicazione del sistema laser scanner per il rilievo del fianco settentrionale del cono della Fossa di Vulcano e i risultati preliminari. La Fossa è un piccolo edificio vulcanico formatosi in seguito a numerose eruzioni che hanno prodotto un cono di materiale piroclastico (cenere, tufi e lapilli) negli ultimi 6000 anni [Keller, 1980; De Astis et al., 2006]. Sebbene la maggior parte delle eruzioni sono avvenute nella parte centrale del cono, alcune hanno interessato il suo fianco settentrionale, formando una sorta di cratere eccentrico, chiamato “La Forgia Vecchia” che crea una forte depressione morfologica su quel versante. L’intero cono della Fossa è soggetto a un’intensa erosione e alterazione provocata dalla circolazione di fluidi idrotermali. Già in passato il fianco settentrionale del cono vulcanico è stato interessato da fenomeni di dissesto con una frana che, nel 1988, ha riversato in mare circa 2.105 m3 di roccia nella zona antistante al porto di Levante provocando anche un piccolo tsunami [Barberi et al., 1994; Tinti et al., 1999]. L’area sovrastante la Forgia Vecchia è affetta da un’evidente instabilità gravitativa, aggravata dalla presenza dello stesso cratere eccentrico che ne accentua la ripida morfologia e dalla presenza di un importante campo di fumarole che riscalda e altera i corpi rocciosi. Già all’inizio degli anni ’90 un forte incremento delle temperature e dell’intensità di emissione delle fumarole fu accompagnato da una significativa deformazione dell’intero versante sovrastante la Forgia Vecchia, con l’apertura di crack distensivi sul bordo craterico settentrionale, a corona del versante in movimento. Tale deformazione è fortemente correlata con l’andamento delle temperature alle fumarole, ed è stata interpretata come parzialmente dovuta all’espansione termoelastica del corpo roccioso che ha a sua volta aggravato l’incipiente instabilità del versante, innescando un ulteriore movimento verso valle [Bonaccorso et al., 2010].

Questo lavoro riporta la descrizione dei lavori di realizzazione di un sito test ubicato in Catania presso il Centro Unificato Acquisizione Dati (CUAD) costituito da 4 fori contigui che ha lo scopo di testare il funzionamento e l’affidabilità di clinometri bore-hole prima della loro installazione finale. Il sito si presta per la sperimentazione su diversi strumenti attraverso il confronto di segnali registrati contemporaneamente a più sensori. Sono riportati e discussi i primi risultati di una installazione multipla di strumenti di diverso tipo (Mod 510, Mod. 722 e Mod. Lily tutti prodotti dall’Applied Geomechanincs) evidenziando le problematiche e le affinità sulla base dei dati registrati.