CAPITOLO 4
Il GPR in Italia
4.1. Il progetto ARCHEORADAR
Il sistema ARCHEORADAR è stato finanziato nell’ambito dei Piani di Potenziamento della Rete Scientifica e Tecnologica avviati dal Ministero della Ricerca Scientifica e Tecnologica (MURST, oggi MIUR).
Esso era un sistema radar specializzato nell’indagine non invasiva in campo archeologico e nei Beni Culturali.
Il soggetto promotore del progetto è stata la Soprintendenza per i Beni Culturali del Molise.
Il progetto si proponeva lo sviluppo, nell’ambito della tecnologia GPR, di un sistema radar da utilizzare per le ricerche archeologiche e per la salvaguardia dei Beni Culturali, per permettere di condurre indagini non invasive, finalizzate, non solo al ritrovamento di antiche testimonianze, ma anche per la programmazione delle successive attività di scavo una volta individuati i reperti.
Il progetto si proponeva inoltre di specializzare il sistema, mediante tecniche a più alta frequenza (cioè aumentando la risoluzione del sistema), per il controllo di manufatti, mura, affreschi e statue. Per questo motivo il sistema è stato sviluppato per lavorare con frequenze variabili da 50-100 MHz fino a 1,6 GHz, con profondità di penetrazione che varia da pochi centimetri fino ad oltre 5 metri, a seconda della risoluzione necessaria.
Il progetto si proponeva il raggiungimento dei seguenti obiettivi.
• Sviluppo di un sistema radar specializzato all’indagine non invasiva in campo archeologico ed alla salvaguardia dei beni culturali.
• Addestramento di personale tecnico della Soprintendenza e la formazione di giovani tecnici esperti nell’utilizzo di tale sistema.
• Conduzione di campagne di sperimentazione in siti reali allo scopo di effettuare una qualificazione della strumentazione e una messa a punto delle metodologie di lavoro.
4.1.2. Applicazioni
Come si è detto precedentemente i due settori principali in cui il sistema sviluppato ha avuto applicazione sono l’archeologia ed i Beni Culturali.
Archeologia:
• Mappatura e ricerca su vasta scala di aree archeologiche. • Mappatura e ricerca di dettaglio su aree di intervento.
• Progetto delle attività di scavo ed adeguamento di piani di sicurezza.
Beni Culturali:
• Diagnostica su pareti, murature e strutture di vario genere.
• Studio ed analisi dei pavimenti e delle strutture portanti di costruzioni. • Indagini su affreschi e statue.
Il vantaggio derivato dal suo utilizzo in questi settori è essenzialmente dato dal fatto che per mezzo delle indagini non invasive si possono ottenere delle valutazioni tecniche, storiche e culturali sulle zone interessate. Inoltre con indagini più dettagliate su aree limitate si può ottenere una programmazione mirata ed efficace degli interventi da effettuare.
4.1.3. Vantaggi
o Grazie alla caratteristica non distruttiva della tecnica mediante la quale viene effettuata l’indagine della superficie, non si hanno alterazioni di alcun genere dell’area di indagine.
o Capacità di individuare le strutture del sottosuolo, naturalmente facendo un compromesso tra profondità (alcuni metri) e risoluzione ottenibile (alcuni centimetri), con una nuova tecnica che si affianca a quelle già esistenti (sismologia, raggi X, ecc) utilizzate però per indagini del solo strato superficiale. o Capacità di penetrazione e risoluzione variabili in funzione delle esigenze
operative mediante l’impiego di diverse gamme di frequenze.
o Capacità della strumentazione di fornire una informazione volumetrica e tridimensionale del sottosuolo.
o Capacità di ottenere, con l’ausilio di tecniche di posizionamento precise (GPS), la perfetta ubicazione dei reperti una volta individuati.
o Caratteristiche estremamente operative e costi ridotti degli strumenti di rilievo e di elaborazione dei dati.
4.1.4. Sistema di acquisizione dei dati
Il sistema di rilievo dei dati è costituito da un’unità di acquisizione multicanale basata su un PC a basso consumo, alimentato da batterie, contenente l’hardware necessario per il pilotaggio della testata radar e corredato del software necessario per il controllo dell’acquisizione dei dati.
In particolare per il sistema ARCHEORADAR è stato messo a punto un software per la visualizzazione on-site , cioè per fornire una interpretazione dei dati e una caratterizzazione del sito direttamente nel momento in cui vengono registrati i dati. Tale sistema è tratto dalla linea di produzione del RIS 2K/S (Radar per Introspezione da superficie specializzato nella ricerca di Sottoservizi) sviluppato dalla IDS Ingegneria dei sistemi Spa.
un array di antenne multifrequenza (ovvero operanti a frequenze diverse in modo da garantire prestazioni variabili in termini di penetrazione e di risoluzione), integrato in un dispositivo meccanico per il movimento (carrello antenne) e corredato di un dispositivo per il pilotaggio elettronico dell’array, costituito da sensori ad alta o bassa frequenza che regolano la frequenza delle antenne in base alle applicazioni. In particolare per le applicazioni archeologiche si utilizzano gli array a bassa frequenza per raggiungere profondità più elevate (fino a 3 metri), per le applicazioni ai beni culturali si utilizzano gli array alle alte frequenze per ottenere una migliore risoluzione.
4.1.5. Il sistema di elaborazione dei dati
Per l’elaborazione dei dati è stata integrata una stazione basata su un PC, corredata di un software in grado di elaborare dati provenienti sia da singole antenne che da array, anche a frequenze e polarizzazioni diverse; di visualizzare sezioni tomografiche multiple, e dotato di un link interattivo con il sottosistema CAD, il quale consente di trasferire in tempo reale informazioni radar in una cartografia del sito di indagine o, nel caso di manufatti, in un modello CAD.
L’elaborazione dei dati, comprendente i filtraggi per la rimozione dei disturbi e del rumore, l’equalizzazione del guadagno, l’elaborazione tomografica e la stima dei parametri è completamente automatico in modo tale da garantire elevate prestazioni in tempi di lavoro relativamente ridotti.
L’utilizzo dell’ambiente CAD 3D ha lo scopo di garantire una rappresentazione dei dati radar con una conversione automatica tra le coordinate radar e quelle fisiche con il vantaggio di evitare eventuali errori umani, di garantire una riduzione dei tempi di lavoro e la produzione di risultati direttamente utilizzabili da esperti dei settori archeologico o dei beni culturali i quali non abbiano esperienza specialistica in campo georadar.
4.1.6: Campagne di sperimentazione
Le campagne di sperimentazione sono state condotte in tre zone del Molise in cui anticamente sorgevano tre imponenti centri abitati romani.
Sepino-Altilia
Sepino-Altilia è un’antica città romana del V-VI secolo a.C. dove si sviluppò il primo centro abitato del popolo dei Sanniti Pentri.
All’interno di questo sito archeologico sono state condotte indagini archeoradar nelle aree di seguito elencate:
Il teatro: l’edificio più importante della città, risalente al II-IV sec. d.C, situato all’interno della città e più precisamente nella zona nord, a ridosso delle mura di cinta (fig. 4.1).
Il foro: era il centro di tutte le attività della città (fig. 4.2).
Il macellum: era l’antico mercato, chiamato macellum perché era il luogo adibito al macello delle carni (fig. 4.3).
L’edificio termale (fig. 4.4).
Fig.4.1. Il teatro.
Fig.4.3. Il “macellum”.
Fig.4.4. L’edificio termale.
Di seguito sono riportate delle figure in cui sono indicate le anomalie riscontrate durante le ricerche (fig. 4.5), e la rappresentazione tridimensionale ottenuta con il CAD 3D e i relativi scavi condotti (fig. 4.6).
Fig.4.6. Rappresentazione 3D delle anomalie ed i relativi scavi effettuati.
Venafro
Fondata da Diomede e poi occupata dai Romani nell’88 a.C.,Venafro è un’antica città di notevole importanza storico-archeologica ed oggi sede di un importante museo civico. Essa ci riserva un immenso patrimonio di reperti ancora da scoprire e l’intento delle ricerche con l’Archeoradar è di riportarlo alla luce.
Le ricerche sono state effettuate nelle seguenti zone:
Intorno al teatro romano, di cui riportiamo una piantina in figura 4.7. Intorno alle terme.
Fig.4.7. Pianta del teatro di Venafro.
Larino
Antica e ricchissima città romana, e abbandonata nell’alto medioevo in seguito ai ripetuti attacchi dei Saraceni (in figura 4.8 è riportata una pianta della città).
All’interno di questo sito archeologico sono state condotte indagini archeoradar nelle seguenti aree:
Area adiacente all’anfiteatro. Area adiacente Villa Zappone. Torre S. Anna.
4.2. Serra di Vaglio [18]
Serra di Vaglio rappresentava, intorno al V-VII sec. d.C., una delle principali città dell’entroterra della Basilicata in quanto sorgeva sulle rive del fiume Basento che era una delle più importanti arterie di comunicazione tra la colonia greca del Metaponto e la costa tirrenica.
Il sito archeologico è organizzato in due livelli: un livello superiore costituito dagli edifici principali della città, generalmente costituiti da un basamento di pietre, ricoperto da un tetto di paglia, ed un livello inferiore in cui sorgevano le abitazioni comuni. In figura 4.9 è mostrata una veduta della zona.
Il primo passo compiuto è stato quello di ottenere una mappatura magnetica della zona, ottenuta utilizzando il G-858 GEOMETRICS, un magnetometro al vapore di cesio, con due sensori magnetici posti verticalmente alla superficie e distanziati di circa un metro l’uno dall’altro per eliminare le variazioni dovute al campo magnetico terrestre. Per accelerare i tempi, l’acquisizione dei dati è stata effettuata seguendo una serpentina lungo la superficie raccogliendo i dati lungo due direzioni. I dati sono stati raccolti in modo non continuo seguendo una griglia di acquisizione con salti di 0,5 metri e variando la frequenza ogni volta di 10 Hz.
Una volta individuate le anomalie, il GPR è stato utilizzato per individuare esattamente la loro profondità. E’ stato utilizzato un SIR (Subsurface Interface Radar) prodotto dalla Geophysical Survey System. La frequenza delle antenne è stata scelta pari a 400 MHz e sono stati ricavati 13 profili paralleli, distanziati di un metro l’uno dall’altro, in modo continuo arrivando ad una profondità pari a circa 18 metri (corrispondente ad un two-way travel time di 60 nsec).
Come si può vedere dalla figura 4.10 sono state ricavate 5 mappe magnetiche:
A. utilizzata come test preliminare su una superficie di 125 m per testare l’efficienza dell’acquisizione dei dati su dei reperti che affioravano in superficie.
2
B. su una superficie di 875 m vicino agli scavi. 2 C. su una superficie di 600 m . 2
D. su una superficie di 168 m . 2 E. su una superficie di 173,25 m . 2
Nel sito (C) è stata poi effettuata una ricerche tramite GPR su una superficie di 17x12 m2.
Fig.4.10. Localizzazione delle 5 zone investigate.
In figura 4.11 è mostrata la mappa magnetica del sito (C) ottenuta. In essa si nota una forte anomalia di circa 6 m nella parte centrale, certamente non attribuibile ad una costruzione, con un’intensità di circa 70 nT/m.
2
Nella parte alta della mappa si notano due anomalie che si estendono per circa 10 metri e di intensità pari a circa 20 nT/m, probabilmente generate da costruzioni. Infine si può notare una quarta anomalia che si estende in diagonale che ha la particolarità di non essere continua e per questo probabilmente è associabile ad una struttura collassata. Il rettangolo indica la zona in cui è stato applicato il GPR per ottenere informazioni sulla profondità dell’oggetto che ha provocato l’anomalia principale.
Fig.4.11. Mappa magnetica della zona C.
Le immagini ottenute sono mostrate, in tre dimensioni, nelle figure 4.12 e 4.13 e, come vediamo, la presenza delle anomalie precedentemente individuate è stata verificata anche con il GPR. In particolare dalla sezione radar di figura 4.12 si individua esattamente l’anomalia principale: essa è localizzata tra i 6,5-7,5 metri lungo la direzione di acquisizione ad una profondità di circa 1 metro (corrispondente ad un two-way travel time di circa 5 ns).
In figura 4.13 invece si riscontrano le anomalie corrispondenti alla anomalia diagonale nella mappa magnetica. Si individua un’anomalia che si estende tra 0-3,5 m lungo la direzione di acquisizione ad un profondità di 1-2 m ed un’altra anomalia tra 8-10 m lungo la direzione di acquisizione ad una profondità di 1-2 m.
Fig.4.12. Sezione dell’immagine radar 3D che mostra l’anomalia riscontrata.
Fig.4.13. Sezione radar 3D che mostra le anomalie corrispondenti a quella diagonale individuata nella mappa magnetica.
In figura 4.14 è riportata la mappa magnetica del sito (D). L’aspetto più interessante di questa mappa è la presenza di una larga anomalia di intensità pari a circa 10 nT/m localizzata in alto a destra ed un’altra di forma allungata nella parte centrale di intensità circa pari a 15 nT/m.
Fig.4.14. Mappa magnetica del sito D.
Nell’area contrassegnata dal rettangolo sono stati poi effettuati degli scavi. Come si può notare dalla figura 4.15 in corrispondenza della grossa anomalia sono stati rinvenuti numerosi oggetti di terracotta, mentre nella zona centrale si notano resti di una costruzione.
Fig.4.15. Fotografia dell’area in cui sono stati effettuati gli scavi.
4.3. Lecce [19]
Studi con il GPR sono stati effettuati anche nella città di Lecce dall’Osservatorio di Fisica della Terra e dell’Ambiente (OFCTA) del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Lecce.
Alla fine dell’analisi, nel capitolo 5, saranno riportate delle immagini elaborate con MATLAB utilizzando alcuni dati che la Dott.ssa Nuzzo ci ha gentilmente inviato,e i risultati delle elaborazioni effettuate.
4.3.1. Descrizione del sito
La zona in cui sono state effettuate le ricerche è Piazza Tito Schipa, un’area di circa 10000 m2, asfaltata ed adibita a parcheggio, del centro di Lecce (vedi figura 4.16).
Fig.4.16. Localizzazione della città di Lecce (a) e fotografia di Piazza Tito Schipa (b).
La città di Lecce è quasi interamente costruita su un particolare tipo di terreno costituito da argilla e pietre calcaree, risalenti al periodo Miocenico, chiamate “Pietra Leccese”, utilizzate, fino a qualche decennio fa, per la costruzione degli edifici.
Nella zona, vicino ad una cappella esistita anticamente, fu costruita nel 1432 una basilica francescana, utilizzando appunto la “Pietra Leccese”. Nel 1861 la basilica fu trasformata in caserma militare (Caserma Oronzo Massa) e subì numerose modifiche fino alla sua completa distruzione nel 1971.
L’area investigata è situata appena fuori il centro storico di Lecce, vicino al Castello di Carlo V (XVI secolo) e l’anfiteatro romano (II secolo), per questo motivo la zona contiene reperti archeologici di vario genere.
Precedentemente alle ricerche era stata fatta una proposta che prevedeva la trasformazione dell’intera area in un centro commerciale con annesso un parcheggio sotterraneo. Per questo motivo, per prevenire la distruzione di potenziali reperti archeologici durante la costruzione del parcheggio, la Soprintendenza
all’Archeologia della Puglia ha avviato le ricerche in collaborazione con l’Università di Lecce.
Nel luglio del 1997 l’OFCTA ha effettuato le prime ricerche utilizzando il GPR per ottenere una dettagliata mappatura dei reperti e di altri oggetti sotterranei (come tubature ed altro) prima di effettuare gli scavi.
In figura 4.17 è indicata una pianta della zona dove sono indicate le aree in cui sono state effettuate le ricerche.
Fig.4.17. Pianta dell’area e della caserma O. Massa prima della sua distruzione. Sono riportati alcuni profili acquisiti (L10, L16a, L13b, T24), E1, E2, E3 indicano alcuni scavi archeologici.
I dati sono stati raccolti utilizzando un SIR-2 (Subsurface Interface Radar System-2) prodotto dalla Geophysical survey Systems (GSSI).
Sono state utilizzate due antenne e frequenze diverse, una a 100 MHz (GSSI modello 3207) ed una a 500 MHz (GSSI modello 3102 A), ma gran parte delle ricerche sono state effettuate a 500 MHz, perchè la risoluzione ottenuta con 100 MHz non era soddisfacente.
Inizialmente è stata fatta una ricerca di ricognizione sull’intera area con profili orientati da Sud a Nord acquisiti ad intervalli di 5 metri.
La più alta densità di anomalie è stata riscontrata nell’area A di figura 4.18 ed in particolare, nell’area B è stata riscontrata una forte anomalia di tipo iperbolico. Per questo motivo in questa zona sono state effettuate delle ricerche più dettagliate con profili acquisiti ad una distanza di un metro l’uno dall’altro, inoltre, nell’area B sono stati poi acquisiti dei profili ortogonali per definire meglio lo sviluppo planimetrico dell’anomalia iperbolica.
Fig.4.18. Area A ed area B con relativi profili acquisiti.Il punto indicato con un marchio indica il centro della zona in cui è stato acquisito un CDP per la stima della velocità di propagazione.
Una generalità dell’area investigata è la scarsa profondità di penetrazione raggiungibile indipendentemente dalla frequenza di lavoro utilizzata, che è da attribuire alle caratteristiche fisiche della “Pietra Leccese” che generano una forte dissipazione dell’energia elettromagnetica.
La maggior parte delle anomalie riscontrate è per questo compresa in un range che va dai 5 ai 20 nsec e solo eccezionalmente si osservano anomalie più profonde. Saranno adesso riportate le figure riguardanti profili indicati in figura 4.17 e 4.18, acquisiti alla frequenza di 500 MHz.
Profilo L13b
Fig.4.19. Profilo L13b: Si individuano anomalie tra 7 e 20 metri e tra 27 e 35 metri. Sono indicate deboli anomalie (W) in corrispondenza di antichi muri e un’anomalia generata da una tubatura (P4).
Profilo L10
Fig.4.20. Profilo L10: Si individuano due anomalie generate da tubature (P) ed una zona caotica tra 11 e 17 m difficilmente decifrabile.
Fig.4.21. Profilo L16a: P e W indicano le anomalie generate da tubi e mura. C è l’anomalia iperbolica sottoposta poi ad indagini più dettagliate. R sono anomalie orizzontali generate probabilmente da sedimenti di natura diversa dal resto dell’ambiente indagato. EW e PP indicano rispettivamente l’anomalia generata da un muro di pietra e da una coppia di tubi metallici rivelati durante gli scavi.
Profilo T24
Fig.4.22. Profilo T24: Si notano ancora le anomalie ricontrate nel profilo L16a insieme ad altre anomalie generate da tubature (P).
La più interessante anomalia individuata è quella di forma iperbolica indicata con C nei profili L16a e T24. Essa ha un andamento asimmetrico e si estende per circa 4-5 m ad una profondità che va dai 22 ai 30 nsec.
Inizialmente è stato ipotizzato, viste le sue caratteristiche, che essa fosse generata da una struttura di forma cilindrica e che fosse orientata obliquamente rispetto alla direzione di acquisizione. Come è già stato precedentemente accennato, per approfondire lo sviluppo planimetrico di questa anomalia sono state acquisite due
coppie di profili ortogonali ( ) a 45 gradi l’una dall’altra. In figura 4.23 sono mostrati i risultati.
4 3 2 1,Q ,Q ,Q Q
Fig.4.23. Profilo Q1 orientato S-N (a), profilo Q2 orientato W-E (b), profilo Q3 orientato SE-NW (c), profilo Q4 orientato SW-NE. (e) Indica una prima interpretazione della forma e dalle dimensioni della struttura ottenuta dall’analisi dei dati.
asimmetrica, nel profilo essa assume una forma quasi perfettamente simmetrica, mentre nel profilo essa si presenta come un’anomalia orizzontale ad indicare il fatto che il profilo è stato acquisito proprio lungo la direzione di orientamento della struttura. Il fatto che al di sotto dell’iperbole non si riscontrassero altre riflessioni interessanti portava ad escludere che essa potesse essere riempita da qualcosa.
3 Q 4 Q
Per individuare la profondità della struttura è stato acquisito un CDP centrato nel punto d’incontro dei quattro profili, come indicato in figura 4.18, utilizzando due antenne a frequenza 100 MHz, per stimare la velocità dell’onda elettromagnetica. Le antenne sono state mosse simmetricamente a passi di 0,2 m partendo da una distanza tra le due (offset) pari a 0,6 m fino ad arrivare ad una distanza di 6,4 m. Per controllo è stato acquisito anche un profilo WARR ed in entrambi i casi è stata stimata una velocità pari a 0,06 m/nsec. Utilizzando questo valore è stata stimata una profondità della struttura
pari a 0,66 m.
4.3.3. Risultati degli scavi
Gli scavi effettuati hanno confermato le ipotesi fatte riguardo la struttura scoperta: si trattava di una volta a botte con orientamento SW-NE (come si era dedotto dal profilo ) il cui vertice si trovava ad una profondità di 0,65 m (come era stato dedotto dalle stime CDP e WARR). Al di sopra della volta sono stati rinvenuti molti strati orizzontali di materiali diversi (quelli che producevano l’anomalia R in figura 4.22). Attraverso una piccola apertura si è potuto constatare che l’interno della volta era quasi completamente pieno di pietre e detriti. In figura 4.24 è mostrato il risultato degli scavi.
4 Q
Fig.4.24. Risultato degli scavi effettuati.
4.4. Conclusioni
Dall’analisi degli articoli effettuata in questo capitolo e nel precedente, si può affermare come il GPR sia efficacemente applicabile alle ricerche archeologiche e si proponga come alternativa ai metodi di ricerca tradizionali, poichè garantisce la conservazione dei reperti grazie alla sua non invasività, e la possibilità di investigare aree molto estese in tempi brevi grazie alla velocità con cui vengono registrati i dati e la facilità con cui possono essere interpretati.
Inoltre con l’impiego di diverse gamme di frequenza si possono adeguare la profondità di penetrazione e la risoluzione in base alle applicazioni, garantendo una grande versatilità dello strumento.
[18] D. Chianese, M. D’Emilio, S. Di Salvia, V. Lapenna, M. Ragosta, E. Rizzo, “Magnetic mapping, ground penetrating radar surveys and magnetic susceptibility measurements for the study of the archaeological site of Serra di Vaglio (southern Italy)”, Journal of Archaeological Science 00 (2004) 1-11.
[19] V. Basile, M. T. Carrozzo, S. Negri, L. Nuzzo, T. Quarta, A. V. Villani, “A ground penetrating radar survey for archaeological investigation in an urban area (Lecce, Italy)”, Journal of Applied Geophysics 44 (2000) 15-32.
