Monitoraggio integrato dei vulcani tramite APR e satelliti con tecniche fotogrammetriche

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Con l'aumento dell'utilizzo di veicoli aerei senza equipaggio (APR) o droni, gli scienziati hanno ora un potente strumento per monitorare meglio i vulcani attivi senza affrontare situazioni pericolose. I droni ad ala fissa e rotante possono fornire un rilevamento aereo intorno ai principali vulcani includendo l'utilizzo di funzionalità di imaging ottico e termico per fornire rilevamenti e monitoraggio dettagliati per eventuali cambiamenti dell'attività vulcanica. Recentemente, il Centro di ricerca tedesco per le geoscienze (GFZ) di Potsdam ha condotto un'indagine sul vulcano Santa Maria in Guatemala, dove è stata osservata la cupola di lava emessa, compresa quella viscosa.

I risultati di questo sondaggio hanno dimostrato che la cupola di lava ha modalità di crescita e cambiamento che non erano state osservate in precedenza, con una lenta espansione ed estrusione di lava nella cupola. È interessante notare che i sensori utilizzati hanno permesso ai ricercatori di effettuare misurazioni senza dover installare apparecchiature sul vulcano, tra cui la misurazione della velocità del flusso di lava, i modelli di movimento della cupola di lava e la temperatura superficiale del vulcano. Tutto ciò è stato fatto utilizzando apparecchiature fotografiche stereo ad alta risoluzione. Ciò ha anche permesso di realizzare un modello 3D del vulcano che includeva anche le stime delle temperature in tutto il vulcano.

I voli dei droni

Iniziati nel febbraio 2019, i voli di rilevamento sono stati effettuati  sopra lo sfiato attivo di Caliente sul vulcano Santiaguito in Guatemala con più droni e sensori ad un'altezza di ca. 100 m sopra la cupola di lava. Le immagini ottiche sono state acquisite con la fotocamera sRGB integrata del drone DJI Phantom 4 Pro con una risoluzione di 5472 × 3078 px e una frequenza di campionamento di 0,5 Hz. Le immagini termiche sono state acquisite con un FLIR TAU 2 (obiettivo da 9 mm), archiviate in un frame grabber TEAX ThermalCapture ed elaborate con il software Thermoviewer (v3.0.4). Questi hanno fornito dati sulla temperatura radiometrica e una risoluzione di 640 × 512 px con una frequenza di campionamento di 8 Hz. Quattro voli sono stati trasformati con successo in modelli 3D.

Fotogrammetria tri-stereo con dati satellitari Pléiades
Per georeferenziare i set di dati APR acquisiti sul vulcano Santiaguito, sono state utilizzate immagini satellitari Pléiades ottiche ad alta risoluzione. La capacità tri-stereo con un near-nadir e due off-nadir ha consentito la costruzione di un modello topografico altamente dettagliato del vulcano e dei suoi dintorni. Le tre immagini monocromatiche sono state elaborate con ERDAS IMAGINE Photogrammetry, post-elaborando la nuvola di punti risultante con CloudCompare, ottenendo un modello topografico con una risoluzione spaziale di 5 m / px .

Fotogrammetria SfM
E' stata eseguita l'elaborazione fotogrammetrica Structure-from-Motion (SfM ) utilizzando Agisoft Metashape su tutti i rilievi ottici e termici per ricostruire l'ambiente 3D della cupola di lava attiva, permettendo di costruire sia DEM ad alta risoluzione da dense nuvole di punti e ortofoto dettagliate. Le immagini sono state acquisite in posizione nadir o near-nadir, con solo alcuni fotogrammi acquisiti ad angolo obliquo per migliorare la qualità del modello. Il terreno difficile e pericoloso non ha consentito il rilievo di sufficienti punti di appoggio sul terreno per creare una georeferenziazione affidabile. Pertanto è stato utilizzato il DEM fotogrammetrico creato dai dati di Pléiades. Il DEM costruito da SfM è stato collegato a quello di Pléiades identificando le caratteristiche riconoscibili in entrambi i set di dati. Il riferimento finale aveva un errore RMS di 3,3 m.

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Riferimento: 

Zorn, E.U., Walter, T.R., Johnson, J.B. et al. UAS-based tracking of the Santiaguito Lava Dome, Guatemala. Sci Rep 10, 8644 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-65386-2 

 


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