Tesi

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA FACOLTÀ DI LETTERE E FILOSOFIA CORSO DI LAUREA IN

Archeologia

Titolo dell’elaborato:

Applicazione del rilievo georadar in archeologia

Relatore: Chiar.mo Prof. Giuseppe Salemi Chiar.mo Prof. Vladimiro Achilli Laureando: Nicholas Fontana 514781

Anno Accademico 2006/2007

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Indice

Prefazione

Capitolo 1: GPR – Ground penetrating Radar: Principi di funzionamento 1.1

Introduzione.

1.2

Brevi cenni storici.

1.3

Composizione strutturale e funzionamento.

1.4

Le antenne.

1.5

Propagazione delle onde elettromagnetiche.

1.6

Il fenomeno Scattering.

Capitolo 2: Il GPR applicato all’archeologia. 2.1

Pregi e difetti

2.2

Analisi preliminare del sito.

2.3

Acquisizione dei dati.

2.4

Applicazioni su strutture edilizie.

2.5

Trattamento dei dati.

2.6

Interpretazione dei dati.

2.7

Presentazione dei risultati.

2.8

Caratteristiche archeologiche e loro interpretazione.

Capitolo 3: Esempi di applicazione del GPR in archeologia. 3.1

Introduzione.

3.2

Abbazia benedettina, Leno (Bs).

3.3

Riverfront Village, South Carolina, USA.

3.4

Ceylon plantation, Georgia, USA.

3

3.5

Tel Hazor, Israele.

3.6

Petra, Giordania.

3.7

Mamala bay, Hawaii, USA.

3.8

Test sites of Illinois and Washington, USA.

3.9

Komochi-mura, Gumna, Giappone.

3.10 Valenza, Spagna.

Capitolo 4: Regolazioni dello strumento GPR 4.1

Descrizione dello strumento.

4.2

Regolazioni preliminari per il rilievo.

4.3

Trattamento dei dati dopo l’acquisizione.

4.3.1 Tipologie di visualizzazione. 4.3.2 Regolazione scala verticale ed orizzontale. 4.3.3 Filtri. 4.3.4 Ottimizzazione della visibilità. 4.4

Visualizzazione tridimensionale.

Capitolo 5: Applicazione del GPR su materiali diversi 5.1

Introduzione.

5.2

Ghiaia.

5.3

Lastricato di cemento.

5.4

Cemento, metallo e ghiaia.

5.5

Asfalto.

5.6

Terreno erboso.

Conclusioni Bibliografia

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Prefazione

Questo lavoro è nato dall’esigenza di approfondire un argomento che, fino ad ora, particolarmente nel campo di studi archeologici, non è stato trattato esaustivamente, ma che si rivela di notevole interesse ed importanza, L’argomento non sarà trattato in modo esclusivamente tecnico per risultare comprensibile anche a chi non detiene conoscenze specifiche, tentando comunque, di fornire le nozioni principali necessarie a comprendere i principi fisici alla base del funzionamento del GPR - Ground Penetrating Radar. Si cercherà, inoltre, di fornire gli strumenti necessari per affrontare le quattro fasi indispensabili per l’esecuzione di un lavoro mediante

il GPR:

progettazione,

acquisizione,

elaborazione ed

interpretazione dei dati. Si è tentato di dare informazioni quanto più aggiornate, essendo questo un settore che subisce continue evoluzioni e nel contempo di non tralasciare i necessari cenni storici relativi alle applicazioni del georadar. Verrà esposta una selezione di casi ritenuti importanti e formativi, in modo da affrontare le varie problematiche con cui spesso l’operatore è costretto a confrontarsi. Infine verrà presento un’applicazione pratica (svolta a maggio 2007): questa riguarda l’applicazione dello strumento su diverse superfici facilmente riscontrabili nel contesto urbano.

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Capitolo 1: Principi di funzionamento.

1.1 - Introduzione. Nell’ultimo decennio, in campo archeologico ed in generale nella salvaguardia dei beni culturali, i metodi di indagine non invasiva, hanno avuto un incremento di prestazioni anche in situazioni critiche. Eventuali risorse finanziarie limitate e una ridotta disponibilità di uomini e tempo, spesso, non consentono un’indagine esaustiva di un sito. Inoltre, in alcuni casi, le opere edilizie ed infrastrutturali intervengono drasticamente su terreni con presenze antropiche; così, durante uno scavo, è difficile individuare esattamente l’estensione dello stesso e ciò può limitare l’attenzione a zone di minore interesse a scapito di altre con maggiore importanza. Queste problematiche possono essere risolte con un metodo di indagine recente, che può consentire di stabilire con buona precisione lo sviluppo tridimensionale di un sito archeologico, in brevi tempi ed in modo non invasivo: il Ground Penetrating Radar (GPR).

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1.2 - Brevi cenni storici. Il georadar (GPR) è un sistema radar geofisico, usato all’inizio del XX secolo per determinare la profondità di un ghiacciaio, poiché per la bassa costante dielettrica relativa del ghiaccio, erano raggiungibili profondità di esplorazione anche di qualche decina di metri. Questa tecnologia fu successivamente “dimenticata” fino agli anni ’50, quando venne applicata in campo militare. Il metodo fu sviluppato attorno agli anni ‘70, inizialmente in campo geologico e glaciologico, successivamente anche in altri settori come l’ingegneria civile. Nel 1972 fu fondata la G.S.S.I. con lo scopo di sviluppare il metodo georadar a livello commerciale. Da questo momento, si verificò un aumento notevole di pubblicazioni e ricerche per, arrivare poi al decennio successivo in cui il georadar è divenuto il sistema maggiormente utilizzato per la rivelazione di oggetti sotterranei. In campo archeologico, le prime applicazioni sono state svolte nel 1976 a Chaco Canyon nel New Mexico su di un terreno secco ed omogeneo. Negli anni ’80 e ’90 si sono effettuate molteplici analisi soprattutto negli Stati Uniti per identificare resti di muri o strutture sotterranee.

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1.3 - Composizione strutturale e funzionamento. Il GPR è un metodo d’indagine sub-superficiale che fornisce sezioni verticali (radargrammi) del terreno, consentendo l’identificazione di discontinuità presenti nel sottosuolo; queste possono essere dovute a strati differenti o a corpi isolati di varia composizione chimico-fisica, quindi di diverse proprietà elettromagnetiche rispetto all’ambiente circostante. Il georadar è costituito schematicamente da due parti: il trasduttore (le antenne) e un sistema di acquisizione, composto da un’unità centrale per il controllo dei parametri di acquisizione, visualizzazione e registrazione dei dati (Fig 1.1). Un impulso di onde elettro-magnetiche ad alta intensità (100-1500 Mhz) viene inviato verso il basso da un’antenna trasmittente; questo segnale si propaga e, in parte, viene riflesso quando incontra una superficie di discontinuità. La riflessione è generalmente causata da variazioni delle proprietà elettriche del terreno, aumento o diminuzione del contenuto di acqua, cambiamenti litologici o di densità di volume all’interfaccia stratigrafica. Il tempo di riflessione (tempo di andata e ritorno dell’onda dal trasmettitore al ricevitore, Two-way time, TWT) viene usato come misura della distanza del bersaglio. L’onda, ritornata in superficie, viene captata da un’antenna ricevente, convertita in segnali elettrici come piccole variazioni di tensione, messa in correlazione con il segnale trasmesso; il risultato, dopo esser stato filtrato ed amplificato, viene registrato. Il ricevitore può essere costituito dalla stessa antenna trasmettitrice, dopo che l’impulso è stato trasmesso, oppure possono essere presenti due antenne separate (Rx e Tx). Nel primo caso il radar è detto monostatico; se si usano due antenne separate il radar è detto bistatico. Le due antenne (trasmittente e ricevente) hanno una distanza (offset) mantenuta fissa durante l’indagine. Variando l’offset si cambia l’angolazione con cui si “illumina” l’oggetto permettendo, in fase di acquisizione, di scegliere la regolazione ottimale. L’offset negli strumenti monostatici è pari a zero, permettendo un angolo d’apertura di circa 90°-120° (Fig. 1.2) Il segnale ricevuto è visualizzabile in tempo reale sull’unità centrale, che nei sistemi radar recenti fa parte della strumentazione ed è montato sul carrello che viene movimentato assieme all’antenna.

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I primi strumenti erano in grado di registrare i dati in modo analogico su carta o su nastro magnetico; questo limitava decisamente la possibilità di elaborazione e quindi di interpretazione degli stessi. All’inizio degli anni ’80, la registrazione in formato digitale dei dati ottenuti, ha consentito un notevole miglioramento del metodo.

Fig. 1.1 - Composizione strutturale del georadar e raffigurazione dei percorsi seguiti dall’onda elettromagnetica nel terreno.

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Fig. 1.2 - Due diverse tipologie di georadar: bistatico con due antenne (trasmittente e ricevente) e monostatico con una sola antenna (ricevente e trasmittente).

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1.4 - Le antenne. Le antenne in commercio sono di vari tipi e sono contraddistinte dalla frequenza centrale (frequenza di centro banda) che viene generata. La scelta del modello da utilizzare è legata agli scopi dell’indagine da effettuare: quelle con maggiore frequenza consentono una migliore definizione, ma riescono a “penetrare” meno nel terreno; al contrario, le antenne con bassa frequenza hanno maggiore penetrazione e una definizione minore. Le antenne con bassa frequenza sono inoltre ingombranti e di peso elevato. Un problema di cui bisogna tener conto è che, nell’aria, le onde trasmesse ad una certa angolatura, si rifrangono sulla superficie e continuano appena sopra la stessa. Se l’antenna non è schermata, tramite elementi che riducono la radiazione verso l’alto, l’onda aerea può riflettersi anche su oggetti in superficie come palazzi, alberi, linee elettriche, telefoni cellulari o l’operatore stesso. Nella tabella 1.1 sono presentate alcune tipologie di antenne con la relativa risoluzione e penetrazione, entrambe legate al tipo di terreno.

Frequenza Durata impulso

Risoluzione

Penetrazione

(Mhz)

(ns)

(cm)

(m)

100

10

10

2-18

300

3

3

1-8

500

2

2

0.5-4

1000

0.75

1

0.1-1

Tab. 1.1 - Relazione tra frequenza, durata dell’impulso, risoluzione e penetrazione di alcune tipologie di antenne tutti i fenomeni sono legati al tipo di terreno su si opera.

I fattori di cui bisogna tener conto sono: •

proprietà elettriche e magnetiche del terreno,

•

dimensione e profondità degli oggetti da indagare,

•

accessibilità e sistemazione superficiale.

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1.5 - Propagazione delle onde elettromagnetiche. La velocità delle onde radar dipende dal materiale che attraversano; nell’aria viaggiano a 300 000 km/s, mentre nel terreno la velocità dipende dalla costante dielettrica (εr). La velocità decresce inversamente alla radice quadrata di εr: c v = ──── √ εr dove c è la velocità dell’onda nell’aria. La costante dielettrica è la capacità di un materiale, posto in un campo elettromagnetico, di acquisire e restituire energia elettromagnetica; è il rapporto fra permettività elettrica nel materiale e nel vuoto. La costante dielettrica dipende dalle caratteristiche fisiche e chimiche, dall’umidità e dalla temperatura del materiale stesso. La

massima

penetrazione

dell’onda

elettromagnetica

dipende

dalla

conduttività elettrica e permeabilità magnetica del mezzo attraversato e dalla frequenza dell’onda che attraversa il mezzo. La conduttività elettrica è l’attitudine di un materiale a condurre corrente elettrica, mentre la permeabilità magnetica è la proprietà di un materiale ad aumentare la propria magnetizzazione se posto in un campo elettromagnetico. Qualsiasi materiale al passaggio di un’onda elettromagnetica assorbe energia: ciò aumenta notevolmente in presenza di acqua e di conseguenza nelle argille. Maggiore è la conducibilità e maggiore è l’assorbimento; quindi, in terreni con alta conducibilità, quasi tutta l’energia potrebbe essere assorbita senza fornire alcuna riflessione. La tabella 1.2 riporta per differenti tipologie di terreno la costante dielettrica (εr), la velocità (v), la conduttività elettrica (σ).

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Materiale

εr

V (m/ns)

σ (m/ns)

Aria

1

0.30

0

Ghiaccio

3.2

0.16

0.01

Sabbia asciutta

3-6

0.15

0.01

Granito

4-6

0.1-0.12

0.01

Calcare

4-8

0.1-0.12

0.5-2

Carbone

4-5

0.134-0.15

Pvc

3

0.173

Asfalto

3-5

0.134-0.173

Calcestruzzo

5-8

0.055-0.12

Argilla

5-15

0.09

1-100

Slit

5-30

0.07

1-100

Arenaria

6

0.112

Dolomite

6.8-8

0.106-0.12

Scisto

7

0.113

Basalto

8

0.106

Terreno paludoso

12

0.086

Terreno pastorale

13

0.083

Terreno agricolo

15

0.077

“Terreno medio”

16

0.075

Sabbia bagnata

20-30

0.06

0.01-1

Acqua dolce

81

0.033

0.5

Acqua de mare

81

0.01

0.3

Acqua distillata

80

0.033

0.01

Tab. 1.2 - Costante dielettrica, velocità e conduttività in diversi materiali; si noti la variazione dei valori all’aumentare della presenza di acqua.

Si nota il differente comportamento fra materiali secchi ed umidi: al variare della percentuale di acqua, diminuisce la velocità ed aumenta la conducibilità.

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1.6 - Il fenomeno Scattering. Le onde possono arrivare al ricevitore in differenti modi, secondo il tipo di scattering subito da un’onda elettromagnetica nel momento in cui questa, attraversando un materiale, incontra un oggetto con caratteristiche dielettriche diverse rispetto al mezzo in cui è posto. Si può quindi avere scattering di:

•

riflessione: un’onda incontra un’interfaccia fra due materiali e viene riflessa con angolo uguale all’angolo d’incidenza (Fig. 1.3 a);

•

rifrazione: un’onda incidente su un’interfaccia viene in parte riflessa ed in parte assorbita e continua a viaggiare all’interno dell’oggetto con un angolo di rifrazione che dipende dal materiale che attraversa (Fig. 1.3 b);

•

diffrazione: l’onda, dopo aver colpito un oggetto, si diffonde in più direzioni; ciò dipende dalla forma e dalle sue dimensioni rispetto alla lunghezza d’onda dell’onda incidente (Fig. 1.3 c);

•

risonanza: l’onda colpisce un oggetto di forma chiusa che consentirà alla stessa di rimbalzare sulle pareti, rimanendo intrappolata nel corpo, in parte verrà rifratta all’esterno (Fig. 1.3 d).

La velocità dell’onda nell’aria è sempre maggiore rispetto a quella nel terreno. Questa circostanza fa si che l’onda aerea diretta arriva prima al ricevitore, seguita dall’onda diretta dal terreno; queste producono una prima larga banda scura sulle sezioni grafiche. Ciò deriva dall’ovvia impossibilità di una perfetta aderenza delle antenne con il suolo.

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Fig. 1.3 - Diversi tipi di scattering: a) riflessione, b) rifrazione, c) diffrazione, d) risonanza.

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Capitolo 2: Il GPR applicato all’archeologia.

2.1 - Pregi e difetti Il GPR si utilizza in situazioni nelle quali la sua alta risoluzione costituisce un grande vantaggio e la sua limitata penetrazione in profondità risulta sufficiente. Per queste ragioni viene largamente usato nel campo dell’ingegneria civile: per il rilievo di fondamenta, falde acquifere, mappatura di sottoservizi (tubature, cavidotti), valutazione dello spessore stradale, monitoraggio e stima dell’integrità di murature, strade, ponti, tunnel. Oltre a queste applicazioni, recentemente, è stato utilizzato anche in campo idrogeologico per rilevamenti geofisico-ambientali, per esplorazioni minerarie e soprattutto nell’archeologia. I “bersagli” che vengono cercati durante ricerche archeologiche si trovano a bassa profondità e la risoluzione richiesta è solitamente elevata; infatti, lo strumento deve essere in grado di individuare piccole variazioni o anomalie in una profondità generalmente inferiore a 3 metri. Il grande valore potenziale del rilevamento tramite georadar sta nella possibilità di determinare la probabile estensione di un sito archeologico e, quindi, è di particolare importanza per l’archeologia di emergenza. Oltre a questi fattori occorre ricordare che il metodo GPR è una tecnica non distruttiva e non invasiva, caratteristiche fondamentali per l’utilizzazione in campo archeologico e Beni Culturali. La rapidità di esecuzione di un’indagine permette di indagare ampie superfici in tempi ristretti, con una continuità di sezioni che permette di avere un dettaglio considerevole. Inoltre, con tecniche di posizionamento satellitari (GPS – Global Positioning System), è possibile ottenere l’ ubicazione precisa dei reperti individuati. Inoltre, il rilievo georadar è completamente non invasivo: dopo un’indagine, il terreno potrebbe risultare parzialmente segnato solo dalle ruote del carrello contenente tutta l’apparecchiatura e dalle impronte dell’operatore. Sono da segnalare alcuni limiti che caratterizzano questa metodologia di rilievo: è già stato accennato che la presenza di materiali umidi (come le argille con più del 10% di contenuto d’acqua) impedisce la riflessione e, talvolta, la falda freatica

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costituisce il limite invalicabile per le onde; l’irregolarità del suolo, se è tale da causare salti in quota allo strumento, provoca l’alterazione dei dati in seguito alla variabilità dell’angolo di irradiamento; se si effettuano indagini in ambienti coperti, spesso,

possono

verificarsi

riflessioni

spurie

dovute

al

ritorno

dell’onda

elettromagnetica dall’alto. Un ulteriore problema è dato dalla difficoltà di interpretare le discontinuità ottenute nei radargrammi: segnali simili si hanno in presenza di strutture archeologiche, ma anche di radici di alberi o di tubature. Sta all’esperienza dell’operatore identificare i differenti segnali.

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2.2 - Analisi preliminare del sito. Prima di eseguire un rilievo radar è buona norma effettuare delle analisi preliminari sul terreno. Si dovrà tener conto dell’accessibilità del sito, della possibilità di svolgere profili continui senza incontrare ostacoli o irregolarità superficiali. Sarà necessario individuare le proprietà chimiche e fisiche del terreno, soprattutto l’umidità, caratteristica che potrebbe causare l’impossibilità di effettuare il rilievo. Tenendo conto di queste analisi preliminari si dovrà scegliere il miglior compromesso tra frequenza di trasmissione (in campo archeologico si utilizzano solitamente antenne con frequenza tra 200 e 500 MHz) e filtraggi a posteriori sul set di dati acquisito.

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2.3 - Progettazione ed acquisizione dei dati. I dati vengono acquisiti mediante il trascinamento delle antenne sul terreno (Fig 2.1). I moderni georadar costituiscono un tutt’uno fra antenne, unità centrale e carrello per lo spostamento sul terreno. Questo metodo viene definito moving-mode o profilo continuo, è preferito per la sua velocità d’esecuzione che è l’unico a potersi utilizzare con i radar monostatici. Il segnale emesso dall’antenna trasmittente viene riflesso dalle superfici di discontinuità; è successivamente captato dall’antenna ricevente e, dopo essere stato amplificato viene registrato e visualizzato su di un monitor. Per effettuare l’analisi è indispensabile impostare un reticolo topografico a linee parallele che costituirà la base sulla quale svolgere il rilievo; nella maggior parte dei casi possono essere utilizzate forme rettangolari, ma se il terreno risulta particolarmente impervio o le necessità richiedono altre forme, è possibile realizzarle ad hoc. L’operatore, muovendo il GPR lungo le direzioni preimpostate, in modo da evitare possibili ostacoli superficiali, raccoglierà i dati in modo continuo. Lo spazio fra le tracce dipende dall’estensione dei bersagli da indagare, oltre che dalla definizione che si vuole ottenere; una minore distanza fra le strisciate porta ad una maggiore risoluzione, a scapito del maggiore tempo impiegato (solitamente si utilizzano valori fra i 50 cm e 2 m). Individuato l’oggetto d’interesse, per ottenere un miglior risultato, è consigliabile acquisire altri profili ortogonali alla griglia originaria. E’ buona norma disporre dei riferimenti metrici lungo ogni profilo con la possibilità di inserirli manualmente sulla registrazione, per realizzare una calibrazione metrica del profilo. La griglia dovrebbe essere georeferita con il GPS o con un rilievo topografico per permettere l’individuazione spaziale delle anomalie e la ripetibilità dell’analisi. Per quest’ultimo motivo è utile annotare le regolazioni dello strumento e le caratteristiche delle antenne. Il georadar per ogni strisciata continua dovrebbe mantenere una velocità costante da 2 a 10 km/h; spesso risulta difficile per l’operatore trascinare il carrello su un terreno non perfettamente omogeneo in superficie. Ciò è risolvibile, se non esistono brusche accelerazioni o salti, mediante compressioni ed espansioni di porzioni della registrazione, il tutto effettuato automaticamente tramite software.

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Prima di condurre un rilievo georadar è quindi necessario determinare la griglia più adatta e la frequenza di lavoro, avendo a disposizione informazioni sulle proprietà fisiche e chimiche del terreno. È buona norma individuare e annotare gli ostacoli di superficie che potrebbero causare riflessioni ed interferire con la misurazione (alberi con radici, tombini, pietre). Per i radar bistatici, il metodo di registrazione dei dati denominato fixed-mode, consiste nello spostamento delle antenne in modo indipendente in diversi punti della superficie, effettuando misurazioni distinte. Due sono i tipi di risoluzione: quella verticale consiste nella capacità dello strumento di distinguere due oggetti a diversa profondità; quella orizzontale è la capacità di distinguere bersagli posti alla medesima profondità. La scelta della frequenza delle antenne è legata a questi fattori, ricordando che le basse frequenze consentono una maggiore profondità di penetrazione a scapito della risoluzione e che le alte frequenze consentono basse profondità di indagine con un’alta risoluzione.

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Fig. 2.1 - Acquisizione dei dati con GPR si trova prima (1), sopra (2) e dopo (3) il bersaglio. Si noti l’iperbole generata dalla riflessione sulle pareti dell’oggetto.

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2.4 - Applicazioni su strutture edilizie. Oltre al rilievo sub-superficiale con il metodo GPR, si è sviluppato, in tempi recenti, l’esame delle murature, applicato ad architetture di interesse culturale e artistico, oltre che per opere di ingegneria civile. Questa tecnica offre la possibilità di verificare la presenza di strutture nascoste e di zone di umidità e di valutare la consistenza e la natura delle murature. Il problema maggiore in questo tipo di analisi, potrebbe dipendere dalla non omogeneità dei materiali impiegati. In questo caso saranno necessari alcuni accorgimenti fondamentali per ottenere buoni risultati: le antenne lavoreranno a frequenza maggiore (1000-1500 MHz), dato che lo spessore da indagare non è ampio. Inoltre, l’antenna verrà montata su di un’apposita stampella (Fig 2.2).

Fig. 2.2 - Utilizzo della stampella con l’antenna per indagare un terreno; può essere impiegata anche su strutture murarie.

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2.5 - Trattamento dei dati. I dati registrati costituiscono una traccia rappresentante la sezione verticale del terreno; più tracce formano un’immagine bidimensionale in scala di grigi. L’asse orizzontale rappresenta la lunghezza di ogni linea parallela, l’asse verticale il tempo doppio di riflessione (TWT) (Fig. 2.3). Per

rilevare

l’effettiva

profondità

dei

bersagli

individuati,

procedura

fondamentale in campo archeologico, è necessario trasformare la scala verticale temporale in scala metrica delle profondità. Per compiere questa operazione si possono confrontare iperboli di oggetti posti a profondità note con i tempi di riflessione corrispondenti e ciò servirà a calibrare l’equazione tempo/distanza sul terreno, in quanto questo metodo si basa sulla costante dielettrica (εr). Oppure si utilizzano le caratteristiche del suolo e conoscendo la sua costante dielettrica si può applicare la seguente formula: c v = ──── √ εr e quindi ricavare la velocità di trasmissione. È così possibile ottenere la profondità (P): tv P = ──── 2 dove t è il tempo (TWT il tempo che intercorre fra trasmissione e ricezione dell’onda), e v è la velocità. Un’ulteriore operazione che si può effettuare sui radargrammi è il filtraggio per una migliore interpretazione degli stessi; questa operazione è in genere svolta dal software con cui è possibile visualizzare i risultati dell’indagine ed è un trattamento necessario per “pulire” dai disturbi, amplificare o correggere le distorsioni ottenute. Molto utile è la tecnica consisteè nell’aumentare il rapporto segnale-rumore1 utilizzando filtraggi per attenuare le frequenze indesiderate.

1

Il rumore è una variazione o fluttuazione indesiderata delle grandezze che si stanno misurando; esso si contrappone alla parte desiderata, cioè il segnale.

23

Fig. 2.3 - Esempio di un tunnel (sopra) con il relativo radargramma (sotto). Il profilo è costituito da un’immagine bidimensionale in scala di grigi: sull’asse orizzontale la lunghezza di ogni linea parallela, sull’asse verticale il tempo di riflessione (TWT).

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2.6 - Interpretazione dei dati. L’interpretazione mira a distinguere ed identificare le anomalie riscontrate sui radargrammi sia singolarmente che complessivamente e richiede l’esame attento e un operatore qualificato. I principali bersagli in campo archeologico sono costituiti da strutture estese (murature, ambienti sotterranei, tubi trasversali alla direzione del reticolato), oppure da oggetti di minore entità (strutture di piccola dimensione, reperti, tubi in direzione parallela alla direzione del reticolato). Ciò che consente di identificarli è il diverso andamento grafico delle anomalie sui radargrammi: un’interfaccia piana genera un tracciato piano, causata del medesimo tempo di riflessione dell’eco creato dall’onda sulla superficie (Fig. 2.7). In presenza di interfacce di limitata ampiezza si genera la caratteristica iperbole, derivata dal fatto che l’angolo d’apertura è abbastanza grande (90°-120°) e conico ed il segnale sarà riflesso anche dai bordi dell’oggetto, anche se il GPR non è esattamente al di sopra dello stesso; graficamente, l’anomalia sarà tanto più larga quanto maggiore è l’altezza e minore la velocità di trascinamento (Fig. 2.1). Le problematiche maggiori riscontrate possono essere causate da oggetti molto riflettenti (monete), che causano una forte eco, con un’ampiezza minore rispetto all’oggetto, che può “offuscare” i materiali limitrofi. Altre incertezze possono derivare dalla presenza di riflettori ravvicinati che provocano la frammentazione dei rami dell’iperbole con forme ad occhio; ciò si verifica in prossimità di canalette perpendicolari al senso di registrazione o di oggetti ravvicinati (Fig. 2.5).

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2.7 - Presentazione dei risultati. Questa fase risulta di grande importanza non solo a livello grafico, ma soprattutto perchè consente una migliore interpretazione dei risultati ottenuti. Inizialmente si presentavano i risultati come una collezione di radargrammi sia come risultati ottenuti in tempo reale, che tramite un’elaborazione sistematica. Si è poi passati ad una rappresentazione a falsi colori della sezione associando una scala colorimetrica maggiormente

a

quella le

dell’intensità

anomalie,

si

energetica

accentuano

i

del minimi

segnale. contrasti,

Amplificando rendendoli

immediatamente visibili. Oggi è possibile la rappresentazione tramite volumi tridimensionali dei dati, con la possibilità di riprodurre planimetricamente le anomalie derivate da strutture sepolte, con una conseguente maggior definizione e correlazione lungo tutta l’area indagata.

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2.8 - Caratteristiche archeologiche e loro interpretazione. Le differenze fra i principali bersagli (fossati, buche di palo, fondazioni, fornaci o focolari) risiede nella loro estensione: una lunga e continua deformazione può essere facilmente identificata ed associata ad un fossato; le irregolarità più separate e meno continue come possono essere le anomalie puntiformi possono essere derivate da buche di palo (Fig. 2.4). In questo caso, il georadar è utile a rilevare le diversità fisiche di un terreno scavato anticamente rispetto ad un riempimento recente, in quanto quest’ultimo è meno consolidato e ricco di sostanze organiche. Inoltre i confini riflettenti originari del terreno risultano interrotti nella registrazione. Le fondazioni, avendo meno umidità dell’ambiente circostante, causano anomalie positive, meno accentuate se il terreno è molto secco (Fig. 2.6). Nel caso di forni o focolari si riscontra un maggiore grado di magnetizzazione rispetto al terreno, derivante dal riscaldamento.

Fig. 2.4 - Esempio di anomalie separate e poco continue associabili a buche di palo; si possono rilevare le diversità fisiche di un terreno scavato anticamente rispetto ad un riempimento recente.

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Fig. 2.5 - Esempio della presenza di iperbole a forma d’ occhio causata da riflettori ravvicinati che provocano la frammentazione dei rami dell’iperbole; ciò si verifica in prossimità di canalette parallele al senso di registrazione od oggetti ravvicinati.

Fig. 2.6 - Esempio di una fondazione che, caratterizzata da minore umidità rispetto all’ambiente circostante, causa anomalie positive.

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Fig. 2.7 - Esempio di radargramma relativo ad un piano pavimentale; il lungo segnale causato da un’interfaccia piana genera un tracciato piano, causato dal medesimo tempo di riflessione dell’eco realizzato dall’onda sulla superficie.

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Capitolo 3: Esempi di applicazione del GPR in archeologia.

3.1 - Introduzione Le prime applicazioni del rilievo tramite georadar in campo archeologico sono state svolte nel 1976 a Chaco Canyon nel New Mexico su di un terreno secco ed omogeneo. Negli anni ’80 e ’90 si sono effettuate molteplici analisi soprattutto negli Stati Uniti per identificare resti di muri o strutture sotterranee. Verrà ora esposta una letteratura riguardante casi significativi di rilievo mediante il georadar; si è cercato di comprendere una serie di casistiche che rappresentasse i vari imprevisti riscontrabili durante i rilievi. La maggior parte sono stati svolti negli Stati Uniti, oppure da esperti di origine americana, che hanno maggiore esperienza, e che hanno sviluppato tale metodologia. In Italia, e generalmente in Europa, questo tipo di rilievo sta prendendo piede solo negli ultimi anni ed i casi documentati sono in numero nettamente inferiore. I periodi trattati sono nella maggior parte dei casi abbastanza recenti, non perché il GPR non possa essere applicato a periodi antecedenti, ma in quanto negli USA siti archeologici di età antica rappresentano un numero esiguo. Verranno esposti anche degli esperimenti svolti con l’intento di testare varie combinazioni di frequenze, di risoluzione, tipologie di terreni e di reperti, con lo scopo di sperimentare in che modo lo strumento agisca. La maggior parte dei casi ha avuto esito positivo, ma va ricordato che a volte alcune sviste potrebbero portare ad una mancata riuscita del rilievo.

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3.2 - Abbazia benedettina, Leno (Bs). Le indagini presso la Villa Badia di Leno, sono state svolte da Ermanno Finzi2 e Roberto Francese con lo scopo di individuare l’eventuale presenza di corpi sepolti nel territorio in cui si ipotizzava fosse situato il monastero di San Benedetto. Fondato nel 758 da Desiderio, ultimo re dei Longobardi, si erge su di un’area che fu di sua proprietà, nei pressi di una preesistente chiesa dedicata a Maria, al Salvatore e a San Michele Arcangelo. L’area investigata è situata nel parco della villa, su di una superficie di 6500 mq, suddivisa in due elementi principali: un viale di accesso in direzione estovest ed un fossato in direzione meridiana. Il suolo è costituito da terreni alluvionali grossolani (limo, sabbia, ghiaia), con abbondante copertura di terreno vegetale, conseguenza di operazioni di colmata avvenute nei secoli per favorire l’agricoltura. La strumentazione impiegata consiste in un dispositivo monocanale SIR-2 prodotto dalla GSSI in configurazione monostatica con antenne da 400 e 500 MHz. La tecnica di acquisizione prevede una griglia con posizionamento spaziale effettuato con GPS ed una stazione totale per lo stendimento degli assi principali. I profili sub-paralleli hanno distanze fra loro di 1 e 2 metri, in senso longitudinale o trasversale, a seconda dell’accessibilità. Questa ampia trama è stata scelta in quanto permette di rilevare oggetti più grandi, come strutture murarie, fondazioni o pavimentazioni. Ciò consente di eliminare le piccole variazioni dovute a corpi di piccola-media dimensione. La profondità raggiunta nell’analisi si aggira tra 2 e 2.5 m dal piano campagna, derivata dalla diversità del terreno. La ricerca di tracce significative si è concentrata nella zona ad ovest della villa, in due ampie aree separate dal viale d’accesso. Nella zona sud, dove si ipotizzava la presenza di tracce della grande chiesa abbaziale, sono state riscontrate anomalie troppo rare e discontinue. Riferendosi alla planimetria (Fig. 3.1), si presentano le interpretazioni svolte nel 2002: le forme A e A’ sono state identificate come resti della fondazione del presbiterio, essendo parallele, geometricamente simili e distanti 12 m, anche se A’ risulta con evidenza inferiore. Tale distanza è compatibile con la planimetria rinvenuta nell’Archivio di 2

E. Finzi, 2006

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Stato di Venezia risalente a fine ‘700; pure la struttura B sembra ascrivibile alla chiesa ed interpretata come residuo del perimetrale nord. A profondità maggiore (1.20 - 2.00 m) è stata rilevata una struttura quadrangolare (C) antecedente all’abbazia probabilmente un edificio indipendente. Nell’area a nord del viale sono state individuate forti anomalie in superficie, piccole riflessioni localizzate e limitate, da far risalire, probabilmente, alla demolizione del complesso. Oltre la quota -1,5 m dal piano campagna, si presentano forme geometriche (D e F) con il medesimo orientamento delle strutture A - A’ - B. I bersagli rilevati con E e E’ sono stati individuati tramite scavi in cave di ghiaia successivamente riempite da materiali di demolizione dell’abbazia, così come è avvenuto per l’anomalia individuata in G. Lo strumento ha comunque permesso di escludere la presenza di vani o cripte sotterranee. Questo esempio dimostra che la scelta delle regolazioni dipende fortemente dal tipo di terreno, dagli oggetti ricercati e della varietà di situazioni che spesso danno luogo a tracce fra loro simili.

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Fig. 3.1 - Planimetria del sito di Villa Badia (Leno); sono indicate le anomalie rilevate e gli edifici esistenti.

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3.3 - Riverfront Village, South Carolina, USA. Come già evidenziato, in terreni argillosi e ricchi di umidità, la forte conduttività dell’acqua attenua le onde radar, riducendone fortemente la penetrazione3. Un’analisi svolta con successo da Wendy Weaver4 con il GPR è stata eseguita nel villaggio Riverfront del periodo tardo Missisipian e Early Contact Period (1400-1740 d.C.), in cui, sotto un piano di sedimenti alluvionali, un precedente scavo aveva indicato la presenza di strutture insediative. L’analisi è stata svolta con il radar SIR-3000 prodotto da GSSI con un’antenna in configurazione monostatica da 400 MHz. La griglia di ampiezza 100 x 94 m, è stata tracciata su di un terreno di recente aratura che presentava profondi solchi (10 - 15 cm) distanziati di 30 - 40 cm fra loro, che rendeva difficile il trascinamento dello strumento (Fig. 3.2); si è quindi deciso di distanziare i profili di 1 m, spazio ampio rispetto ai targets ricercati, ma dovuto alla frastagliata conformazione superficiale del terreno. Gli studi preliminari hanno mostrato sotto il piano moderno di spessore 40 - 50 cm, un terreno di vecchia aratura che varia da 5 a 20 cm, che copre uno strato con artefatti del XIX secolo d.C., deposito dell’alluvione del 1888 che inondò l’area. Al di sotto di questi, si situa il livello caratteristico preistorico, attestato da manufatti che indicano l’occupazione dal periodo tardo Missisipian. I profili radar sono abbondanti di riflessioni dovute ai solchi ravvicinati dell’aratro; colpiti dalle onde, le irradiano verso l’ antenna, causando un fenomeno di scattering superficiale. Inoltre, l’assorbimento dovuto all’argilla ha cambiato la penetrazione a 40 - 50 cm sotto il piano campagna, corrispondente ad un tempo di propagazione di circa 20 ns. Tutti i profili sono stati visualizzati in sezioni di 3 ns, da 21 a 24 ns di profondità dalla superficie, producendo una mappa che ha mostrato caratteristiche lineari e circolari sotto la profondità dello strato sepolto del XIX secolo (Fig.3.3). Queste anomalie non sono visibili nelle singole sezioni, ma tramite un modello di

3 4

Cfr: J. Leckebusch 2003. W. Weaver 2006

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ricostruzione 3D5. Nella zona sud è stata ipotizzata la presenza di ceppi di legno che dovevano sostenere una palizzata. Gli scavi svolti successivamente, asportando gli strati superiori (40 - 50 cm), hanno scoperto le fondamenta lineari della suddetta palizzata, molto più larghe di quanto ipotizzato; ciò può esser stato dovuto alla composizione del materiale degradato, chimicamente simile al terreno che lo circondava e che ha, così, prodotto una traccia poco visibile. Con questo esempio si dimostra la possibilità di svolgere indagini con il metodo GPR anche in situazioni difficili sia per quanto riguarda la composizione chimica del terreno sia per la sistemazione superficiale, utilizzando idonei accorgimenti. I radargrammi che singolarmente possono risultare ambigui, in un modello globale (mappa d’ampiezza), formano anomalie identificabili che nelle singole tracce sono difficilmente visibili.

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Radan 5.0 e QuickDraw fornito con il radar SIR-3000 permette la trasposizione di più profili in ambiente tridimensionale.

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Fig. 3.2 - Profilo radar del sito di Riverfront village in cui sono visibili le tracce causate dai solchi superficiali (in alto) ed il secondo strato di vecchia aratura (più in basso).

Fig. 3.3 - Mappa d’ampiezza del sito di Riverfront village da 21 a 24 ns in cui sono identificabili caratteristiche lineari e circolari, corrispondenti alla palizzata.

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3.4 - Ceylon plantation, Georgia, USA.6 Verrà trattato ora il problema della risoluzione utilizzando una fitta trama in direzioni perpendicolari fra loro (X e Y). Il sito, posto sulla zona costiera atlantica della Georgia, all’inizio del XIX secolo d.C. fu adibito a piantagione di riso, mentre oggi il terreno risulta sabbioso; anche in questo caso è stato utilizzato il SIR-3000 con antenna da 400 MHz. È stata costruita una prima griglia sul terreno con intervalli di 50 cm nelle due direzioni, con sovrapposta una seconda con distanze di 25 cm nella sola direzione Y: la prima per valutare la bontà del sito, la seconda per ottenere una ottima risoluzione. Nella prima griglia di dimensioni di 10 x 12.5 m con trama maggiore della seconda, costituita da direzioni X e Y ortogonali fra di loro, la profondità raggiunta varia da 30 a 60 cm. Si è quindi costruita una mappa d’ampiezza con orientazione Y ed una con orientazione X. Cuò è utile in quanto risulta maggiormente visibile un bersaglio

colpito,

rispetto

alla

sua

estensione,

trasversalmente

o

perpendicolarmente, piuttosto che parallelamente. La seconda griglia è stata orientata nella sola direzione Y con 25 cm di distanza fra i profili e parzialmente sovrapposta alla prima. Tutte le irregolarità della seconda griglia sono presenti anche nella prima, ma con una migliore risoluzione (Fi0g. 3.4). Successivamente, sono state scavate le porzioni indagate ed in prossimità delle anomalie maggiori sono stati ritrovati, oltre ad una radice di quercia, dei cumuli di artefatti del XIX secolo e resti di fauna. Le ceramiche di alta qualità lasciano supporre una popolazione di proprietari terrieri privilegiati, da associare alla coltura di riso, strettamente legata alla presenza di schiavi Afro-Americani nelle vicinanze. Inoltre, nella porzione nord-ovest è stato ritrovato, a seguito di una rifrazione rilevata, un muro di malta del XIX secolo (Fig. 3.5). Con questo caso si vuole evidenziare l’importanza della scelta fra rapidità di esecuzione dell’esame e bontà dei dati. Essa dipende fortemente dalla dimensione degli obbiettivi ricercati e dal fattore tempo. Una griglia con maglia ampia (1 – 2 m) permette di ottenere buoni risultati su oggetti di grosse dimensioni (muri, fondazioni, 6

J. Pomfret 2006.

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piani), è molto veloce, ma non consente di individuare targets di piccola entità (buche di palo, focolari); questo è permesso da una trama più fitta (75 – 50 cm). Una griglia di dimensione minore (25 cm) può risultare esser troppo fitta e individua le stesse anomalie rilevate da quella di 50 cm; inoltre è impegnativa a livello di tempo ed andrebbe utilizzata solo se si desidera una grandissima risoluzione. L’utilizzazione di una doppia direzione ortogonale, al contrario, offre buoni risultati anche con corpi posti in modo longitudinale alla strisciata; inoltre, tali griglie possono essere sovrapposte per formare una mappa di altissimo dettaglio.

Fig. 3.4 - Profili radar del sito di Ceylon plantation ottenuti dalla prima griglia nelle direzioni X e Y. Sono indicati gli accumuli di materiale maggiormente visibili nella sovrapposizione.

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Fig. 3.5 - Profili radar relativi alla direzione Y ottenuti dalla prima e dalla seconda griglia con interasse rispettivamente di 50 e 25 cm. Nella sezione nord è indicato il muro rilevato con le due diverse risoluzioni.

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3.5 - Tel Hazor, Israele. La città di Tel Hazor fu un’area di grande importanza già nei testi biblici ed il sito, sviluppato su di una superficie di oltre 80 ettari, fu scavato a partire dal 1928, poi a più riprese negli anni ’50, ’60 e ’90. Nel 2003 e nel 20057 si sono svolte indagini con il georadar in una piccola porzione del sito, con l’obbiettivo di localizzare il muro nord di un complesso palazziale. I rilievi svolti nel giugno 2003 hanno compreso l’area scavata che risultava rocciosa con ostacoli; i rilievi sono stati eseguiti attorno alle rocce. Sono state investigate cinque differenti aree con un’antenna da 400 MHz e, per alcuni soggetti, con antenna da 200 MHz, su di una superficie totale di 8 x 11 m. I dati trattati in laboratorio hanno mostrato abbondanti interferenze elettroniche, notate anche durante i lavori di acquisizione (Fig. 3.6). Durante l’esame preliminare, i radargrammi di anomalie che vengono presenta dallo strumento possono sembrare sia echi di oggetti sotterrati che interferenze elettroniche. Un ulteriore problema ha riguardato il terreno stesso, in quanto la composizione chimica del suolo lo rendeva fortemente conduttivo per la presenza prevalente di argilla, sali disciolti e calcare. Anche se il calcare costituisce per le analisi con il GPR un ottimo tipo di terreno, la consistenza di ghiaia, sabbia e argilla, associate al forte vento che sparge le parti più leggere, causa forti problemi di attenuazione delle onde radar. Per la ricerca del muro del palazzo è stata utilizzata un’antenna da 400 MHz, scelta perchè è la frequenza ottimale per tutte le tipologie di terreno e rappresenta un buon compromesso tra profondità di penetrazione e risoluzione. In seguito, il segnale che si ipotizzava rappresentare il muro, fu scoperto essere un’interferenza; le misure acquisite dall’antenna da 200 MHz sono risultate essere notevolmente migliori. Questo secondo tipo di trasmettitore/ricevitore consente una grande penetrazione nel sottosuolo ed è adatto a rilevare la presenza di grandi oggetti. Nel sito di Tel Hazor questo tipo antenna è risultato migliore in quanto l’attenuazione e le interferenze elettroniche esterne sono state minimizzate dal segnale forte e profondo; inoltre le caratteristiche dei reperti ricercati erano compatibili con la ridotta risoluzione offerta.

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Entrambi gli scavi diretti dal Dr. Amnon Ben-Tor dell’ Institute of Archaology of Hebrew University,

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Si è comunque potuto costruire una mappa 3D delle anomalie con i risultati ottenuti tramite l’antenna da 200 MHz (Fig. 3.7), in cui la maggiore ampiezza del colore è causata da una maggiore riflessione. La griglia utilizzata di 2 x 3 m avrebbe dovuto rappresentare solo un test, ma si è rivelata essere un avviso delle interferenze presenti nel sito.

Fig. 3.6 - Interferenze elettroniche nel sito di Tel Hazor; sono visibili le iperboli che si riflettono ampiamente, sicuramente non derivate da oggetti di interesse archeologico.

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Fig. 3.7 - Mappa 3D del sito di Tel Hazor (acquisizione effettuata con antenna da 200 Mhz).

Le indagini svolte nel 2005 avevano lo scopo di ricercare la presenza di una cavità ad est del cortile del palazzo (area 1), la continuazione del muro del palazzo e di valutare la convenienza dello scavo nell’area 3 del sito. Nell’area 1 di dimensione 5 x 2 m, con una distanza fra le strisciate di 0.4 m, è stata scoperta la presenza di una cavità; è stato creato un modello depht slices (mappe di profondità) per migliorarne la comprensione (Fig. 3.8). Questa riflessione è molto simile ad altre che attestavano la presenza di cavità, ma si è anche ipotizzata la presenza di blocchi di basalto, materiale comunemente presente nel sottosuolo del sito. È stato quindi deciso di indagare altre due zone limitrofe che non hanno generato la stessa ampia anomalia, permettendo così di escludere che fosse legata al basalto. Nell’area 3, situata ad ovest dell’area 1, si è ricercata la continuazione dei muri del complesso palazziale; in questa zona non sono state riscontrate anomalie simili a quelle presenti nella prima area. Si sono segnalate due riflessioni verticali e costanti, di larghezza pari a circa 1 m ed estesa per circa 7 m di profondità, che potrebbe rappresentare la continuazione dei muri (Fig. 3.8).

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Questo esempio dimostra come una corretta conoscenza delle problematiche relative al sito sia necessaria per ottenere risultati validi; poiché anche in terreni tipologicamente standard possono “celarsi” insospettabili interferenze, sia elettriche che legate alla composizione fisico-chimica del terreno.

Fig. 3.8 - Depht slices relativa all’area 1 del sito di Tel Hazor: si notano le anomalie relative alla cavità.

Fig. 3.9 - Depht slices relativa all’area 3 del sito di Tel Hazor in cui sono indicate le due anomalie verticali e profonde, probabilmente derivate dalla presenza di muri.

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3.6 - Petra, Giordania. La scelta della frequenza di centro banda delle antenne è indispensabile per ottenere un buon risultato; basse frequenze penetrano maggiormente nel terreno, con una risoluzione minore, consentendo di individuare oggetti di grosse dimensioni; al contrario, antenne ad alta frequenza forniscono una definizione migliore, ma con una limitata penetrazione. In questo esperimento Michail Grealy8 ha sperimentato differenti regolazioni sulla medesima antenna, cambiando la frequenza di centro banda: alta (650 – 800 MHz), media (500 – 650 MHz) e bassa (200 – 350 MHz) (Fig. 3.11), sul sito di Petra in Giordania, utilizzando un georadar SIR-2000 (GSSI). Il terreno risulta composto da sabbia ed i targets sono costituiti da muri di fondazione di epoca nabatea e romana, alla profondità variabile da 0,5 a 2m; la griglia esaminata ha le dimensioni di 9 x 23 m. Lo scopo del test è di determinare se gli stessi dati possono produrre immagini caratteristiche sia in profondità che più superficialmente, per valutare le differenti tecniche di costruzione. Petra, situata in Giordania, fu fino al 106 d.C. fu la capitale del regno nabateo, fino a quando venne conquistata dai romani, che segnarono la sua rapida decadenza. La differenza di tecniche costruttive utilizzate da questi due popoli, si attesta inizialmente nei materiali: i nabatei utilizzarono blocchetti di calcare di medie dimensioni, intervallati da piccole pietre ed argilla, ricoperti di arenaria; i romani utilizzarono blocchi di arenaria. Si è supposto che le tecniche di costruzione fossero visibili dalle sole diverse riflessioni, usando dati di varie frequenze nella stessa antenna. Le murature delle fasi più antiche, caratterizzate da calcinacci dovrebbero apparire come piccole riflessioni causate dai materiali di dimensione ridotta ed a profondità superiore a 1,5 m; le murature romane, costituite da grandi blocchi, dovrebbero essere visualizzate da anomalie più consistenti. Una caratteristica lineare è stata individuata sia a bassa che ad alta frequenza: probabilmente si tratta di una muratura di calcinacci rivestita di prima età nabatea. Uno scavo a trincea risalente agli anni ’60 poco distante, ha individuato pareti di abitazioni risalenti all’epoca più antica. 8

M. Grealy 2006.

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Una mappa d’ampiezza (slice maps) è stata costruita ponendo in correlazione le misurazioni ottenute con la banda alta e bassa (Fig. 3.10) in cui si può notare come ad alta risoluzione, la muratura risulti composta da due pareti parallele di rivestimento, con all’interno un riempimento, impossibile da notare la frequenza minore. I blocchi di arenaria di età romana sono ben visibili e le differenze fra diversi tipi di frequenze non sono notevoli, poiché per la dimensione significativa, causano riflessioni ampie (Fig. 3.12). Le alte frequenze, anche in questo caso, sembrano “avvantaggiate”, in quanto realizzano la definizione di ogni blocco.

Fig. 3.10 - Slice maps relative al sito di Petra, rappresentanti la muratura di calcinacci rivestita di prima età nabatea, Sono raffigurate: la banda totale di frequenza (a) (200 – 800 Mhz), bassa (b) (200 – 350 MHz), e alta (c) (650 – 800 MHz). Si noti come in c sia visibile il rivestimento della muratura.

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Fig. 3.11 - Radargrammi relativi al sito di Petra: banda totale di frequenza (a) (200 – 800 Mhz), bassa (b) (200 – 350 MHz), media (c) (500 – 650 Mhz) e alta (d) (650 – 800 MHz).

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Fig. 3.12 - Slice maps relative al sito di Petra, rappresentanti i blocchi di arenaria di età romana. Sono rappresentate: banda totale di frequenza (a) (200 – 800 Mhz), bassa (b) (200 – 350 MHz), media (c) (500 – 650 Mhz) e alta (d) (650 – 800 MHz). Si noti come in d siano visibili i singoli blocchi.

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3.7 - Mamala bay, Hawaii, USA. In questo sito è stato svolto un esame destinato al monitoraggio archeologico, nonchè all’individuazione e rimozione di un pericoloso rifiuto liquido contenuto in bottiglie di vetro sepolte. Il luogo in cui è stata effettuata l’analisi è il campo da golf situato nella base dell’aeronautica militare di Hickam, all’inizio di febbraio del 2002 da Michael Desilets. Il terreno è costituito da dune sabbiose in posizione litoranea, ora non più visibili in superficie, ma ancora presenti nel sottosuolo. Il sito presenta tracce di occupazione da parte degli indigeni, con sedi insediative e sepolture in posizione adiacente alla costa, quasi totalmente obliterate dalla recente occupazione dell’area. L’insediamento, risalente all’epoca precedente all’arrivo del primo europeo (James Cook nel 1776), attesta lo sfruttamento delle risorse marine, in quanto la pianura sembra insufficiente per il mantenimento della popolazione: i terreni calcarei facilmente drenanti, l’intensità delle radiazioni solari e le scarse precipitazioni non hanno favorito lo sviluppo delle coltivazioni, costringendo gli abitanti a spingersi verso il mare, mentre le dune litoranee sono state utilizzate per le sepolture. Al di sotto del campo da golf si trova un deposito di esplosivi, che dovrà essere bonificato, consentendo quindi di indagare la zona costiera, sede preferita per numerosi insediamenti; infatti due villaggi (Poi e Kumumau) si trovano a breve distanza dall’area che verrà investigata, entrambi documentati storicamente nel 1840 e nel 1888, che potrebbero però avere una continuità di occupazione dall’epoca precontact. L’intensità di occupazione della zona ed il successivo abbandono sono testimoni del passaggio da una sussistenza tradizionale hawaiana, all’inserimento dei locali in un sistema sociale basato sul mercato ed importato dai colonizzatori occidentali. Il metodo georadar è stato utilizzato per “fissare” la posizione dei contenitori di esplosivo, oltre che per definire l’area in cui essi si trovano, tramite una griglia quadrata di 15 metri di lato. Lo scavo è stato limitato alle posizioni delle anomalie identificate usando i dati del GPR ed è stato effettuato tramite l’asportazione di terreno da pozzetti attorno alle irregolarità (Fig. 3.13).

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Sono stati riscontrati due strati: il più recente costituito da argilla di importazione, dovuta alla costruzione del campo da golf; in quello inferiore, invece, costituito da sabbia calcarea, ghiaia corallina e ciottoli, erano presenti le bottiglie contenenti esplosivo. La stratigrafia è molto netta, evidente segno della deposizione degli ordigni anteriormente alla fabbricazione del campo da golf. Inoltre non è stata rilevata la presenza di depositi culturali di epoca hawaiana, né di epoca pre-contact, né di epoca storica. Questo esempio mostra come l’utilizzo del GPR possa essere utile nell’individuazione di anomalie specifiche, oltre che all’individuazione ed alla valutazione

dell’estensione

delle

stesse,

caratteristica

utile

nell’archeologia

d’emergenza.

Fig. 3.13 - Stratigrafia di un pozzetto scavato per rimuovere un contenitore di esplosivo. Si notano i due strati: il più recente costituito da argilla di importazione, dovuta alla costruzione del campo da golf; quello inferiore, costituito da sabbia calcarea, ghiaia corallina e ciottoli.

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Fig. 3.14 - Aree in cui si sono riscontati i rifiuti esplosivi, con differenti probabilità di presenza degli stessi.

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3.8 - Test sites of Illinois and Washington, USA. I cambiamenti di umidità e la percentuale di acqua nel terreno sono stati ritenuti, sin dall’inizio delle applicazioni georadar, fattori determinanti per l’analisi di un sito, in quanto la propagazione delle onde inviate dal GPR e la riflessione dalle interfacce sepolte vengono notevolmente “disturbate”. Inoltre, sono state notate differenze nei risultati ottenuti nei medesimi siti, ma in momenti diversi: tali variazioni sono, a volte, notevoli secondo la stagione e, a volte, si riscontrano differenze anche giornaliere. In questo esperimento Lawrence Conyers ha acquisito dati utilizzando il georadar in due diversi siti archeologici con differenti condizioni ambientali, sistemi GPR e antenne. Sono stati sotterrati manufatti simili a quelli riscontrabili nei contesti d’indagine ed il terreno di copertura è stato compresso per simulare la stratificazione originale. Gli oggetti sepolti variano di tipologia, da focolari a pavimentazioni ad oggetti di legno, di metallo e di ceramica,. I due siti in cui sono stati eseguiti i test sono composti da argilla e limo umidi (Illinois) e sabbia asciutta (Washington). Le caratteristiche sono state sepolte ad una profondità di 30 – 60 cm nel sito dell’Illinois, ad una profondità maggiore ( 50 – 150 cm) in quello di Washington. Sono state raccolte 49 griglie utilizzando tre diversi sistemi GPR, nel momento in cui il terreno risultava asciutto; sono stati raccolti ed esaminati dei campioni di terreno per definirne le caratteristiche chimiche e fisiche; le misure di saturazione dell'acqua nel terreno sono state effettuate in campo. Il limite spaziale delle caratteristiche e degli oggetti conosciuti è stato confrontato con i risultati offerti dai differenti ambienti di elaboraqzione. Questo test fra mappe d’ampiezza e posizione conosciuta ha dimostrato come la presenza di umidità o di acqua in un terreno possa modificare i risultati, a seconda che il terreno sia sabbioso o argilloso. Alcune caratteristiche sepolte hanno prodotto riflessioni di ampiezza bassa, quasi invisibile, quando la terra era asciutta, ma hanno prodotto riflessioni distinte quando l'acqua era presente in quantità. I dati sono stati raccolti usando i sistemi GSSI SIR-10, 2000 e 3000 con antenne accoppiate da 300, 400 e 900 Mhz; sono stati raccolti nel test site dell’Illinois quando il terreno era completamente asciutto, ed in seguito ad una tempesta in cui sono caduti 10 cm di pioggia in 24 ore. Nel sito dello stato di Washington il clima è

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arido ed il terreno risulta composto da sabbia secca e molto permeabile; l’area è stata sommersa da uno strato di 30 cm di acqua spruzzata da un idrante per due giorni prima di effettuare le registrazioni. Tutti i dati sono stati filtrati e la profondità convertita da nanosecondi a centimetri, basandosi sulla posizione degli oggetti conosciuti; infine si è prodotto un cubo spaziale con le relative profondità (massimo 20 cm). Nel sito dell’Illinois gli obiettivi erano formati da quattro pavimenti attigui della casa che contengono i focolari, cisterne e buche di immagazzinaggio (Fig. 3.15). Tre di questi piani sono composti di argilla locale; il quarto, anch’esso formato dal medesimo materiale, fu bruciato in antichità, conferendo durezza ed impermeabilità. I radargrammi, quando la terra era asciutta, hanno rilevato perfettamente i piani, con una buona risoluzione che ha consentito di individuare piccole buche o focolari, ma non hanno evidenziato anomalie di minore entità in quanto il materiale di costituzione ed il terreno limitrofo risultavano identici. Si possono differenziare soltanto grazie ad una minima percentuale di acqua che è stata mantenuta nel sottosuolo. Quando il terreno era bagnato, il pavimento bruciato è diventato molto più distinguibile, mentre gli altri erano quasi del tutto invisibili; l’acqua, che poco prima era penetrata nel suolo, veniva fermata dal piano impermeabile, mentre quelli vicini, della stessa composizione del materiale in cui sono immersi, assorbendo umidità, venivano omologati con il circostante terreno (Fig. 3.17). Le misure ottenute in laboratorio indicano che la costante dielettrica può essere modificata con cambiamenti anche molto piccoli della percentuale di umidità, modificando la visibilità di caratteristiche archeologiche sepolte (Fig. 3.1. Con una piccola percentuale di acqua si può passare da una costante dielettrica pari a 3 quando il materiale è asciutto, ad una pari a 10-15 quando è bagnato.

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Fig. 3.15 - Modello rappresentante i piani sepolti e le caratteristiche archeologiche nel sito dello stato dell’Illinois.

Fig. 3.16 - Grafico rappresentante l’aumento della costante dielettrica su di un terreno inizialmente asciutto e successivamente bagnato. Questo test è stato svolto con terreno del sito dell’Illinois.

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Fig. 3.17 - Radargramma del pavimento con il terreno asciutto (sopra) e bagnato (sotto); test svolto nel sito dell’Illinois con un’antenna da 400 Mhz.

Nel sito dello stato di Washington, risultavano facilmente visibili una serie di diversi oggetti di metallo, plastica, legno, ceramica, oltre a rocce e mattoni (Fig. 3.18). Il metallo produceva una grande riflessione, il pozzo di mattoni e l’anello di roccia erano anch’essi ben visibili, come i rifiuti moderni; ciò in quanto le caratteristiche chimico-fisiche del terreno sabbioso sono molto diverse dagli oggetti e le riflessioni sono quindi ben distinguibili.

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L'unico elemento sepolto non visibile era il legno: tre travi quadrate con un lato di 30 cm. Il sito, dopo le prime indagini, è stato sommerso da 30 cm di acqua, per evidenziare le differenze fra le indagini eseguite prima e quelle svolte con suolo umido. Nel secondo esame, le travi di legno risultavano più evidenti, probabilmente perché il legno aveva assorbito l'acqua, mentre veniva dilavata la sabbia attorno. Il metallo risulta ancora ben visibile, ma altri targets meno riflettenti hanno prodotto riflessioni distorte o diverse da quelle rilevate precedentemente (Fig. 3.19). Con questo esempio si è evidenziato come la presenza di acqua possa modificare i risultati ottenuti, formando differenti risposte, sia in terreni argillosi che sabbiosi.

Fig. 3.18 - Modello rappresentante le caratteristiche sepolte nel sito dello stato di Washington.

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Fig. 3.19 - Radargramma delle caratteristiche sepolte nel test site dello stato di Washington con terreno asciutto (sopra) e bagnato (sotto). Le travi di legno visibili nella seconda prova, sono indicate con la lettera A.

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3.9 - Komochi-mura, Gumna, Giappone. Il moderno villaggio di Komochi-mura è stato costruito sopra una coltre di pomice derivante dall’eruzione di tipo esplosivo, risalente alla metà del VI secolo d.C., di un vulcano situato a 10 km di distanza; sotto questo spesso strato si trova l’antico villaggio. Lo strumento utilizzato per le indagini è il GeoRadar-2 prodotto da OYO con un’antenna di frequenza di centro banda pari a 350 Mhz. Il rilievo è stato svolto su di un terreno costituito da pomice, che ha una costante dielettrica molto bassa, su di uno spessore di circa 2 m, dovuto a più eruzioni. Le evidenze archeologiche presenti nel sito e rilevabili con il GPR sono relative a due tipi di abitazioni e di tombe. Quest’ultime sono composte da un tumulo di terreno di forma quadrata o circolare, delimitate da un fossato, che per primo si è riempito di pomice, successivamente, l’intero mound ha presentato lo stesso comportamento (Fig. 3.20).

Fig. 3.20 - Radargramma rappresentante una sezione di una tomba a mound. Si notano, nei fossati limitrofi, le tracce della pomice che vi si è depositata.

Le abitazioni risultano di due diverse tipologie: le più diffuse erano semi-sotterranee, scavate nel terreno (pit-dwelling), e le altre in superficie (surface-dwelling), entrambe le tipologie sono costruite in legno che, ovviamente, non ha resistito al peso del materiale depositato sopra di esso per le eruzioni.

57

Grazie allo studio della disposizione dei lapilli depositati, è stato possibile definire in che modo le abitazioni sono state distrutte: nelle riflessioni ottenute esaminando le pit-dwelling si possono notare due diversi strati di pomice; all’interno della fossa in cui era inserita la pavimentazione, sono visibili entrambi, segno che il tetto non ha resistito già alla prima eruzione. Per quanto riguarda la seconda tipologia edilizia è più difficile ricostruire le modalità con la quale le case sono state distrutte, in quanto

il radargramma risulta disturbato; si è comunque potuto

quantificare la loro dimensione in 8 m, relativamente alla larghezza dell’anomalia (Fig. 3.22). In un secondo momento è stato possibile ricostruire la pianta dell’intero villaggio, grazie all’identificazione delle anomalie riferibili alle abitazioni.

Fig. 3.21 - Schema che ricostruisce la dinamica con cui la pomice si è depositata sulle due tipologie di abitazioni.

58

Fig. 3.22 - Profili radar relativi ai diversi tipi di abitazioni presenti nel sito di Komochi-mura: le pit-dwelling (sopra) e le surface-dwelling (sotto).

59

3.10 - Valenza, Spagna. Il georadar può anche essere utilizzato all’interno di edifici, come, ad esempio, nella cattedrale di Valenza. Il GPR è stato impiegato per confermare la presenza di strutture sotterranee presenti in vecchie mappe e documenti conservati nell’archivio della cattedrale, nonché per analizzare macchie di umidità comparse sul pavimento. La costruzione della cattedrale di Valenza iniziò nel 1266, sopra le rovine di epoca romana e di una moschea; la prima fase documentata vide l’ultimazione nel 1330, nei cento anni successivi vi fu la costruzione della torre campanaria, mentre fra il 1430 ed il 1530 vi furono svolti lavori di ampliamento ed alcune modifiche strutturali. Il terreno su cui sorge la cattedrale è composto da depositi alluvionali con una profondità di 20 metri, ma soltanto nei primi tre metri si possono riscontrare oggetti di interesse; per questo motivo si è deciso di utilizzare un’antenna da 500 Mhz, compromesso tra la potenza necessaria e la risoluzione richiesta per individuare oggetti di piccole dimensioni. Per determinare l’esatta profondità delle anomalie ci si è basati su oggetti interrati, di cui si conosceva la posizione e comparando il tempo di andata e ritorno dell’onda con la profondità nota, si è ottenuta la costante dielettrica del terreno pari a 9. Noto questo parametro si può calibrare la posizione verticale degli oggetti.

Fig. 3.23 - Planimetria della cattedrale di Valenza, con la localizzazione e la direzione dei profili nelle varie aree indagate.

60

Le vecchie mappe indicavano la presenza di tre cripte, la più grande delle quali (Cripta di Capuchinos), è stata localizzata sotto la navata centrale, posta a 0,5 m dal pavimento ed estesa per 4 metri di lunghezza. Un corpo metallico posto sul tetto delle cripte spiega la grande riflessione. Sono state identificate, inoltre, una cripta, svariate sepolture o tombe, un muro di epoca romana e degli ossari, anch’essi ben documentati (Fig. 3.24 e 3.25).

Fig. 3.24 - Radargrammi ottenuti nella cattedrale di Valenza, è identificabile un ossario (sopra), ed una tomba (sotto).

61

1

3

2

4

4

4

2

Fig. 3.25 - Profili ottenuti nella navata centrale (P1 sopra) e nei pressi dell’altare (P5 sotto). È stato possibile identificare: un muro romanico (1), la cripta di Capuchinos (2), un’altra cripta (3) e alcune tombe (4).

Il secondo scopo dell’analisi è stato quello di individuare, monitorare ed analizzare le tracce di umidità sul pavimento, probabilmente causate da un piccolo bacino sotterraneo posto a 7-9 m di profondità. Sulla pavimentazione, composta da marmo nero posato su un fondo di cemento, si possono riscontrare macchie bianche di sale, dovute all’evaporazione dell’acqua. Proprio in queste zone si sono svolte le ricerche con un’antenna da 900 Mhz. Si sono riscontrate notevoli differenze fra le due aree, una umida ed una secca: nella prima zona, in cui si concentrano le macchie, si trovano numerose riflessioni dovute non soltanto alle differenze fra marmo e cemento; nella parte secca si hanno anomalie meno accentuate, riferibili all’interfaccia fra i due materiali. Fra le due aree si ottengono differenti costanti dielettriche causate dalla presenza di umidità, che altera le caratteristiche dei materiali stessi.

62

Capitolo 4: Regolazioni dello strumento GPR.

4.1 - Descrizione dello strumento. Lo strumento utilizzato per svolgere i test di seguito descritti è il SIR-3000 prodotto da GSSI, del Dipartimento di Archeologia dell’Università di Padova. Questo sistema radar è composto da un’antenna monocanale da 400 MHz, un computer per l’acquisizione, visualizzazione e registrazione dei dati successivamente trasferiti (tramite memory card o hard disk portatile); sono presenti connettori che consentono il trasferimento dati: una porta seriale, una porta Ethernet e due porte USB (Fig. 4.2). L’unità produce dati digitali in formato dzt compatibili con il software RADAN. L’antenna ed il computer da campagna sono collegati tramite un cavo predisposto a 19 pin e alloggiati su di un carrello a tre ruote. All’antenna è inoltre collegato un dispositivo connesso a una ruota che registra la distanza e interrompe il flusso delle onde quando il sistema è fermo. Per alimentare lo strumento si utilizza una batteria ricaricabile inserita nell’unità centrale (Fig 4.1).

63

Fig. 4.1 - Il sistema radar SIR-3000 prodotto dalla GSSI; questo modello monta un’antenna da 400 Mhz.

Fig. 4.2 - L’unità di elaborazione centrale del georadar SIR-3000.

64

4.2 - Regolazioni preliminari per il rilievo. Prima di procedere con l’acquisizione dei dati è necessario regolare lo strumento per ottimizzare il lavoro di acquisizione; sarebbe altresì auspicabile conoscere preventivamente le caratteristiche del terreno, la velocità di propagazione e la profondità degli oggetti ricercati. Due sono gli approcci per il trattamento dei dati: registrazione come dati grezzi e trattamento solo nel processo di post-acquisizione, senza alcun filtraggio preliminare; oppure un filtraggio ad hoc in fase di registrazione per consentire un’interpretazione mentre si è in campagna. Sull’unità di elaborazione è predisposto un software (TerraSIRch) che permette, oltre alla visualizzazione e alla registrazione dei dati, anche le regolazioni preliminari, importanti per la buona riuscita del rilievo e non modificabili successivamente. Sul display, suddiviso in quattro aree (Fig 4.3), sono presenti, oltre alla visualizzazione principale in formato linescan, una visione ad oscilloscopio, un menu per cambiare i parametri ed i pulsanti di comando. Nella zona a sinistra dello schermo si possono modificare tutti i parametri prima di effettuare l’acquisizione; nel menu collect (Fig 4.4) è possibile modificare: •

time window (in TerraSIRch sotto la voce range): l’intervallo di tempo in cui l’antenna acquisirà l’energia delle onde radar riflesse (Conyers, 1997). Questo valore dipende dalla velocità delle onde nel suolo e dalla profondità dell’oggetto ricercato. È quindi buona norma conoscere le proprietà del mezzo e, quando ciò non è possibile, si consiglia di applicare le regolazioni standard che prevedono un intervallo di 50 - 150 ns per una penetrazione di 2 - 3 m sufficiente per analisi di tipo archeologico;

•

numero di campioni per scansione (samples), rappresenta la definizione nel campionamento dell’onda riflessa e può valere 256, 512, 1024, 2048, 4096. I valori consigliati vanno da 512 a 1024, in quanto se minori offrono una rappresentazione

poco

dettagliata,

se

maggiori

richiedono

adeguata

occupazione di memoria; •

formato dei dati (format): consente di produrre dati in formato 8 o 16 bit; è tuttavia consigliabile il secondo valore;

65

•

costante dielettrica (diel): variabile da 1 ad 81, dipende dal tipo di terreno;

•

rate: il numero di scansioni che il sistema registrerà nella propria memoria RAM per ogni secondo;

•

gain: le zone più profonde indagate avranno sempre ampiezza del segnale inferiore rispetto alle superiori, a causa della forma conica dell’onda e dell’attenuazione del segnale. Per risolvere questo problema si può applicare un’amplificazione controllata. Con TerraSIRch si può impostare su automatico o manuale: nel primo caso è lo strumento a regolare l’amplificazione; nel secondo si può scegliere il numero di punti in profondità sull’onda trasmessa e applicarvi un fattore di gain. Questo filtro, che si misura in dB, può essere applicato anche nei processi di post-acquisizione dei dati; quindi, è consigliabile non utilizzare un fattore eccessivo di amplificazione;

•

posizione del segnale (position): consente di localizzare il segnale per collocare la prima riflessione ricevuta entro la time window preimpostata; ciò può essere svolto sia manualmente che automaticamente;

•

offset: questa opzione consente di eliminare la prima parte di segnale, dall’antenna al terreno; può essere svolta anche successivamente all’analisi, utilizzando la visione ad oscilloscopio, rimuovendo la parte compresa fra l’inizio della traccia ed il primo picco positivo;

•

filtri (filters): esistono due tipologie di filtri applicabili prima dell’acquisizione dei dati: FIR (finite impulse response) e IIR (infinite impulse response); Sono usati per minimizzare le interferenze esterne: i filtri FIR non alterano la fase del segnale, i filtri IIR sono utilizzati per alcuni tipi di antenne e consentono di rimuovere alcune caratteristiche del segnale. Questi filtri sono specifici per ogni antenna e si regolano automaticamente innestando l’antenna stessa. Si suddividono in LP (low pass) ed HP (high pass), agendo rispettivamente sulle basse ed alte frequenze;

•

trace stracking: è un filtro per rimuovere il rumore associato all’onda riflessa, che può essere causato da interferenze di trasmissione Fm, da cavi, o dall’operatore stesso; rileva, anche, piccole riflessioni anomale dovute all’irregolarità della superficie del terreno. Tale filtro consiste nella media

66

aritmetica di più tracce per formare una traccia media ed è efficiente se la velocità di trascinamento non è elevata; •

background removal (bgr_rmv): è un filtro che rimuove la banda orizzontale dovuta al “ringing” di alcune antenne che possono oscurare i dati riflessi, o che possono creare riflessioni da oggetti o persone poste attorno all’antenna. Questo filtro rimuove le riflessioni che si producono contemporaneamente, lasciando quelle casuali.

Le regolazioni consigliate dall’azienda costruttrice per l’antenna da 400 MHz predisposta sul GPR sono le seguenti (Tab. 4.1):

Range

50 ns

Samples per scan

512

Resolution

16 bits

Number of gain points

3

Vertical high pass filter

100 MHz

Vertical low pass filter

800 MHz

Scan per second

120

Tab. 4.1 - Regolazioni consigliate per il SIR-3000 con antenna da 400 Mhz, con costante dielettrica pari a 5 e capace di raggiungere una profondità di 3m.

67

Fig. 4.3 - Visualizzazione e registrazioni dei dati ottenuti con il programma TerrsSIRch. A sinistra il menu per la selezione dei parametri, in centro la finestra principale con linescan, a destra si trova la visualizzazione ad oscilloscopio ed in basso la descrizione relativa ad i pulsanti.

Fig. 4.4 - Menu per la regolazione dello strumento; sono presenti tutti i filtraggi permessi.

68

4.3 - Trattamento dei dati dopo l’ acquisizione. Questo è un processo molto importante, che consente di agevolare l’interpretazione dei dati ottenuti da indagini in campagna; tramite il software in dotazione con lo strumento (RADAN 5.0). In primo luogo dovrebbe essere convertita la profondità raggiunta (presentata in nanosecondi e corrispondente al tempo doppio di riflessione TWT) in metri tramite le procedure indicate nel capitolo 2. Generalmente i risultati sono “disturbati” da rumore, riverbero o interferenza, per rimuovere i quali si possono utilizzare i filtri da applicare precedentemente all’acquisizione9, oppure utilizzare il software di post-elaborazione dei dati. 4.3.1 - Tipologie di visualizzazione. La visualizzazione dei dati può essere effettuata tramite tre modalità: linescan, wiggle e o-scope (Fig. 4.5): •

linescan è un formato che assegna ad una tonalità di grigio specifiche caratteristiche positive o negative dell’ampiezza del segnale; la scala verticale rappresenta la profondità e quella orizzontale la distanza. Questo tipo di rappresentazione è il più caratteristico ed utilizzato.

•

Wiggle consiste in una scansione radar multipla utilizzata in campo geologico.

•

O-scope mostra una sola scansione alla volta con un’unica onda, utile per il processo di regolazione dell’offset.

9

Cfr paragrafo 4.2

69

Fig. 4.5 Le tre diverse tipologia di visualizzazione permesse con il software RADAN 5.0: wiggle, linescan e o-scope (in ordine dall’alto verso il basso).

4.3.2 - Regolazione scala verticale ed orizzontale. La regolazione della scala verticale si rende necessaria per eliminare la distanza fra l’antenna ed il terreno, il cosiddetto offset, che si elimina rimuovendo la parte compresa fra l’inizio della traccia ed il primo picco positivo. La normalizzazione della superficie, invece, viene utilizzata per assegnare una quota maggiore a determinati punti e a normalizzare quella di altri; questo è utile per evidenziare zone della scansione che interessano maggiormente.

70

La regolazione della scala orizzontale è utile per stabilire una scala costante in orizzontale, procedimento necessario quando non si utilizza una velocità di trascinamento costante.

4.3.3 - Filtri. Oltre ai filtri background removal, FIR ed IIR, che possono essere applicati sia prima che dopo il rilievo, si possono utilizzare: •

frequency

spectrum

data:

utilizzato

per

determinare

la

frequenza

predominante dei dati e per individuare quella di ogni “rumore”. Lo spettro di frequenza analizza in dettaglio ogni scansione basandosi sulla visualizzazione on o-scope; •

filtri F - K: è una tecnica in cui le riflessioni registrate nel formato del tempo, sono trasformate in frequenza; le riflessioni a grande angolo, che potrebbero oscurare i dati orizzontali, vengono rimosse. Questa tecnica è stata sviluppata per il trattamento dei dati sismici;

•

deconvoluzione: durante l’emissione di un impulso radar trasmesso nel terreno, parti del segnale possono mutare forma; questo filtro si propone di rimuovere la parte che ha mutato aspetto, ripristinandone la forma originale. Può essere utilizzata per risolvere riflessioni difficili da identificare, ma il problema maggiore è la difficoltà di determinazione della forma iniziale dell’impulso;

•

migrazione: l’obiettivo di questo filtro è di focalizzare le iperboli di riflessione fino a ridurle alla dimensione di punto, aumentando la precisione circa il posizionamento dell’oggetto ritrovato.

4.3.4 – Ottimizzazione della visibilità. Per aumentare la possibilità di percezione delle anomalie, sono stati messi a punto metodi che permettono di accentuare le basse ampiezze delle sezioni dei dati o di evidenziare anche le piccole irregolarità:

71

•

color transform: è possibile associare ad ogni tonalità di grigio un diverso colore, in modo da render subito percettibili le piccole difformità;

•

range gain: questo parametro può essere modificato sia prima che dopo le operazioni di registrazione dei dati e in quattro modi diversi: automatico, manuale, lineare ed esponenziale. Il primo modifica i dati normalizzandoli fra 2 e 5 dB; utilizzando la modalità manuale, si raccomanda di mantenere valori compresi fra 4 e 8 dB. Con i due modi di modifica del gain lineare ed esponenziale è possibile variare il livello di amplificazione associando un diverso valore a diversi punti della scansione; il lineare utilizza un incremento costante entro due punti;

•

restore gain: è possibile rimuovere il gain applicato durante l’acquisizione dei dati.

72

4.4 - Visualizzazione tridimensionale. Per migliorare l’interpretazione dei dati GPR, è stato sviluppato un software (3D QuickDraw) che permette di migliorare la visualizzazione bidimensionale, interagendo direttamente con i dati. La struttura dei dati è composta da profili radar paralleli, in cui le tre coordinate X Y Z corrispondono alla lunghezza del radargramma (X), alla profondità raggiunta, quindi tempo di andata e ritorno dell’onda radar (Z), e alla somma delle distanze fra ogni profilo (Y) (Fig. 4.6). Quando genera il modello tridimensionale, il software, analizza ogni profilo e lo confronta con quelli vicini, tramite un processo di interpolazione e produce un solido corrispondente al terreno indagato (Fig. 4.7). È possibile eseguire una sezione ad una profondità desiderata (depht slices) e vedere le anomalie attraverso tutte le scansioni in cui sono presenti. La qualità del modello aumenta proporzionalmente con il numero di campioni a disposizione e con la vicinanza fra questi. Il software crea un file con la stessa estensione del programma radan (.dzt) ed un file che serve da indice (.ind). Le operazioni di registrazione dei dati in campagna sono eseguite con il consueto metodo della stesura di una griglia10, che può essere unidirezionale, con le strisciate registrate nella stessa direzione, o a Zig-Zag cioè alternate.

10

Cfr paragrafo 4.4

73

Fig. 4.6 - La struttura dei dati in una rappresentazione tridimensionale, composta da profili radar paralleli, in cui le tre coordinate X Y Z corrispondono alla lunghezza del radargramma (X), alla profondità raggiunta (Z) e alla somma delle distanze fra ogni profilo (Y).

Fig. 4.7 - Esempio di visualizzazione tridimensionale di una sezione orizzontale di terreno (rappresentato come un cubo) e relativo taglio verticale (time slice).

74

Il software 3D QuickDraw rappresenta il piano del terreno, consentendo di visualizzare l’intero database a disposizione. Per aumentare la visibilità delle singole anomalie è possibile associare una palette di colori. È inoltre possibile interagire con il cubo costruito per: •

cambiare le dimensioni;

•

espandere o comprimere l’asse della Z;

•

cambiare l’orientazione;

•

disporre una griglia che permette la precisa individuazione di anomalie;

•

cambiare lo sfondo;

•

cambiare i colori;

•

aumentare il contrasto;

•

aumentare il gain;

•

effettuare dei tagli (slice) su ogni profilo ed in qualsiasi direzione;

•

effettuare con i vari slice una sovrapposizione continua che permetta di visualizzare ogni taglio in modo continuo.

Con questo metodo risultano facilmente individuabili oggetti di grandi dimensioni (muri, fondazioni, tubature, piani di calpestio) in quanto le varie sezioni affiancate consentono di individuare anomalie attigue costanti e, nel caso di obiettivi di minori dimensioni, si possono, comunque, definire più accuratamente la dimensione, la forma ed il posizionamento spaziale degli stessi.

75

Fig. 4.8 Esempio di visualizzazione tridimensionale di un terreno (campagna di indagine eseguita nel 2004 a Gortyna Grecia dall’Università di Padova, Dipartimento di Archeologia).

76

Capitolo 5: Applicazione del GPR su materiali diversi.

5.1 - Introduzione. In questo capitolo saranno presentate le prove eseguite con il georadar Sir-3000 su alcune comuni tipologie di terreni e pavimentazioni urbane. Questo esperimento ha lo scopo di calibrare la strumentazione per eseguire un’analisi con il GPR, soprattutto per ciò che riguarda il materiale di superficie caratterizzato da tipologie differenti ed il relativo sottosuolo. Tutti i rilievi sono stati svolti nel Laboratorio di Archeologia dell’Università di Padova di Ponte di Brenta nel maggio 2007.

77

5.2 - Ghiaia. In questa prima prova è stato esaminato il cortile del Laboratorio di Ponte di Brenta. È un’opera recente e la sezione lo conferma; infatti, la parte bassa risulta omogenea, mentre la parte alta si presenta con piccoli movimenti facilmente derivati dalla ghiaia e ampie irregolarità dovute alle canalette dei tombini e alle radici di un albero. Dopo l’acquisizione è stato applicato un gain di 2,4 dB per evidenziare il risultato; è stato inoltre stato rimosso l’offset fra l’antenna ed il terreno.

Fig. 5.1 - Immagine della ghiaia del cortile del Laboratorio di Ponte di Brenta.

78

Radici

Zona omogenea

Canaletta del tombino

Ghiaia

Fig. 5.2 - Profilo derivato dalla ghiaia del cortile del Laboratorio di Ponte di Brenta.

79

5.3 - Lastricato di cemento. Il georadar è stato utilizzato su di un lastricato costituito da piccoli ciottoli su basi quadrate cementizie. Nella zona alta del profilo si può vedere una parte scura che corrisponde alle lastre e, sotto questa, dei segni che, come si è potuto riscontrare precedentemente, sono dovuti alla ghiaia. Un oggetto metallico come un tombino produce una forte eco, maggiore della sua dimensione, in quanto i metalli sono materiali molto riflettenti e tendono ad offuscare tutto ciò che si trova al di sotto11. Anche in questo caso come nei successivi, è stato rimosso l’offset per la distanza fra antenna-terreno, ed è stato inoltre applicato un fattore gain di 2 dB, per dare maggiore rilievo ad ogni anomalia.

Fig. 5.3 - Lastricato costituito da piccoli ciottoli su basi quadrate cementizie.

11

Cfr paragrafo 2.7

80

Lastre di cemento con ciottoli

Ghiaia

Tombino di metallo

Canaletta del tombino

Fig. 5.4 - Profilo derivato dal lastricato cementizio con ciottoli.

81

5.4 - Cemento, metallo e ghiaia. In questo viene utilizzato il georadar con più materiali: una pavimentazione di cemento, una grata di metallo, una pesa per automezzi e la ghiaia. Il cemento fornisce come risultato, una zona omogenea; la griglia di metallo, come visto precedentemente, forma una zona di totale riflessione, di cui si ha traccia anche nella parte sottostante; si può notare anche un’anomalia dovuta probabilmente ad un tubo metallico interrato. La pesa si presenta come una zona di forte riflessione che offusca la buca sottostante; infine, la ghiaia, composta da piccoli ciottoli fornisce i risultati visti precedentemente.

Fig. 5.5 - Immagine relativa ad una gettata di cemento, in cui sono presenti: una griglia, un tubo interrato, la pesa e la ghiaia.

82

Ghiaia

Pesa per automezzi

Tubatura metallica

Pavimentazion e di cemento

Grata metallica

Fig. 5.6 - Sezione relativa ad una gettata di cemento, in cui sono presenti: una griglia, un tubo interrato, la pesa metallica e la ghiaia.

83

5.5 - Asfalto. In questo test si è analizzata la risposta del georadar in un comune ambiente urbano; a profondità non troppo elevata si può notare un piano orizzontale, probabilmente il piano di fondazione della strada. Le anomalie presenti su tutta la sezione sono dovute a tombini, tubature, cavidotti, condutture o canalette. È evidente la difficoltà insita nella precisa decifrazione degli oggetti sepolti, mentre la presenza di tali è accertata sicuramente.

Fig. 5.7 - Parte di strada su cui è stato svolto il rilievo relativo all’asfalto.

84

Piano di fondazione della strada

Probabile canaletta, tubatura, cavidotto, conduttura o canaletta

Fig. 5.8 Sezione relativa ad una strada asfaltata in cui è visibile il piano di fondazione e delle anomalie variamente interpretabili.

85

5.5 - Terreno erboso. Questa tipologia di terreno è quella di maggiore interesse a livello archeologico poiché si riscontra nella maggior parte dei casi di utilizzo del georadar in archeologia. In questo caso si tratta di un’aiuola inserita in un contesto urbano, in cui si risconta la presenza di radici di alberi più o meno grandi. Si osserva un piano orizzontale abbastanza omogeneo, probabilmente dovuto all’apporto di terreno risultato dalla costruzione dell’aiuola stessa.

Fig. 5.9 Immagine relativa al terreno erboso su cui è stato effettuato il test.

86

Radici

Piano orizzontale di apporto del terreno

Fig. 5.10 Sezione relativa all’aiuola con visibili le radici ed il piano di apporto del terreno

87

Conclusioni. In questo lavoro si è trattata il rilievo georadar, per applicazioni in campo archeologico e sono stati presi in esame alcune tipologie di materiali di superficie. L’archeologo non può utilizzare questa tecnica senza l’ausilio di scavi; il GPR da solo non può rimpiazzare i metodi archeologici, ma può andare incontro alle esigenze della ricerca archeologica. Per uno sviluppo futuro è importante integrare il metodo con dettagliate informazioni archeologiche e geologiche raccolte da scavi e da studi stratigrafici; in questo modo si può avere a disposizione uno strumento capace di creare mappe antropiche, culturali e ambientali del sito esaminato. Ed è proprio sull’interazione che è necessario lavorare, se si vuole ottenere dal georadar qualcosa di più delle immagini bidimensionali di lineamenti posti nel sottosuolo. Il georadar consente di scoprire lineamenti nascosti situati in una posizione vicina (nell’ordine di 5 metri) alla superficie, senza danneggiare in alcun modo la situazione superficiale e dei terreni tanto meno gli oggetti da ricercare. La velocità di esecuzione consente di indagare ampie zone in tempi ristretti, ottenendo la disposizione in ampiezza delle caratteristiche ricercate. La grande versatilità dello strumento è garantita dall’impiego di diverse gamme di frequenza che possono adeguare la profondità di penetrazione e la risoluzione in base alle applicazioni. Il successo di ogni indagine è comunque legato ad una corretta applicazione della strumentazione, ad un buon utilizzo delle regolazioni preliminari, dei filtraggi che possono essere applicati ed alla corretta interpretazione dei dati.

88

Bibliografia

Libri

•

Castellano A., Martini M., Sibilla E., Elementi di archeometria, Egea, 2002 Anche in questo caso il manuale contiene diverse tipologie di metodi archeometrici e geofisici, tra cui il GPR.

•

Conyers L.B., Goodman D., Ground-penetrating radar, an introduction for archaeologist, Altamira Press, Walnut Creek, CA, USA, 1997. Libro indispensabile che tratta l’argomento in modo comprensibile e completo, con vari esempi svolti dagli stessi autori.

•

Mussett A.E., Aftab Khan M., Esplorazione del sottosuolo, Una introduzione alla geofisica applicata, Zanichelli, Bologna, 2003. Testo di discreta utilità, in quanto contiene una lunga trattazione di metodi geofisici ed un capitolo dedicato al georadar.

89

Articoli

•

Annan A.P., Davis J.L., Ground Penetrating Radar, coming of age at last, in Electrical and Electromagnetic Methods Paper 66. Un’ottima introduzione generale al metodo georadar, spiega i principi di funzionamento, la strumentazione oltre alla metodologia d’indagine.

•

Carrozzo M.T., Leucci G., Negri S. e Nuzzo L., Preliminari indagini geofisiche ad alta risoluzione nel sito archeologico di cavallino (Le), in GNGTS – Atti del 19° Convegno Nazionale 04.13. Riassunto delle indagini svolte nel salento leccese, in un abitato che si è evoluto dall’età del bronzo, testimoniando contatti con la civiltà greca e poi romana.

•

Conyers L. B., Moisture and Soil Differences as Related to the Spatial Accuracy of GPR Amplitude Maps at Two Archaeological Test Sites, in Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Netherlands Esempio di applicazione del metodo in due diversi siti, con lo scopo di mostrare differenti risultati che si possono ottenere analizzando diversi tipi di caratteristiche archeologiche e terreni.

•

De Domenico D., Giannino F., Marino A., Nuzzo L., Rizzo E., Indagini elettriche e radar: integrazione dei metodi nello studio dei resti sepolti del monastero Normanno in s. Marco d’Alunzio (Me) in GNGTS – Atti del 21° Convegno Nazionale 09.18. Indagini eseguite con lo scopo di identificare un monastero di epoca normanna, che al tempo delle ricerche si trovava sepolto.

90

•

De La Verga M., Osella A., Lascano E., Carcione J. M., Groung-penetrating radar

and

geoelectrical

simulations

of

data

from

the

floridablanca

archaeological site, in Archaeological prospection, 12-2005, p. 19-30. Attuazione di due diverse tecniche di indagine geofisica (GPR e geoelettrica) per evidenziare le differenti risoluzioni fra le due metodologie.

•

De Pasquale G., Moranti D., Falci M., Pieraccini M., Luzi G., Sistemi radar per introspezione sotterranea ed intramuraria: applicazioni all'Archeologia e ai Beni architettonici, in Alta Frequenza, 2-2001. Breve esposizione delle caratteristiche del georadar e presentazione dia alcune applicazioni eseguite dagli autori con attenzione principale all’esame intramurario applicato ai beni architettonici.

•

De Pasquale G., Pinelli G., Indagini preliminari per la detezione e la mappatura del suolo, Ingegneria dei Sistemi (IDS). Introduzione al metodo GPR, per presentare il sistema RIS/S prodotto dall’azienda toscana.

•

Desilets M., Archaeological monitoring of hazardous waste removal at Mamala bay golf course, Hickam air force base, O’ahu, Hawai’i, T.S. Dye & Collagues, Archaeologist, Inc., Honolulu, 2002. Resoconto delle indagini svolte nel campo da golf della base dell’aeronautica militare americana, per ritrovare esplosivi abbandonati e confermare precedenti presenze antropiche nel luogo.

•

Finzi E., Piro S., Metodi per impulsi elettromagnetici Georadar, in C.N.R. Quaderni dell’ITABC, 1990, num. 1, Roma. Introduzione al metodo GPR in un momento di sviluppo della metodologia.

•

Finzi E., Il monastero sotterraneo. Indagine con il metodo GPR per la localizzazione e la mappatura di strutture sepolte nell'area dell'abbazia

91

benedettina di Leno, in Brixia sacra, memorie storiche della diocesi di Brescia, 2006, terza serie, anno XI, N. 2, Brescia. Riassunto delle indagini svolte dal Prof. Finzi nel sito di Leno; presenta una prima parte di introduzione alla metodologia ed una seconda di trattazione della problematica concreta inerente al sito.

•

Gortyna di Creta, teatro del Pytion, rapporto della campagna di ricerche del 2004, Università di Padova - Dipartimento scienze dell’antichità, Scuola Archeologica Italiana di Atene. Rapporto degli studi eseguiti nel 2004 a Gortyna, in cui si sono svolte un’ampia serie di indagini, anche con il GPR.

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Grealy M., Resolution of Ground-penetrating radar reflections at differing frequencies, in Archaeological prospection, 13-2006, p. 141-145. Confronto fra la risoluzione ottenuta con varie frequenze sugli stessi oggetti indagati.

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Ground penetrating radar survey report, Tel Hazor, Israele 2003 e 2005, Mnemotrix Sistems, Inc. Rapporto delle indagini eseguite nel sito di Tel Hazor nel 2003 e 2005.

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Leckebusch J., Ground-penetrating radar: a modern three-dimensional prospection method, in Archaeological prospection, 10-2003, p. 213-24. Articolo completo in cui viene eseguita un’analisi sullo stato dell’arte, oltre ad una introduzione dettagliata sui principi di funzionamento. Vi è inoltre una sezione dettagliata dedicata alla modellazione tridimensionale.

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Manacorda G., Papeschi P., Sistema radar RIS: Applicazioni DIG, NO-DIG e geologiche, Ingegneria dei Sistemi (IDS). Introduzione al metodo GPR, per presentare il sistema RIS/S prodotto dall’azienda toscana.

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Olhoeft G.R., Application of Ground Penetrating Radar, in Proceedings of the 6th International Conference on Ground Penetrating Radar, 1996, Sendai, Giappone. Tratta a carattere generale la storia degli studi del metodo GPR, non solo dal punto di vista archeologico.

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Perez Garcia V., Canas J. A., Pujades L. G., Clapés J., Caselleso., García F., Osorio R., GPR survey to confirm the location of ancient structures under the Valencian Cathedral (Spain), in Journal of Applied Geophysics 43 (2000) 167174. Applicazione del georadar all’interno della cattedrale di Valenza, con l’obbiettivo di verificare gli ambienti presenti su antiche mappe e controllare zone di umidità presenti sul pavimento.

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Pomfret J., Ground-penetrating radar profile spacing and orientation for subsurface resolution of linear features, in Archaeological prospection 132006 p.151-153. Esempio di utilizzo di varie griglie di acquisizione.

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Tohge M., Karube F., Kobayashi M., Tanaka A., Ishii K., The use of ground penetrating radar to map an ancient village buried by volcanic eruption, in Journal ofApplied Geophysics 40 (1998) 49-58. Utilizzo del GPR nel sito archeologico di Komochi-mura.

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Weaver W., Ground-penetrating radar mapping in clay: success from South Carolina, USA, in Archaeological prospection, 13-2006, p. 147-150. Esempio di un’applicazione del metodo georadar su di un terreno argilloso.

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Siti internet.

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http://www.geophysical.com/

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http://www.ids-spa.it/

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http://www.mnemotrix.com/

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http://ing.univaq.it/~georadar/