Utilizzo di una scansione laser 3D per il rilevamento dei mutamenti strutturali in grotte di sale e di ghiaccio.

Caso applicativo

Autore: Tommaso Santagata

La scansione laser terrestre (TLS) viene utilizzata da più un decennio per i rilevamenti sotterranei ed è sempre più utilizzata nell'esplorazione e nella ricerca all'interno delle grotte. Tommaso Santagata della Virtual Geographic Agency Vigea ha recentemente utilizzato le soluzioni di scansione laser Leica Geosystems in rilevamenti all'interno di due grotte: un'indagine sui mutamenti morfologici (forma e struttura) nella grotta di sale di Lechuza in Cile e nella grotta di ghiaccio naturale in Italia.

Santagata spiega come la scansione dettagliata a intervalli sia in grado di offrire una visione dei cambiamenti fisici negli ambienti delle grotte: " Sebbene la maggior parte dei processi che avvengono nelle grotte siano relativamente lenti, alcuni possono essere veloci, come l'erosione causata dalle inondazioni. È possibile monitorare tali mutamenti geologici tramite rilievi terrestri a scansione laser e misurarli confrontando i modelli 3D del "prima e dopo". È uno strumento interessante per eseguire un confronto temporale ed è quindi sempre più utilizzato nello studio del cambiamento climatico".


Misurazione dei mutamenti causati dalle inondazioni all'interno della grotta di Lechuza (Cordillera de La Sal)



Nei pressi del villaggio cileno di San Pedro de Atacama si trova un'importante grotta, composta da rocce formatesi da depositi di minerali dell'Oligo-Miocene, nota come Cordillera de la Sal. Due rilievi effettuati nel 2015 e nel 2018 hanno permesso al team di Santagata di verificare e misurare all'interno della grotta, piccoli mutamenti a livello topografico dovuti a un'inondazione avvenuta nel 2017, che ha causato il riversarsi del fiume nella grotta e lo scioglimento di una misurabile quantità di un minerale, l'alite, comunemente noto come salgemma.

Nel 2015 è stato organizzato un rilievo completo in 3D della grotta da La Venta Esplorazioni Geografiche e dalla Commissione Grotte Eugenio Boegan di Trieste. Il team ha impiegato uno scanner laser a "differenza di fase" Leica HDS7000 per eseguire circa 50 scansioni. Nel 2018, il team di La Venta, in collaborazione con l'Università di Bologna ha utilizzato una Leica ScanStation P40 per eseguire 68 scansioni, compresi circa 200 metri rilevati nel canyon esterno a monte della grotta come parte del progetto di ricerca "Reading the salt caves of Atacama" sostenuto dalla National Geographic Society.

I dati di Lechuza ottenuti in formato di file di nuvole di punti sono stati successivamente analizzati per identificare le aree in cui si sono verificati i mutamenti. Santagata spiega: "Dal momento che sono state trovate variazioni molto limitate, è stato necessario riconoscere i punti in comune e posizionare le nuvole di punti nella stessa origine e con il medesimo orientamento per poter procedere a una comparazione. In almeno tre zone della grotta, i cedimenti del soffitto e l'erosione del pavimentazione sono stati riconosciuti e digitalizzati al fine di ottenere sezioni dettagliate di queste sezioni della grotta. La comparazione di questi due rilievi ha dimostrato che in questo caso, è stato possibile documentare con precisione le aree in cui si sono verificati distacchi o erosioni di carattere torrenziale".


Il progetto di monitoraggio delle grotte naturali di ghiaccio e roccia: misurazione dei cedimenti del ghiaccio



Il secondo studio riguarda il deposito sotterraneo di ghiaccio nell'Abisso Cenote, una delle grotte più profonde e grandi delle Dolomiti italiane. La grotta di ghiaccio, profonda 280 metri, è stata scoperta nel 1994 dopo che l'entrata si è aperta in seguito al brusco svuotamento di un piccolo lago nel Parco Regionale di Fanes, Sennes e Braies. L'entrata verticale della grotta consiste in un massiccio deposito di ghiaccio stratificato di 130 metri di spessore; al limite inferiore della parte di entrata riempita di ghiaccio si apre un cunicolo - privo di ghiaccio e profondo 165 metri - che conduce in una camera a forma di cupola occupata da un ghiacciaio roccioso.

I rilievi a scansione laser effettuati nel 2015, 2016 e nel 2018 hanno permesso al team di Santagata di stimare le variazioni dovute ai cedimenti e di acquisire dati per un progetto di monitoraggio completo. La prima spedizione nell'ottobre 2015 ha incluso un rilievo completo con scansione laser 3D della camera finale utilizzando uno scanner laser a "differenza di fase" HDS7000. Tale rilievo ha fornito il volume dettagliato della camera (420.000 m³) così come una prima registrazione della posizione delle masse di ghiaccio pendenti dal soffitto e della parte inferiore del ghiacciaio roccioso. Durante questa spedizione e in quelle successive del 2016 e del 2018, sono state scansionate in 3D altre parti della grotta utilizzando una ScanStation P40.

Santagata spiega: "A causa del ghiaccio che ha riempito alcuni passaggi negli anni successivi, non è stato possibile ripetere il rilievo della camera finale (questo sarà un obiettivo per le spedizioni future). Tuttavia, i dati acquisiti in questi anni nella parte superiore della grotta ci hanno permesso di studiare i mutamenti avvenuti nelle prime due sale vicine all'ingresso. In particolare, un cedimento è stato evidenziato in un'area, che ha portato all'allargamento di un passaggio verificatosi dopo il 2016. Quest'area è stata scansionata in 3D prima e dopo il cedimento e i dati acquisiti ci hanno permesso di verificare il distacco e di quantificare il volume delle rocce collassate".

Le nuvole di punti sono state comparate usando due metodologie diverse: in primo luogo abbiamo eseguito una rapida comparazione tra i due set di dati al fine di capire dove focalizzare nel dettaglio la nostra analisi. In secondo luogo, abbiamo estratto diverse "sezioni" delle aree di interesse. Abbiamo esportato tali aree per una digitalizzazione completa, per avere una valutazione migliore del volume di roccia collassata, circa 61m³".


Studi in corso: Utilizzo di modelli 3D per comprendere i processi geologici



Gli studi dimostrano che la scansione laser 3D è una tecnica di misurazione utile ad evidenziare mutamenti di strutture naturali. I dati ottenuti possono essere utilizzati per facilitare l'interpretazione di altri dati di carattere geologico, dice Santagata: "Per esempio, le variazioni evidenziate dalla comparazione degli studi condotti all'interno della grotta di Lechuza hanno fornito dati interessanti che possono essere facilmente correlati alle precipitazioni verificatesi in questa zona tra le due campagne di rilievo."

"Nel caso dell'Abisso Cenote, i cedimenti si sono verificati probabilmente a causa delle variazioni di temperatura, considerando che la zona è soggetta a oscillazioni tra la temperatura della superficie e quella all'interno della grotta, registrate dai sensori di temperatura e pressione dell'aria installati nella grotta. È in corso un monitoraggio ambientale dettagliato di quest'area della grotta e i modelli 3D ripetuti ci permetteranno di capire se questi processi sono rilevanti per l'origine e lo sviluppo delle grotte di ghiaccio nelle Alpi".


Esplora il progetto in 3D:
Grotte di sale di Atacama
Modelli in 3D di Atacama
Spedizione del 2018 nel Cenote
Modelli in 3D del Cenote

Persone coinvolte nelle operazioni di rilievo: Tommaso Santagata (Vigea - Virtual Geographic Agency and La Venta Esplorazioni Geografiche), Umberto Del Vecchio (Vigea - Virtual Geographic Agency e La Venta Esplorazioni Geografiche), Jo De Waele (Università di Bologna e La Venta), Francesco Sauro (Università di Bologna e La Venta), Stefano Fabbri (Università di Bologna/La Venta).

Le spedizioni nelle grotta di Lechuza sono state organizzate dall'Associazione La Venta Esplorazioni Geografiche con il supporto scientifico del Dipartimento BIGEA dell'Università di Bologna e con la collaborazione nel 2015 della Commissione Grotte E. Boegan. La spedizione scientifica del 2018 ha ricevuto finanziamenti dalla National Geographic Society ed è stata realizzata con il sostegno del CONAF Chile. Il monitoraggio dei Cenote è un progetto multidisciplinare organizzato nell'ambito del progetto Inside the Glaciers con la collaborazione di La Venta, BIGEA e il Parco Regionale di Fanes Sennes e Braies con la collaborazione di Studio GST ed Eli Friulia, lo Speleo Club Proteo di Vicenza, il Gruppo Grotte Treviso e il Gruppo Speleologico Padovano.



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