GIS & RILIEVI GEOFISICI IN ARCHEOLOGIA SUBACQUEA

Dott. ssa Gaia Mattei

Gruppo di Geofisica Marina Dip. Di Scienze per l’Ambiente

Università degli studi di Napoli Parthenope

Cos’è un GIS?Cos’è un GIS?

• I sistemi GIS (acronimo di Geographical Information System) sono rappresentati da software specializzati appositamente realizzati per il settore geografico. Il loro utilizzo principale è quello di offrire una serie di informazioni del e sul territorio sia in termini cartografici che statistici / informativi.

• Da un punto di vista tecnico i sistemi GIS si occupano di “legare” dati (datafusion) di tipo cartografico ad altri di tipo urbanistico, ambientale, scientifico, economico

I DATII DATI

Costruiscono il nostro modello della Costruiscono il nostro modello della realtàrealtà

I dati (data) rappresentano la parte più importante di tutto il sistema, essi sono I dati (data) rappresentano la parte più importante di tutto il sistema, essi sono rappresentati dagli oggetti cartografici e dalle informazioni relative. rappresentati dagli oggetti cartografici e dalle informazioni relative.

I dati corrispondono alle cellule basi del sistema e permettono con il loro I dati corrispondono alle cellule basi del sistema e permettono con il loro ampliamento ed aggiornamento la crescita di un sistema GIS.ampliamento ed aggiornamento la crescita di un sistema GIS.

Costruiscono il nostro modello della Costruiscono il nostro modello della realtàrealtà

I dati (data) rappresentano la parte più importante di tutto il sistema, essi sono I dati (data) rappresentano la parte più importante di tutto il sistema, essi sono rappresentati dagli oggetti cartografici e dalle informazioni relative. rappresentati dagli oggetti cartografici e dalle informazioni relative.

I dati corrispondono alle cellule basi del sistema e permettono con il loro I dati corrispondono alle cellule basi del sistema e permettono con il loro ampliamento ed aggiornamento la crescita di un sistema GIS.ampliamento ed aggiornamento la crescita di un sistema GIS.

I sistemi GIS usano due tipi di grafica:I sistemi GIS usano due tipi di grafica:I sistemi GIS usano due tipi di grafica:I sistemi GIS usano due tipi di grafica:

• Raster – gli oggetti sono Raster – gli oggetti sono rappresentati da un insieme di unità rappresentati da un insieme di unità elementari, i pixelelementari, i pixel

• Vector – gli oggetti sono Vector – gli oggetti sono rappresentati da vettorirappresentati da vettori

• PuntiPunti

• LineeLinee

• AreeAree

L’Hot Link è una funzione che collega le L’Hot Link è una funzione che collega le features del GIS ad un’altra categoria di features del GIS ad un’altra categoria di oggetti esterni: gli oggetti OLE oggetti esterni: gli oggetti OLE

Gli oggetti creati in un sistema GIS Gli oggetti creati in un sistema GIS

sono divisi in 3 categorie di utensili:sono divisi in 3 categorie di utensili:

Gli oggetti creati in un sistema GIS Gli oggetti creati in un sistema GIS

sono divisi in 3 categorie di utensili:sono divisi in 3 categorie di utensili:

I Dati sono suddivisi in classi uniformi o I Dati sono suddivisi in classi uniformi o LAYERSLAYERS

Fattori socialiFattori sociali

Bio-diversitàBio-diversità

Reti TecnologicheReti Tecnologiche

Uso del SuoloUso del Suolo

ValutazioniValutazioniAmbientaliAmbientali

Gli attributi associati ad un oggetto sono memorizzati in Gli attributi associati ad un oggetto sono memorizzati in

tabelle di database, con struttura relazionale: tabelle di database, con struttura relazionale:

DBRMS – Database Relative Management DBRMS – Database Relative Management

SystemSystem

I GIS usano la struttura DBRMS per la I GIS usano la struttura DBRMS per la

gestione delle relazioni tra i datigestione delle relazioni tra i dati

I GIS usano la struttura DBRMS per la I GIS usano la struttura DBRMS per la

gestione delle relazioni tra i datigestione delle relazioni tra i dati

• Selezioni grafiche

• Selezioni attraverso “Query”

(SQL - Structured Query Language)

• Selezioni grafiche

• Selezioni attraverso “Query”

(SQL - Structured Query Language)

I GIS hanno strumenti I GIS hanno strumenti di selezione di selezione

grafica e tramite formulegrafica e tramite formule

I GIS hanno strumenti I GIS hanno strumenti di selezione di selezione

grafica e tramite formulegrafica e tramite formule

• Classificazione dei Dati

• Comparazione dei Dati

• Buffer

• Overlay

• Modellazione spaziale

• Classificazione dei Dati

• Comparazione dei Dati

• Buffer

• Overlay

• Modellazione spaziale

Il GIS fornisce un insiemeIl GIS fornisce un insiemedi strumenti di Analisidi strumenti di Analisi

Il GIS fornisce un insiemeIl GIS fornisce un insiemedi strumenti di Analisidi strumenti di Analisi

La geografia riguarda . . .

. . . Tutto il mondo. . . Tutto il mondo. . . Tutto il mondo. . . Tutto il mondo

ambiente

difesasanità

Reti tecnologiche

natura

protezione del territorio

businessbeni culturali

Retielettriche

monitoraggio

Attività I.1.4 - Obiettivo Specifico I.1.4.1 - Attività I.1.4 - Obiettivo Specifico I.1.4.1 - Sviluppo ed Sviluppo ed impiego di metodologie geofisiche per impiego di metodologie geofisiche per

l’archeologia subacqueal’archeologia subacqueaProfilo 1.B.1 - Profilo 1.B.1 - Diagnostica mediante metodologie archeologiche, geofisiche Diagnostica mediante metodologie archeologiche, geofisiche

e geologiche integrate e tecnologie scientifiche avanzatee geologiche integrate e tecnologie scientifiche avanzate

ATTIVITA’ DI RICERCAATTIVITA’ DI RICERCAGRUPPO DI GEOFISICA MARINA NEL CENTRO REGIONALE DI GRUPPO DI GEOFISICA MARINA NEL CENTRO REGIONALE DI

COMPETENZACOMPETENZA

ARCHEOLOGIA SUBACQUEAARCHEOLOGIA SUBACQUEA

INNOVAINNOVA

Responsabile Scientifico Prof. Francesco Giordano

ASSEMBLAGGIO DI UN SISTEMA INTEGRATO ASSEMBLAGGIO DI UN SISTEMA INTEGRATO ACU-MAG PER INDAGINI SUBACQUEEACU-MAG PER INDAGINI SUBACQUEE

L’obiettivo del gruppo di ricerca è la realizzazione del Progetto: “Assemblaggio di un sistema integrato ACU-MAG per indagini subacquee abbinate spazialmente e temporalmente”

Tale sistema è idoneo anche alla scoperta di antiche linee di spiaggia sommerse, di erosioni marine, trasgressioni e regressioni, paleoalvei etc.

Il sistema ACU – MAG MAIN PROCESSOR (in fase di realizzazione) gestisce:

• SISTEMA D – SEISMIC per stratigrafie acustiche dei fondali• SISTEMA SIDE SCAN SONAR per il rilievo acustico degli oggetti

presenti sui fondali • SISTEMA MARINE MAGNETICS per rilievi magnetometrici

I tre componenti possono lavorare tutti e tre contemporaneamente in parallelo, oppure in coppia ovvero singolarmente.

ASSEMBLAGGIO DI UN SISTEMA INTEGRATO ASSEMBLAGGIO DI UN SISTEMA INTEGRATO ACU-MAG PER INDAGINI SUBACQUEEACU-MAG PER INDAGINI SUBACQUEE

D -SEISMICD -SEISMIC• E’ un sistema di alta potenza

di penetrazione e con altissima risoluzione, circa 10 volte superiore al sistema noto come Sparker al quale si ispira.

• E’ adatto, quindi, al rilievo di sottili stratificazioni del fondale marino (dell’ordine dei 25-30 cm) nonché di strutture o reperti sommersi sotto coltri di sedimento marino e quindi non rilevabili dall’ispezione visiva subacquea o dal Side Scan Sonar.

SPARKER SAM - 96

Side Scan SonarSide Scan Sonar• Il Side Scan Sonar è stato

modificato dal Costruttore (GeoAcoustics Ltd) per l’integrazione con D - SEISMIC.

• Con il Side Scan Sonar GeoAcoustics possono essere eseguite le mappature acustiche dei fondali e quindi anche dei reperti che su di esso si trovano adagiati e che risulteranno visibili da almeno una delle due frequenze di lavoro dello strumento 110 e 410 KHz.

MODEL 159D - SIDE SCAN FISH

Gradiometro Magnetico MarinoGradiometro Magnetico Marino

• Il Gradiometro Magnetico Marino è un sistema magnetometrico a doppia “testa” in grado di rivelare variazioni spaziali del Campo Magnetico.

• Esso segnala anche leggere anomalie del Campo Magnetico Terrestre Locale, in funzione della presenza di oggetti costituiti da materiali leggermente magnetizzati, in grado quindi di alterare leggermente il Campo Magnetico.

Elaborazioni GIS dei dati geofisiciElaborazioni GIS dei dati geofisici

Il risultato finale sarà una cartografia tematica integrata così strutturata:

• cartografia di base• dati di campagna interpretati (immagini Side

Scan georeferenziate, dati magnetometrici interpolati, dati sismo – stratigrafici interpretati)

• ricostruzione delle strutture archeologiche sommerse individuate

• eventuali foto subacquee del sito

Applicazione GIS al Parco Applicazione GIS al Parco archeologico Sommerso di Baiaarcheologico Sommerso di Baia

• Il Parco Archeologico sommerso di Baia parte integrante delle aree individuate per il Progetto dimostratore, è una zona di cui il gruppo di ricerca ha già operato in passato

• L’applicazione ha la finalità di confrontare i dati storici con quelli reperiti con il nuovo sistema, sia di mettere a punto la procedura di interpretazione semi – automatica, nonché di testare la precisione degli strumenti stessi.

Carta delle aree del ParcoCarta delle aree del Parco

Il GIS per un sito archeologico sommersoIl GIS per un sito archeologico sommerso

Un sistema GIS per un sito archeologico dovrà gestire i set di dati relativi a tutte le fasi della ricerca:

• Fase di Pianificazione

• Fase di post – processing

• Fase di elaborazione

Fase di pianificazioneFase di pianificazione

Necessaria per una razionale organizzazione della campagna, una valutazione dei costi in termini di tempo e di risorse, nonché per uno studio preliminare delle aree da indagare da un punto di vista ambientale, layers previsti:

1. cartografia dell’area, con sistema di coordinate appropriato

2. layer delle linee di navigazione, con sviluppo lineare della navigazione

3. layer della base station

4. layers relativi alle informazioni archeologiche già esistenti, come reperti già individuati

Carta del Piano di navigazione Carta del Piano di navigazione Campagna magnetometrica giugno 2003Campagna magnetometrica giugno 2003

Base Station Linee navigazione

Layers archeologici

Fase di post – processingFase di post – processing

Consente di analizzare in dettaglio, nonché sovrapporre, i dati di campagna in maniera uniforme all’interno di un unico progetto GIS, layers previsti:

5. Layer dei dati GPS di navigazione

6. Dati batimetrici interpolati

7. Dati magnetometrici interpolati

8. Dati sismo – stratigrafici interpretati

9. Foto subacquee dell’area, se presenti

Controllo della percentuale di copertura Controllo della percentuale di copertura areale dei dati GPSareale dei dati GPS

Elaborazione dati batimetrici e magnetometriciElaborazione dati batimetrici e magnetometrici

I dati batimetrici, così come quelli magnetometrici, sono elaborati in un sistema GIS, attraverso appositi strumenti di interpolazione, al fine di trasformare le misure da puntuali in continue.

Gli output che si possono ottenere nel caso dei dati batimetrici sono:

• isolinee di uguale profondità (isobate) – tipica elaborazione utilizzata per produrre una carta batimetrica dell’area

• DTM del fondale marino – necessario per ricostruire un paesaggio virtuale del sito archeologico sommerso.

Nel caso di dati magnetometrici, si utilizza il solo output delle isolinee del campo magnetico al fine di individuare le anomalie magnetiche che corrispondono alla presenza di reperti archeologici.

Carta batimetrica del Parco Carta batimetrica del Parco Archeologico sommerso di BaiaArcheologico sommerso di Baia

Carta magnetometrica del Parco Carta magnetometrica del Parco Archeologico sommerso di BaiaArcheologico sommerso di Baia

Elaborazione dati sismo – stratigraficiElaborazione dati sismo – stratigrafici

• I dati sismo – stratigrafici, che durante la campagna vengono registrati sotto forma di tracciati digitali, devono essere in primo luogo interpretati con appositi software utilizzati da un utente esperto quale un geologo o un geofisico

• L’interpretazione e quindi la restituzione GIS dei dati, dipende naturalmente dal tipo di strumento di misura utilizzato per la campagna geofisica: – uniboom – sparker – side scan sonar

Elaborazione dati sismo – stratigraficiElaborazione dati sismo – stratigrafici

• Nel caso di dati derivati da campagna UNIBOOM e/o Sparker, nel GIS è possibile inserire due tipi di informazioni:

– un file x, y, h dove h rappresenta lo spessore dello strato sedimentario accumulato in un determinato periodo. Questi dati vengono elaborati come quelli batimetrici e magnetometrici mediante interpolatori opportuni, ottenendo la volumetria dello strato sedimentario suddetto;

– un file x, y, z dove z rappresenta la profondità di un particolare tipo di materiale roccioso. Tale valore è dato dalla somma di due informazioni:z = z1 + z2 dove z1 è la profondità del fondale marino

z2 è la profondità dello strato nel sottosuolo

Questi dati vengono elaborati come quelli batimetrici e magnetometrici mediante interpolatori opportuni, ottenendo il posizionamento tridimensionale della superficie occupata da un materiale roccioso

Elaborazione dati Side Scan SonarElaborazione dati Side Scan Sonar

• Nel caso di dati derivanti da campagna Side Scan Sonar, nel GIS è possibile inserire la record SSS sottoforma di GEOTIF.

• Nel caso in cui il record non sia referenziato, il primo passo è la georeferenziazione mediante il comando georeferencing

• Infine mediante il comando Rettifica il GIS ricalcola il GRID (immagine in tono di grigio) ottimizzandolo rispetto al sistema di coordinate dell’area di studio.

Elaborazione di un record SSSElaborazione di un record SSS

Fase di elaborazioneFase di elaborazione

La fase finale consiste nella interpretazione dei dati processati da un punto di vista spaziale.

E’ necessario fare una distinzione fra i vari tipi di indagine geofisica:

- Dati batimetrici – calcolo dello SLOPE (massima variazione fra celle adiacenti del GRID)

- Dati magnetometrici – analisi di DENSITA’, (individuazione e misura delle anomalie del campo magnetico terrestre)

- Dati SSS – ricostruzione dei profili significativi del fondale marino (filtraggio con filtro a media mobile o passa basso dei valori di scala di grigio dell’immagine)

Calcolo dello Calcolo dello SlopeSlope

Analisi di DensitàAnalisi di Densità

Ricostruzione di un profiloRicostruzione di un profilo

ConclusioniConclusioni

In conclusione è possibile affermare che le avanzate analisi spaziali effettuate dai sistemi GIS consentono una gestione integrata dei dati geofisici derivanti da campagne marine nonché una efficace interpretazione degli stessi, facilitandone il confronto e la sovrapposizione sia incrociando dati diversi, sia archiviando serie storiche di dati omogenei riferiti alla stessa area geografica.

GEOFISICA MARINAE

GIS

per l’archeologia subacquea