DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L’AMMISSIONE AL II ANNO DI CORSO
Dottorando: Virginia Coletta Ciclo: XXXV
Curriculum: Infrastrutture, Sistemi di Trasporto e Geomatica Tutor: Prof. Mattia Giovanni Crespi Argomento della ricerca: The Role of Geomatic Methods and Techniques in the Study of the Impact of Extreme Climatic Events on Built Heritage
SEZIONE A Ricerca di Dottorato 1 – Acquisizione di conoscenze propedeutiche integrative
Durante il primo anno di dottorato sono state acquisite conoscenze propedeutiche per una migliore organizzazione della metodologia di ricerca scientifica. Per quanto riguarda la geomatica sono state approfondite nozioni riguardo al Positioning, ai Sistemi Informativi Territoriali e alle tecniche fotogrammetriche.
La natura del progetto di ricerca ha richiesto l’approfondimento di studi riguardanti la fotogrammetria satellitare, aerea e da drone, ponendo particolare attenzione alle tecniche per l’elaborazione di DEM (Digital Elevation Model). Lo sviluppo tecnologico degli ultimi anni ha reso necessario un approfondimento sui nuovi satelliti in orbita e le immagini da essi acquisite, valutandone le risoluzioni temporali e spaziali ed il costo.
Lo studio dei linguaggi di programmazione Python e Javascript è stato portato avanti parallelamente alle attività di ricerca svolte, per garantire un’adeguata gestione dei processi e delle attività inerenti l’utilizzo delle immagini. E’ stato inoltre acquisito un buon livello di competenza nell’utilizzo dei software Agisoft e Pix4D.
Essendo il progetto prettamente interdisciplinare è stato necessario acquisire conoscenze più approfondite nell’ambito delle materie attinenti all’attività di ricerca, nella fattispecie la Geologia, l’Idrogeologia, la Meteorologia. Al lavoro di ricerca si è aggiunto lo studio dell’evoluzione storica dei siti archeologici in esame.
2 – Ricerca bibliografica svolta
Libri fondamentali1. Kraus, K. (2011). Photogrammetry: geometry from images and laser scans. Walter de Gruyter.
Articoli sulla generazione dei DEM a partire da immagini da drone, da aereo e da satellite
2. Uysal, M., Toprak, A.S. and Polat, N., 2015. DEM generation with UAV Photogrammetry and accuracy analysis in Sahitler hill. Measurement, 73, pp.539-543.
3. Jacobsen, K., 2003. DEM generation from satellite data. EARSeL Ghent, 273276(4).
4. Crosetto, M., 2002. Calibration and validation of SAR interferometry for DEM generation. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 57(3), pp.213-227.
5. Fabris, M. and Pesci, A., 2005. Automated DEM extraction in digital aerial photogrammetry: precisions and validation for mass movement monitoring. Annals of Geophysics, 48(6).
6. Schiefer, E. and Gilbert, R., 2007. Reconstructing morphometric change in a proglacial landscape using historical aerial photography and automated DEM generation. Geomorphology, 88(1-2), pp.167-178.
7. Uysal, M., Toprak, A.S. and Polat, N., 2015. DEM generation with UAV Photogrammetry and accuracy analysis in Sahitler hill. Measurement, 73, pp.539-543.
Articoli sull’utilizzo di immagini satellitari
8. Drusch, M., Del Bello, U., Carlier, S., Colin, O., Fernandez, V., Gascon, F., Hoersch, B., Isola, C., Laberinti, P., Martimort, P. and Meygret, A., 2012. Sentinel-2: ESA's optical high-resolution mission for GMES operational services. Remote sensing of Environment, 120, pp.25-36.
9. Martimort, P., Arino, O., Berger, M., Biasutti, R., Carnicero, B., Del Bello, U., Fernandez, V., Gascon, F., Greco, B., Silvestrin, P. and Spoto, F., 2007, July. Sentinel-2 optical high resolution mission for GMES operational services. In 2007 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (pp. 2677-2680). IEEE.
10. Torres, R., Snoeij, P., Geudtner, D., Bibby, D., Davidson, M., Attema, E., Potin, P., Rommen, B., Floury, N., Brown, M. and Traver, I.N., 2012. GMES Sentinel-1 mission. Remote Sensing of Environment, 120, pp.9-24.
11. D'Odorico, P., Gonsamo, A., Damm, A. and Schaepman, M.E., 2013. Experimental evaluation of Sentinel-2 spectral response functions for NDVI time-series continuity. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 51(3), pp.1336-1348.
12. Du, Y., Zhang, Y., Ling, F., Wang, Q., Li, W. and Li, X., 2016. Water bodies’ mapping from Sentinel-2 imagery with modified normalized difference water index at 10-m spatial resolution produced by sharpening the SWIR band. Remote Sensing, 8(4), p.354.
13. Twele, A., Cao, W., Plank, S. and Martinis, S., 2016. Sentinel-1-based flood mapping: a fully automated processing chain. International Journal of Remote Sensing, 37(13), pp.2990-3004.
Articoli su Google Earth Engine
14. Gorelick, N., Hancher, M., Dixon, M., Ilyushchenko, S., Thau, D. and Moore, R., 2017. Google Earth Engine:
Planetary-scale geospatial analysis for everyone. Remote sensing of Environment, 202, pp.18-27.
15. DeVries, B., Huang, C., Armston, J., Huang, W., Jones, J.W. and Lang, M.W., 2020. Rapid and robust monitoring of flood events using Sentinel-1 and Landsat data on the Google Earth Engine. Remote Sensing of Environment, 240, p.111664.
Possibili scenari climatologici, all’interno di siti archeologici, sviluppati usando tecnologie geomatiche
16. Anzidei, M., Doumaz, F., Vecchio, A., Serpelloni, E., Pizzimenti, L., Civico, R., Greco, M., Martino, G. and Enei, F., 2020. Sea level rise scenario for 2100 AD in the heritage site of Pyrgi (Santa Severa, Italy). Journal of Marine Science and Engineering, 8(2), p.64
17. Ravanelli, R., Riguzzi, F., Anzidei, M., Vecchio, A., Nigro, L., Spagnoli, F. and Crespi, M., 2019. Sea level rise scenario for 2100 AD for the archaeological site of Motya. Rendiconti Lincei. Scienze Fisiche e Naturali, 30(4), pp.747-757.
Articoli su Pyrgi
18. Baglione, M.P., Belelli Marchesini, B., Carlucci, C. and Michetti, L.M., 2017. Pyrgi, harbour and sanctuary of Caere: landscape, urbanistic planning and architectural features. Archeologia e calcolatori, 28(2), pp.201-210.
19. Orlando, L., Michetti, L.M., Belelli Marchesini, B., Papeschi, P. and Giannino, F., 2019. Dense georadar survey for a large‐scale reconstruction of the archaeological site of Pyrgi (Santa Severa, Rome). Archaeological Prospection, 26(4), pp.369-377.
Articoli su Paestum
20. Antonella, A., Maria, P.A., Sandra, R., Ada, R. and Rosanna, P., 2000, January. The temples of the archaeological area of Paestum (Italy): a case study on biodeterioration. In Proceedings of the 9th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone (pp. 433-443). Elsevier Science BV.
Articoli su Piazza Armerina
21. Capizzi, P., Martorana, R., Messina, P. and Cosentino, P.L., 2012. Geophysical and geotechnical investigations to support the restoration project of the Roman ‘Villa del Casale’, Piazza Armerina, Sicily, Italy. Near Surface Geophysics, 10(2), pp.145-160.
Articoli sulla mappatura delle alluvioni
22. Pulvirenti, L., Pierdicca, N., Chini, M. and Guerriero, L., 2011. An algorithm for operational flood mapping from synthetic aperture radar (SAR) data based on the fuzzy logic. Natural Hazard and Earth System Sciences.
23. Wang, J.J., 2015. Flood risk maps to cultural heritage: Measures and process. Journal of Cultural Heritage, 16(2), pp.210-220.
Articoli sui possibili danni causati da eventi alluvionali su siti archeologici
24. Bonazza, A., Maxwell, I., Drdácký, M., Vintzileou, E. and Hanus, C., 2018. Safeguarding Cultural Heritage from Natural and Man-Made Disasters: A comparative analysis of risk management in the EU.
25. Drdácký, M.F., 2010. Flood damage to historic buildings and structures. Journal of Performance of Constructed Facilities, 24(5), pp.439-445.
26. Herle, I., Herbstová, V., Kupka, M. and Kolymbas, D., 2010. Geotechnical problems of cultural heritage due to floods. Journal of Performance of Constructed Facilities, 24(5), pp.446-451.
3 – Resoconto dello stato delle conoscenze relative alla tematica di ricerca
Lo studio sulla conservazione del patrimonio culturale appare molto complesso a causa delle singolari caratteristiche che ogni sito possiede. La sinergia tra differenti discipline può fornire un aiuto notevole per la salvaguardia del Patrimonio. Le tecniche e gli strumenti della geomatica offrono la possibilità di ottenere differenti informazioni, non solo dalle attività di rilievo, ma anche dalla rappresentazione e dalla visualizzazione, così da avere una descrizione anche a livello metrico del territorio e delle strutture. Spesso il rischio cui è soggetto un bene culturale e paesaggistico è relazionato alla morfologia dell’area in cui si trova. Per avere un’idea dettagliata della superficie terrestre vengono sviluppati modelli DEM (Digital Elevation Model), che si suddividono in DTM (Digital Terrain Model), dove si evidenzia l’andamento della superficie geodetica, e DSM (Digital Surface Model), dove vengono inclusi tutti gli oggetti naturali e non, insistenti sul terreno. Le tecnologie geomatiche più utilizzate in questo settore sono la fotogrammetria aerea e satellitare, i metodi topografici classici, e il Laser Imaging Detection and Ranging (LIDAR). Per quanto riguarda lo studio di singole strutture e la valutazione dello stato in cui vertono si utilizzano in prevalenza la fotogrammetria terrestre o da drone e il laser scanner terrestre. La fotogrammetria, da sola o integrata col laser scanner, è importante per la visualizzazione dell’oggetto di studio e per le relative analisi strutturali, poiché a una precisa informazione metrica, essa associa una descrizione fotografica di alta qualità che si rivela di aiuto nelle operazioni di restauro e fornisce buoni risultati per valutare la risposta di un’opera o di un sito a eventi estremi che ne pregiudicano la conservazione. Anche il campo della meteorologia ha incrementato la capacità di fornire affidabili stime di precipitazione ad alte risoluzioni spaziali e temporali. L’idrogeologia, di conseguenza, beneficia di questo miglioramento fornendo dati di inondazioni sempre più precisi. Fino ad ora i suddetti strumenti sono stati utilizzati prevalentemente per fornire una valutazione dei danni subiti dal Patrimonio in conseguenza al verificarsi degli eventi catastrofici. La necessità attuale è la creazione di mappature del rischio alluvionale e idrogeologico per beni culturali e paesaggistici, di cui attualmente vi è carenza. Le tecnologie geomatiche, usate congiuntamente a modelli meteorologici e idrogeologici, possono fornire con costi contenuti tali mappe, così da ridurre la vulnerabilità dei siti e garantirne la conservazione.
Durante il primo anno di dottorato sono stati definiti i siti di studio. Attraverso immagini satellitari, raccolte ed elaborate utilizzando la piattaforma web Google Earth Engine, è stato valutato l’allagamento dei siti e l’eventuale tempo di ritorno di tale fenomeno. I periodi di allagamento sono stati comparati con le grandezze meteorologiche così da valutare la causa del suddetto evento. Utilizzando le immagini da drone attraverso il software Agisoft è stato sviluppato un DSM, in modo da valutare la morfologia del terreno ed eventuali punti di accumulo d’acqua. Infine, immagini aeree storiche sono state analizzate per definire i cambiamenti d’uso del suolo nell’intorno e all’interno delle aree archeologiche.
4 – Ricognizione delle attività in corso presso centri di ricerca nazionali ed internazionali
La conservazione dei beni culturali ha da sempre rappresentato una tematica di ricerca e sviluppo sia in ambito accademico che industriale. Negli ultimi anni lo sviluppo repentino di tecnologie e metodologie geomatiche ha spinto i ricercatori a trovare nuove soluzioni, garantendo una buona precisione a costi bassi.
Un notevole contributo è fornito da Copernicus, già noto come GMES (Global Monitoring for Environment and Security), un complesso programma di osservazione satellitare della Terra, lanciato nel 1998 dalla Commissione Europea e da un pool di agenzie spaziali. Copernicus si basa su sei tipologie di satelliti, chiamati Sentinel, specializzati in precise applicazioni. In particolare, Sentinel-1 è equipaggiato con radar interferometrici, utili per valutare la presenza di acqua sul
suolo. Sentinel-2, invece, satellite ottico, è stato progettato per l’osservazione multi-spettrale garantendo un continuo monitoraggio delle aree di interesse. Inoltre, utilizzando determinate bande di quest’ultimo possono essere ricavati degli indici sullo stato della vegetazione e del suolo, evidenziando la presenza di acqua o la totale siccità, che possono essere utilizzati per valutare lo stato del terreno. Le immagini registrate da tali satelliti sono gratuite e disponibili sulla piattaforma Google Earth Engine.
L’avvento dei droni ha fornito un grande contributo nella ricerca, con la possibilità di raccogliere immagini di altissima qualità del bene culturale oggetto di studio. Inoltre, attraverso software specifici (ad esempio Agisoft, Pix4D, etc), da tali immagini è possibile ricostruire modelli digitali del terreno con elevata accuratezza. Elaborando tali modelli nel corso di differenti anni si possono evidenziare le differenze morfologiche all’interno dell’area.
Anche nel campo della climatologia sono stati fatti enormi passi avanti e una gran mole di ricerca è in corso in tale ambito. La ricerca di modelli di previsione più precisa procede molto velocemente. I dati sono messi a disposizione gratuitamente e il loro utilizzo consentirà di valutare le protezioni più idonee a garantire la corretta conservazione del patrimonio culturale.
5 – Definizione della ricerca di dottorato
Considerando lo stato dell’arte e le nuove disponibilità tecnologiche, l’intento del progetto di ricerca è studiare nuove applicazioni e opportunità che l’unione tra geomatica, meteorologia e idrogeologia offre nell’ambito del Patrimonio Culturale, con l’obiettivo finale di fornire mappature del rischio idrogeologico e alluvionale così da ridurre l’impatto dovuto ad eventi climatici estremi sui siti archeologici. A tal fine, il progetto è svolto in stretta collaborazione L’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e Climatologia (CNR-ISAC) e con l’Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica (CNR-IRPI) del Consiglio Nazionale delle Ricerche.
L’analisi sarà svolta su tre aree archeologiche, in zone soggette a eventi alluvionali frequenti, che causano inondazioni dei siti e relativi problemi alle strutture. Il primo, in sede regionale, è Pyrgi, un porto di epoca etrusca ancora in fase di sc avo, situato in zona Santa Severa (RM), che ha subito eventi alluvionali piuttosto frequenti, caratterizzati da un forte trasporto di fanghi e permanenza dell’acqua nel sito, capaci di provocare danni e ritardare gli scavi. Il secondo, su scala nazionale, è Paestum (NA): i danni a livello meteorologico, causati da alluvioni sempre più frequenti e violenti, anche essi caratterizzati da trasporto solido e fanghi, interessano soprattutto il tempio di Nettuno, accelerandone il deterioramento strutturale. Il terzo, sempre a livello nazionale, è la Villa del Casale, a Piazza Armerina (EN) in Sicilia, sito di epoca romana vittima di danni rilevanti dovuti ai problemi idrogeologici della zona circostante. Infatti, anche in questo caso vi è un trasporto di solidi e fanghi provenienti dalle colline adiacenti che impattando le strutture del sito le danneggiano; inoltre, essendo posto in una vallata, è soggetto a inondazioni che causano danni strutturali. I siti saranno esaminati effettuando tre differenti attività:
- Uno studio preliminare, basato su informazioni storiche, per analizzare i cambiamenti già verificatisi nei siti di progetto (a);
- Un’analisi attuale della situazione (b);
- Un modello previsionale per la stima degli eventi nel futuro (c).
Punto a
Attraverso ricerche di archivio sono stati analizzati i dati forniti da cartografia storica per valutare i cambiamenti subiti a livello territoriale, sia all’interno dei siti d’interesse che nelle zone limitrofe, dovuti a differenti fattori, in primis fattori antropici su larga scala, quali l’incremento dell’urbanizzazione nel territorio, il cambiamento di uso del suolo e la cementificazione nell’intorno. Concentrando l’attenzione sul sito, sono stati studiati gli interventi di restauro e il relativo impatto a livello idrogeologico. L’altro fattore meritevole di analisi è stato l’impatto ambientale su tali strutture, ovvero come i cambiamenti del clima e delle precipitazioni abbiano influito sui territori circostanti e sugli elementi di interesse archeologico. Lo studio è pertanto condotto in comparazione con i dati pluviometrici, ponendo particolare attenzione ai fenomeni metereologici estremi avvenuti nella storia conosciuta.
Le informazioni pluviometriche sono state fornite dalla Protezione Civile che ha messo a disposizione serie storiche di pioggia ricavate dalle misure delle reti pluviometriche a terra.
Punto b
Lo studio della situazione attuale dei siti in esame verterà su piani differenti. Verranno operati sopralluoghi per valutare le condizioni odierne dei siti e delle strutture, acquisendo immagini attraverso differenti tecniche geomatiche su scale diversificate. Sulle mappe di grandi dimensioni sono state effettuate indagini per definire le reti idriche presenti e valutare la morfologia del terreno e delle strutture attraverso immagini aeree e satellitari e da drone, attraverso l’utilizzo del software Agisoft. Su scala minore si ricorrerà a tecniche di fotogrammetria terrestre per evidenziare eventuali cedimenti e danni strutturali. Queste informazioni raccolte saranno correlate a dati metereologici. Infine, verranno effettuati rilievi idrogeologici per valutare la condizione attuale dei bacini idrici e dell’acqua nel sottosuolo per i siti in esame. Tutti i risultati verranno esaminati congiuntamente con lo scopo di valutare la risposta strutturale dei beni agli eventi metereologici e idrogeologici.
Punto c
L’utilizzo di un modello climatologico, avente al suo interno un data set di precipitazione, permetterà infine di valutare gli effetti a livello del territorio (sulle reti idriche) e i possibili danni sui beni d’interesse. Questo potrebbe rappresentare una base conoscitiva per l’avvio di futuri restauri.
6 – Cronoprogramma
n. Attività I Anno (consuntivo) II Anno III Anno
I II III IV I II III IV I II III IV
1 Ricerca bibliografica e aggiornamento allo stato dell’arte
X X X X X X X X X X X X
2 Analisi immagini aeree X X X X X
3 Valutazione cambiamento uso suolo X X X X
4 Generazione DEM X X X X X
5 Monitoraggio satellitare X X X X X X X X X X X
6 Costruzione metodologia X X X
7 Validazione metodologia X X X X
SEZIONE B
Attività di collaborazione e supporto; formazione ed acquisizione di capacità evolute 1 – Partecipazione alle attività di didattica presso la struttura di afferenza
Supporto alla didattica frontale e collaborazione nel ricevimento degli studenti nei corsi:
- Topografia (Positioning) – Prof. Mattia Crespi – Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio (1° Livello) 2 – Attività di formazione
Convegni
- Novembre 2019 – Roma (Italia) – Space week Workshop:
- Novembre 2019 – Roma (Italia) - Stato dell’arte e prospettive nella prevedibilità degli eventi naturali - Novembre 2019 – Rovereto (Italia) - Hack for the future
SEZIONE C Informazioni
(Tale sezione contiene le informazioni richieste alla fine ogni anno dall’Ufficio Dottorati)
1) Titolare di borsa erogata dalla Sapienza - Università di Roma SI □ NO □
2) Nazionalità: Italiana
3) Dottorato in cotutela SI □ NO □
(se si indicare il cotutore Stefano Dietrich, Alessandra Bonazza, Paolo Allasia)
4) Dottorato con doppio titolo SI □ NO □
5) Borsa con finanziamento esterno SI □ NO □
6) Università di provenienza: Sapienza - Università di Roma
7) Numero di mensilità di ricerca spese in una struttura di ricerca estera: 0
8) Finanziamenti all’interno di reti internazionali di formazione alla ricerca SI □ NO □
9) Pubblicazioni e altri prodotti degli ultimi 3 anni
Per le aree bibliometriche.
Articoli su rivista indicizzata Scopus/Web of Science:
[1]
Mascitelli, A., Coletta, V., Bombi, P., De Cinti, B., Federico, S., Matteucci, G., Mazzoni, A., Muzzini, V. G., Petenko, I., & Dietrich, S. (2019). Tree Motion: following the wind-induced swaying of arboreous individual using a GNSS receiver.Italian Journal of Agrometeorology, (3), 25-36.
Codice identificativo: https://doi.org/10.13128/ijam-512
Impact Factor rivista: 0.933
