IL RILIEVO LASER SCANNING DEL VULCANO ETNA - INGV

IL RILIEVO LASER SCANNING DEL VULCANO ETNA

                          INGV - Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia

L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia ha usato il sistema a scansione laser (LiDAR –
Laser Imaging Detection and Ranging) per l’aggiornamento topografico di aree interessate da
colate di lava, per lo studio delle caratteristiche fisiche e morfologiche delle lave (volume, forma e
avanzamento del fronte lavico, ecc) e per la rappresentazione topografica di dettaglio di strutture
vulcaniche quali crateri, fratture eruttive, coni, campi lavici (figure 1, 2 e 3).

      Figura 1. Immagine ombreggiata di una porzione del Rift di NE, si notano numerose fratture eruttive con
      formazione di “bocche a bottoniera”. Nella porzione SO dell’immagine si possono osservare i canali di lava
      relativi all’eruzione 2002-2003 nel fianco nord del Mt.Etna a quota 2000 m s.l.m..

L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia ha effettuato due rilievi LiDAR del vulcano Etna.
Il primo rilievo LiDAR è stato effettuato nel settembre 2004, durante un’eruzione in zona
sommitale con formazione di canali di lava (Mazzarini et al., 2005), per un totale di 270 km2 e più
di 108 punti di elevazione registrati, pari quasi ad un punto per 5 m2 (generalmente un punto ogni
2.2 x 2.2 m2). Il secondo rilievo LiDAR è stato effettuato un anno dopo ad eruzione finita, in modo
da poter aggiornare, tra l’altro, l’area coperta dalla colata 2004. Durante il secondo rilievo LiDAR
all’Etna l’area rilevata è stata molto più grande, coprendo 450 km2. In quella occasione si è tra
l’altro eseguito anche il rilievo LiDAR del vulcano Stromboli.

Figura 2. Immagine ombreggiata dell’area del Rifugio Sapienza della ripresa LiDAR 2005 (fianco sud Mt.Etna)
a quota di 1910 m s.l.m..I coni allineati N-S sul lato orientale dell’immagine sono i Monti Silvestri inferiore e
superiore.

Figura 3. Immagine ombreggiata della ripresa LiDAR 2005 della parte Nord-Est della Valle del Bove. Un
cono formatosi secoli fa è in parte ricoperto da vegetazione arborea.

Il vantaggio dell’utilizzo dei dati LiDAR per l’aggiornamento della topografia esistente appare
evidente confrontando i Modello Digitali del Terreno della Valle del Bove (Mt. Etna) ottenuti dai
rilievi LiDAR del 2004 e del 2005, cioè durante l’eruzione del 2004 e alcuni mesi dopo la fine
dell’eruzione stessa (figura 4). Con i dati laser è quindi possibile non solo aggiornare la topografia
ma anche stimare il volume di lava emesso durante il periodo di tempo che intercorre fra un rilievo
e l’altro, o addirittura, se i sorvoli sono molto frequenti, stimare il tasso eruttivo di una colata attiva.
Condizione tuttavia indispensabile per poter effettuare un rilievo LiDAR è la presenza di stabili e
buone condizioni atmosferiche (ricordiamo che il LiDAR opera nella regione dell’infrarosso vicino
dello spettro elettromagnetico ed è molto sensibile al presenza di acqua). Inoltre, durante una colata
attiva è necessario che nella zona del sorvolo la visibilità sia buona, cioè non esistano ceneri
sospese o gas densi emessi dal vulcano. Questa condizione non è sempre realizzata durante
un’eruzione, infatti la direzione del vento e la posizione della zona da rilevare sono tra le variabili
fondamentali per determinare le migliori condizioni operative. Comunque il metodo sembra molto
promettente perché si possono apprezzare variazioni del fronte della colata dell’orine di 1-2 m.
Il metodo LiDAR permette quindi di avere una topografia aggiornata ad alto dettaglio di aree
vulcaniche; su tale topografia è quindi possibile applicare modelli di simulazione numerica per
predire le direzioni di scorrimento di una colata di lava (figura 5).

    Figura 4. L’immagine a sinistra è stata acquisita durante l’eruzione del 2004, l’immagine destra ad eruzione
    conclusa da mesi nel Settembre 2005. Dalla differenza dei due DEM è possibile stimare il volume emesso.

Figura 5. La figura mostra (in giallo) la zona possibilmente esposta ad una colata in corso (in rosso),
       come valutato in funzione della topografia del Vulcano.

Uno degli aspetti più interessanti nell’applicazione della tecnologia LiDAR in aree è data dalla
possibilità di indagare le caratteristiche fisiche degli oggetti rilevati in base alla loro risposta in
intensità. Anche in questo caso è necessario pre-processare il dato in quanto l’intensità misurata va
corretta per la distanza di acquisizione, l’angolo di scansione e l’ampiezza del footprint. Appare
evidente una relazione fra la risposta in intensità di alcune lave e i processi di alterazione fisico-
chimica da cui sono interessate (figure 6 e 7).

                 Figura 6. Immagine dell’intensità dell’eruzione etnea del settembre 2004 rilevata
                 ad eruzione in corso.

Le caratteristiche geometriche (l’accuratezza planimetrica di circa 1-2 m e in elevazione inferiore al
metro) e spettrali fanno del LiDAR un promettente strumento di indagine in grado di concentrare in
un unico rilievo informazioni geomorfologiche e tessiturali delle lave emesse.

           Figura 7. Immagine dell’Intensità del flusso lavico emesso durante l’eruzione del luglio-
           agosto 2001, è evidente la diversa risposta in intensità che hanno lave del 2001 rispetto ai
           prodotti di eruzioni precedenti.

Riferimenti Biblografici
Mazzarini, F., M.T. Pareschi, M. Favalli, I. Isola, S. Tarquini and E. Boschi (2005), Morphology of
basaltic lava channels during the Mt. Etna September 2004 eruption from airborne laser altimeter
data, Geoph. Res. Lett., 32, L04305, doi:10.1029/2004GL021815.

Appendice
La tecnologia LiDAR consente l’acquisizione a distanza di informazioni riguardanti un mezzo
osservato sia in merito alle caratteristiche morfologiche che a proprietà fisiche intrinseche.
Il laser scanning utilizza un telemetro laser, montato su un aereo o da un elicottero, per scansionare
il territorio sorvolato, in modo da determinare la distanza fra il punto di emissione del laser e il
punto di riflessione, cioè il generico punto appartenete al terreno e colpito dal laser (vedi figura).

Il telemetro misura il tempo impiegato dall’impulso laser a percorrere il percorso di andata e
ritorno. Inoltre lo scanner laser fornisce anche le coordinate del punto rilevato grazie ad un sistema
integrato GPS/INS in grado non solo di rilevare la posizione dell’aereo o dell’elicottero, ma anche
di determinarne l’assetto. Si ottiene così una nuvola di punti quota caotici del territorio rilevato che
possono essere ricampionati su un reticolo regolare. Le riprese LiDAR dell’Etna sono state
effettuate con un sensore ALTM 3033 della canadese OPTECH in grado di emettere con una
frequenza di 33000 impulsi al secondo, con abbracciamento massimo da 870 m a 2180 m (alla
quota relativa di 3000 m), densità media per ettaro da 2.000 a oltre 10.000 punti, angolo di
scansione variabile da 0° a 20°. Accuratezza verticale (a 1σ) e orizzontale rispettivamente a 1200 m
: ±15 cm e a 3000 m : ±35 cm. Inoltre il sensore ALTM 3033 opera nella regione NIR dello spettro
elettromagnetico (λ= 1.064 μm) e consente la registrazione simultanea dell'intensità delle riflessioni
"primo impulso" e "ultimo impulso", con cui ad esempio è possibile distinguere la vegetazione di
alto fusto dal terreno.