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RILIEVO BATIMETRICO Strumenti, Fasi e tecniche Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Docente: prof. Francesco Giordano

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Presentazione sul tema: "RILIEVO BATIMETRICO Strumenti, Fasi e tecniche Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Docente: prof. Francesco Giordano"— Transcript della presentazione:

1 RILIEVO BATIMETRICO Strumenti, Fasi e tecniche Corso di Geofisica Marina e Trattamento dei Segnali Docente: prof. Francesco Giordano Assistente: dott.sa Gaia Mattei

2 Il SONAR Dagli anni 20 in poi si sono impiegali i SONAR (Sound Navigation And Ranging), realizzati per l'individuazione dei sommergibili per la rivelazione di branchi di pesci e per la determinazione della posizione dei fondali marini anche di migliaia di metri. Le frequenze acustiche che sono di interesse in oceanografia, sono comprese tra 1 Hz (una oscillazione al secondo) a centinaia di Kilohertz. La frequenza di oscillazione f e la velocità di propagazione dell onda sono legate dalla relazione: v = f x dove è la lunghezza d' onda Considerando che la velocità di propagazione del suono nell' acqua è circa 1500 m/s, abbiamo che per f =1 Hz, la lunghezza d'onda è 1500 metri, mentre per f=200KHz è 7.5mm. La maggior parte dei Sonar lavora tra i 10 ed i 100 KHz.

3 LEcoscandaglio Lapparato utilizzato per le operazioni di batimetria è il SONAR che rivela e misura la posizione del fondale rispetto alla posizione del suo trasduttore (che trasforma il pacchetto d'onda elettrico in una pacchetto d'onda in pressione e viceversa). Periodicamente esso invia un pacchetto d'onda verso il fondale; il segnale riflesso dal fondale stesso, è ricevuto al tempo t, per cui la profondità del fondale risulta essere: z =(v x t)/2 ove v è la velocità media di propagazione del suono nell acqua

4 La velocità del suono in acqua è data da: v =(K/ )1/2 dove K è il modulo di elasticità di volume dell'acqua di mare la sua densità Poiché questi ultimi due parametri dipendono dalla temperatura, dalla pressione e dalla salinità anche la velocità dipende da essi, quindi V = v(t,s,p) Empiricamente la velocità del suono risulta compresa tra 1420 e Esistono formule per calcolare la velocità in funzione dei parametri di cui sopra. LEcoscandaglio

5 Il trasduttore dello scandaglio deve essere immerso in acqua Il coefficiente di riflessione r tra i due mezzi per un suono, inteso come perturbazione di pressione, proveniente dall aria, risulta essere pari a r = (Zacqua - Zaria)/(Zacqua + Zaria) Le Z sono le impedenze acustiche cioè il prodotto della densità per la velocità di propagazione del suono nel mezzo, acqua o aria. Quindi nel caso di un suono proveniente dallaria abbiamo: la velocità del suono nell' aria 330 m/s ; densità dell aria, in condizioni normali, 1.2 Kg/m3, r = (15xl )/(15 x l ) =1 Cioè se il trasduttore è emerso il suono viene totalmente riflesso e non penetra in acqua. LEcoscandaglio

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7 La risoluzione Per quanto attiene il potere risolutivo di questi strumenti acustici, il massimo teorico è legato alla lunghezza d'onda, corrispondente alla frequenta di lavoro dello strumento: = v/f In pratica il segnale emesso dagli strumenti acustici subacquei è costituito da un pacchetto donda contenente alcune oscillazioni sinusoidali, per cui il parametro importante per il calcolo della risoluzione è la durata di questo pacchetto. Moltiplicando la durata per la velocità di propagazione si ottiene la risoluzione radiale del sistema.

8 La precisione L' incertezza sulla posizione del fondale e sulla sua morfologia è dovuta: allincertezza sul valore dalla velocità v alla relazione tra langolo solido omega (espresso in radianti) di apertura del fascio acustico, uguale al rapporto tra la lunghezza d'onda ed il diametro del trasduttore, e l'eco riflessa dal fondale alla profondità h, che è relativa ad unarea del fondale stesso pari approssimativamente a A = R ove R = h Quindi il segnale riflesso è da intendere come risposta dovuta alla energia rinviata dall'area predetta, cioè una sorta di media areale. trasduttore omegah R

9 La precisione In sede di restituzione dei dati e di determinazione della profondità, è necessario tenere conto dell' azione combinata delle maree, delle correnti, del vento e della morfologia del fondo e della costa eventualmente presente. La determinazione della marea astronomica legata alla posizione della Luna e del Sole rispetto alla Terra, è prevedibile essendo perfettamente periodica, tramite il calcolo previsionale che utilizza le "Tavole di Marea'. Questa correzione è esauriente quando ci si trova in situazioni meteomarine e morfologiche estremamente favorevoli. Vero è che le operazioni batimetriche di precisione normalmente si svolgono in situazioni di questo genere, ma comunque il livello marino può essere alterato di alcuni centimetri per l azione di correnti, allazione del vento ed alla morfologia della costa. E' necessario quindi, per ridurre lindeterminazione sulla posizione del fondale, disporre di un mareografo in posizione vicina alla costa per poter registrare le variazioni di altezza della colonna d'acqua nel periodo delle operazioni.

10 Sigle beam Il sonar a fascio singolo o single beam misura il tempo di andata e ritorno di un segnale acustico tra il suo trasmettitore / ricevente, il cosiddetto trasduttore che assolve alla funzione di trasmettitore e ricevitore in tempi differenti, ed un bersaglio che è quasi sempre il fondale marino. La profondità del fondale z è pari a: Z = ½ c w t Dove t è il tempo impiegato di andata e ritorno del segnale e c w è la velocità di propagazione dello stesso nellacqua

11 Calcolo di z Per la profondità del fondale z rispetto al pelo dell acqua è invece necessario considerare se il trasduttore, che opera da trasmettitore e da ricevente, è immerso di Dz : z =z+Dz Z Z Dz trasduttore

12 La risoluzione Il potere risolutivo di unonda acustica, intesa come la distanza minima tra due bersagli (oggetti acusticamente riflettenti) visibili distintamente, è dellordine di grandezza della lunghezza donda. Risulta importante,quindi la scelta della frequenza di lavoro un funzione delle dimensioni degli oggetti da rilevare. Se f = 1500 Hz è la frequenta di lavoro del sonar, abbiamo, essendo c = 1500 m/s ed 1 Hz = 1 secondo -1 lunghezza donda = 1500m/s = 1m 1500Hz Se f = Hz, ovviamente d=3 cm e così via.

13 La risoluzione Altro fattore importante per il potere risolutivo è la larghezza del fascio donda emesso dal sonar. Un fascio conico stretto è lideale per fondali bassi ed uniformi, un fascio largo tende a fornire una informazione media sullarea illuminata. Il segnale riflesso da un fondale inclinato può non essere captato dal ricevitore che coincide con il trasmettitore (a fascio stretto). Il sonar a fascio largo può captare echi laterali dovuti a bersagli non importanti.

14 Multibeam (a )fascio trasmesso (b) strips di ricezione (c) intersezione tra i due precedenti, che determina larea di fondale coperta realmente. Le strips sono estese longitudinalmente 20°, per tenere conto del moto della nave ed evitare la perdita di segnale in ricezione. Il principio di funzionamento di un Multibeam può essere illustrato prendendo in considerazione il Seabeam della General Instruments Inc (SA), riportato nella figura seguente. Il trasmettitore è costituito da 20 sorgenti acustiche a 12KHz (12.000Hz) e trasmette impulsi di 7 millisecondi, interessando un angolo solido di 54° x 2.67° perpendicolare alla direzione della nave. Il sistema ricevente, sempre montato a carena della nave consiste di un array di 40 idrofoni che hanno la capacità di ricevere in un angolo di 2.26° con una profondità di 20° nella direzione di navigazione.

15 Multibeam L' area di copertura è l'intersezione dell' area di trasmissione con quella di ricezione. Nella figura le aree sono quadrate ma nella realtà sono di forma ellittica. Il processing è tale che le due descrizioni sono equivalenti. La striscia di fondale interessata è suddivisa m 16 aree, ciascuna di esse è esplorata con cadenza di misura di 3.3 millisecondi (300 Hz). (a )fascio trasmesso (b) strips di ricezione (c) intersezione tra i due precedenti, che determina larea di fondale coperta realmente. Le strips sono estese longitudinalmente 20°, per tenere conto del moto della nave ed evitare la perdita di segnale in ricezione.

16 Campagna batimetrica Una campagna di batimetrie si divide tipicamente in: FASE ESECUTIVA acquisizione dati di posizione e profondità FASE RESTITUTIVA con moderne metodologie e tecnologie per la ricostruzione delle carte batimetriche Strumento utilissimo durante lo svolgimento di entrambe le fasi è il GIS, per la gestione ed elaborazione dei dati.

17 Campagna batimetrica La FASE ESECUTIVA si suddivide a sua volta in Pianificazione e Realizzazione della campagna. La Pianificazione è 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 dellarea, 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 ambientali necessarie, come presenza di pontili scogli o altro La Realizzazione della campagna stessa necessita dellutilizzo di un software di navigazione, possibilmente in grado di intergare i dati di posizione e quelli di profondità.

18 Campagna batimetrica La FASE RESTITUIVA si suddivide a sua volta in post – processing ed elaborazione dei dati. Il Post – processing, che consente di analizzare in dettaglio, nonché sovrapporre, i dati di campagna in maniera uniforme allinterno di un unico progetto GIS, layers previsti: 1.Layer dei dati GPS di navigazione 2.Dati batimetrici interpolati 3.Foto dellarea, se presenti La Elaborazione, necessaria per interpretare tutti i risultati ottenuti da un punto di vista spaziale al fine di catalogare i siti di interesse archeologico, layers previsti: 1.Grid derivanti dalle analisi spaziali dei dati geofisici 2.Realizzazione di carte 2D e 3D

19 Pianificazione Georeferenziazione del della cartografia Realizzazione del piano di navigazione Ricognizione del sito e Individuazione della base station

20 Post - Processing Importazione dei punti GPS e controllo della percentuale di copertura dellarea Importazione e pre - elaborazione dei dati di profondità

21 Elaborazione dati I dati batimetrici, 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 dellarea DTM del fondale marino – necessario per ricostruire un paesaggio virtuale del sito archeologico sommerso. Gli interpolatori che il GIS usa per ottenere gli output suddetti sono: IDW; Kriging; Spline.

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23 Carta batimetrica del Parco Archeologico sommerso di Baia

24 Elaborazione dati Le misure batimetriche interpolate possono essere utilizzate per realizzare una carta batimetrica, come precedentemente detto, oppure ulteriormente analizzate per calcolare lo SLOPE ossia la massima variazione fra celle adiacenti del GRID. Questa analisi serve a valutare la variazione (percentuale o in gradi) della pendenza del fondale marino.

25 Calcolo dello Slope

26 Strumenti Riepilogo strumentazione principale IMBARCAZIONI PRINCIPALIImbarcazione da 25 m con sistema integrato di posizionamento e acquisizione dati Sistema Zodiac per bassi fondali con sistema integrato dacquisizione e posizionamento Sistema integrato alta precisione con multibeam GPS+Ecoscandaglio single beam DGPSTrimble model 4700 Trimble model 4000 Trimble model Pocket Pathfinder 12 canali L1/L2 8 canali L1 ECOSCANDAGLIO DIGITALEHMEX – SonarLITE single beam200KHz 0.30m-80 m ECOSCANDAGLIO ANALOGICORaython DC200Z200 KHz m Riepilogo Dotazione software GISESRI ArcView 9 CountourArcView 3D Analyst Modelli spazialiArcView Spatial Analyst Posizionamento GPSArcView Tracking Analysis GIS per palmareArcPad

27 SISTEMA DI ACQUSIZIONE

28 Strumentazione e allestimento


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