INTRODUCTION. In the last two decades ground-based geophysical techniques have gained a prominent role in archaeological research projects thanks to ability to localize underground structures or geological body by measuring the variation, or anomalies, of physical properties existing between them and the hosting materials. When applied in archaeology geophysical surveys can reveal the location of buried archeological features and lead to their identification. However, the effectiveness of geophysical techniques applied in archeology is closely linked to the nature and the level of complexity of the buried deposit. If these techniques are used in sites characterized by multi-layered or strongly altered deposits, the survey results may be impaired, severely limiting their contribution to the historical and archaeological reconstruction of the investigated site. AIM OF THE STUDY. This research project has set two main objectives: i) to evaluate the potential of geophysical prospecting in extracting information in deeply stratified archaeological sites and ii) to test their effectiveness in a contemporary urban setting. MATHERIAL AND METHODS. The main geophysical technique applied was the Ground Penetrating Radar (GPR). The surveys were carried out using different systems (SIR 3000 GSSI and RIS Hi-Mod IDS) with antennas at different frequencies (from 200 MHz to 900 MHz). GPR data sets have been collected along closely spaced parallel profiles (0.25 to 0.125 m). Data were analyzed using different display methods: radargrams, amplitude depth-slices and three-dimensional models of isosurfaces. GPR data have been merged with historical and archaeological data (vector map of archaeological survey, Digital terrain Models - DTM, historical documents and historical maps) in a Geographic Information System (GIS) with ArcGIS software. ArcGIS is able to import the results of GPR surveys in raster format (amplitude depth-slices) and as three-dimensional models in Multipatch format. Data can be associated with attribute tables and the ArcScene module allows to display them three-dimensionally. Four sites in the historical center of Padua were studied integrating into a GIS the results of GPR surveys with historical and archeological data, two inside religious buildings (the Cathedral and the Church of the Eremitani) and two open areas who insisted on the structures of the ancient palace of the Carraresi. The other case study, focused on the integration of stratigraphic data obtained from archaeological excavations, with those of the geophysical surveys, was carried out in the Roman city of Aquileia (UD). RESULTS. The integration of the GPR survey of the Cathedral with the available historical maps allowed to recognize the position of a group of tombs that belonged to the previous Romanesque cathedral. It was possible to assume the position of the aisles of transept and of the crypt of the old building. The analysis of the isosurfaces model allowed to hypothesize the presence of a vaulted roof in burials identified below the existing pavement of the Eremitani Church. Moreover, the integration of data about burial distribution in the GIS was consistent with the possible presence in the church of a rood screen demolished in the sixteenth century. In both cases, the two GPR surveys revealed a reduced signal penetration (1-1.2m) and did not allow to identify the remains of walls linked to previous structures. The investigations carried out at the square in front of the Cathedral allowed to relate a series of walls with a complex of buildings dating from XI to XVIII century, when GPR data were compared with historical and archeological data in a GIS. The surveys performed in the palace of the Carraresi showed the presence (and state of preservation) of some portions of the XIV century complex. The same survey identified some previous structures, perhaps dating back to the Roman period. Finally, it was developed a rapid and effective approach for ground-truthing geophysical survey anomalies in the survey done in the Roman city of Aquileia. Moreover, the developed approach could assess the level of resolution of GPR survey by comparing the three-dimensional models of isosurfaces with a DTM from the excavation site obtained with the Structure from Motion technique - SFM.

INTRODUZIONE. Le tecniche di indagine geofisica hanno acquisito un ruolo sempre più rilevante all’interno dei progetti di ricerca archeologica negli corso degli ultimi due decenni, grazie alla loro capacità di individuare la presenza di strutture sepolte misurando le variazioni, o anomalie, delle proprietà fisiche esistenti tra loro e i materiali ospitanti. Esse possono rivelare non solo la posizione di resti archeologici, ma anche portare alla loro identificazione. L’efficacia delle tecniche geofisiche applicate in ambito archeologico è, tuttavia, strettamente legata alla natura e al livello di complessità del deposito sepolto. Se queste tecniche vengono, infatti, impiegate in contesti caratterizzati da depositi pluristratificati o fortemente alterati, i risultati delle indagini possono risultare di difficile lettura, limitando fortemente il loro contributo alla ricostruzione storico-archeologica del sito indagato. OBIETTIVO DELLO STUDIO. Questo progetto di ricerca si è posto due obiettivi principali: i) valutare le potenzialità delle prospezioni geofisiche nell’estrarre informazioni su siti archeologici profondamente stratificati e ii) testare la loro efficacia in un contesto urbano contemporaneo. MATERIALI E METODI. La principale tecnica geofisica applicata è stato il Ground Penetrating Radar (GPR). Le indagini sono state realizzate impiegando diversi sistemi (SIR 3000 della GSSI e RIS Hi-Mod dell’IDS) dotati di antenne a frequenze diverse (da 200MHz a 900 MHz) seguendo uno schema di acquisizione a profili paralleli con spaziature tra i profili comprese tra 0.125 e 0.25 m. Sono stati analizzati i dati raccolti utilizzando diversi metodi di visualizzazione: radargrammi, amplitude depth-slices e modelli tridimensionali delle isosuperfici. Questi sono stati inseriti assieme ai dati storico-archeologici a corredo (rilievi vettoriali e DTM-digital terrain model di scavo, documenti storici, cartografia storica) in un Geographical Information System (GIS) con software ArcGIS. ArcGIS è in grado di importare i risultati delle indagini georadar sia in formato raster (amplitude depth-slices) che come modelli tridimensionali in formato Mulipatch. A questi possono essere associate tabelle degli attributi e possono essere visualizzati tridimensionalmente con il modulo ArcScene. Sono stati studiati quattro siti nel centro storico di Padova integrando in ambiente GIS i risultati delle indagini georadar con i dati storico-archeologichi a corredo. Due siti erano all’interno di edifici di culto (il Duomo e la chiesa degli Eremitani) e due in spazi aperti caratterizzati da differenti tipi di sistemazione pavimentale (lastricato, prato, cortile con ghiaia), sui quali insistevano le strutture dell’antica Reggia dei Carraresi. L'altro caso di studio, focalizzato sull'integrazione dei dati stratigrafici ottenuti dagli scavi archeologici con le indagini geofisiche, è stato eseguito nella città romana di Aquileia (UD). RISULTATI. Le indagini nel Duomo hanno consentito, grazie all’inserimento nella piattaforma GIS del dato georadar e della cartografia storica disponibile, di riconoscere la posizione di un gruppo di sepolture che risultavano appartenere al precedente Duomo romanico e, quindi, di ipotizzare la posizione delle navate del transetto e della cripta dell’antico edificio rispetto a quello attuale. L’analisi delle isosuperfici del segnale riflesso GPR nella chiesa degli Eremitani ha permesso, invece, di ipotizzare una copertura a volta nelle sepolture individuate al di sotto della pavimentazione attuale e di analizzarne, all’interno del GIS, la loro distribuzione in relazione alla possibile presenza di un “pontile-tramezzo” demolito nel corso del XVI secolo. In entrambi i due casi le indagini georadar hanno rivelato una ridotta penetrazione del segnale (1-1.2m) e non hanno consentito di individuare chiaramente la presenza di resti di strutture murarie legate a strutture precedenti. Le indagini realizzate presso la piazza antistante al Duomo hanno permesso, grazie all’integrazione in ambiente GIS dei risultati GPR e delle informazioni storico-archeologiche a corredo, di mettere in relazione una serie di strutture murarie con un complesso di edifici preesistenti databili all’XI e XVIII secolo . Quelle eseguite nell’area della Reggia dei Carraresi hanno reso possibile documentare la presenza e lo stato di conservazione di alcune porzioni del complesso trecentesco e di inidviduare alcune strutture precedenti, forse riferibili all’epoca romana. Le analisi eseguite, infine, nella città romana di Aquileia hanno permesso di elaborare un approccio rapido ed efficace non solo per il ground-truthing delle anomalie geofisiche, ma anche per valutare il livello di risoluzione dell’indagine GPR tramite il confrontro tra i modelli tridimensionali delle isosuperfici con i DTM di scavo ottenuti con la tecnica Structure from Motion (SfM). CONCLUSIONI. L’approccio e le indagini condotte nei diversi casi di studio presi in esame hanno permesso di verificare la validità dei protocolli per l’acquisizione e per l’interpretazione dei dati adottati nel corso del progetto di ricerca. Sebbene la tecnica georadar permetta di restituire dei modelli ad alta risoluzione del deposito sepolto in contesti archeologici pluristratificati, questo permette solo in parte la loro comprensione dal punto di vista storico-archeologico. L’integrazione in un ambiente GIS dei risultati delle prospezioni georadar con le informazioni a corredo di volta in volta disponibili, si è rivelato un passaggio indispensabile in tutti i casi di studio considerati per formulare ipotesi interpretative dei dati indiretti utili alla comprensione storico-archeologica dei contesti indagati.

Nuove tecnologie a supporto della ricerca archeologica: applicazioni e sviluppi possibili su sistemi complessi / Strapazzon, Guglielmo. - (2016 Jan 31).

Nuove tecnologie a supporto della ricerca archeologica: applicazioni e sviluppi possibili su sistemi complessi

Strapazzon, Guglielmo
2016-01-31

Abstract

INTRODUCTION. In the last two decades ground-based geophysical techniques have gained a prominent role in archaeological research projects thanks to ability to localize underground structures or geological body by measuring the variation, or anomalies, of physical properties existing between them and the hosting materials. When applied in archaeology geophysical surveys can reveal the location of buried archeological features and lead to their identification. However, the effectiveness of geophysical techniques applied in archeology is closely linked to the nature and the level of complexity of the buried deposit. If these techniques are used in sites characterized by multi-layered or strongly altered deposits, the survey results may be impaired, severely limiting their contribution to the historical and archaeological reconstruction of the investigated site. AIM OF THE STUDY. This research project has set two main objectives: i) to evaluate the potential of geophysical prospecting in extracting information in deeply stratified archaeological sites and ii) to test their effectiveness in a contemporary urban setting. MATHERIAL AND METHODS. The main geophysical technique applied was the Ground Penetrating Radar (GPR). The surveys were carried out using different systems (SIR 3000 GSSI and RIS Hi-Mod IDS) with antennas at different frequencies (from 200 MHz to 900 MHz). GPR data sets have been collected along closely spaced parallel profiles (0.25 to 0.125 m). Data were analyzed using different display methods: radargrams, amplitude depth-slices and three-dimensional models of isosurfaces. GPR data have been merged with historical and archaeological data (vector map of archaeological survey, Digital terrain Models - DTM, historical documents and historical maps) in a Geographic Information System (GIS) with ArcGIS software. ArcGIS is able to import the results of GPR surveys in raster format (amplitude depth-slices) and as three-dimensional models in Multipatch format. Data can be associated with attribute tables and the ArcScene module allows to display them three-dimensionally. Four sites in the historical center of Padua were studied integrating into a GIS the results of GPR surveys with historical and archeological data, two inside religious buildings (the Cathedral and the Church of the Eremitani) and two open areas who insisted on the structures of the ancient palace of the Carraresi. The other case study, focused on the integration of stratigraphic data obtained from archaeological excavations, with those of the geophysical surveys, was carried out in the Roman city of Aquileia (UD). RESULTS. The integration of the GPR survey of the Cathedral with the available historical maps allowed to recognize the position of a group of tombs that belonged to the previous Romanesque cathedral. It was possible to assume the position of the aisles of transept and of the crypt of the old building. The analysis of the isosurfaces model allowed to hypothesize the presence of a vaulted roof in burials identified below the existing pavement of the Eremitani Church. Moreover, the integration of data about burial distribution in the GIS was consistent with the possible presence in the church of a rood screen demolished in the sixteenth century. In both cases, the two GPR surveys revealed a reduced signal penetration (1-1.2m) and did not allow to identify the remains of walls linked to previous structures. The investigations carried out at the square in front of the Cathedral allowed to relate a series of walls with a complex of buildings dating from XI to XVIII century, when GPR data were compared with historical and archeological data in a GIS. The surveys performed in the palace of the Carraresi showed the presence (and state of preservation) of some portions of the XIV century complex. The same survey identified some previous structures, perhaps dating back to the Roman period. Finally, it was developed a rapid and effective approach for ground-truthing geophysical survey anomalies in the survey done in the Roman city of Aquileia. Moreover, the developed approach could assess the level of resolution of GPR survey by comparing the three-dimensional models of isosurfaces with a DTM from the excavation site obtained with the Structure from Motion technique - SFM.
INTRODUZIONE. Le tecniche di indagine geofisica hanno acquisito un ruolo sempre più rilevante all’interno dei progetti di ricerca archeologica negli corso degli ultimi due decenni, grazie alla loro capacità di individuare la presenza di strutture sepolte misurando le variazioni, o anomalie, delle proprietà fisiche esistenti tra loro e i materiali ospitanti. Esse possono rivelare non solo la posizione di resti archeologici, ma anche portare alla loro identificazione. L’efficacia delle tecniche geofisiche applicate in ambito archeologico è, tuttavia, strettamente legata alla natura e al livello di complessità del deposito sepolto. Se queste tecniche vengono, infatti, impiegate in contesti caratterizzati da depositi pluristratificati o fortemente alterati, i risultati delle indagini possono risultare di difficile lettura, limitando fortemente il loro contributo alla ricostruzione storico-archeologica del sito indagato. OBIETTIVO DELLO STUDIO. Questo progetto di ricerca si è posto due obiettivi principali: i) valutare le potenzialità delle prospezioni geofisiche nell’estrarre informazioni su siti archeologici profondamente stratificati e ii) testare la loro efficacia in un contesto urbano contemporaneo. MATERIALI E METODI. La principale tecnica geofisica applicata è stato il Ground Penetrating Radar (GPR). Le indagini sono state realizzate impiegando diversi sistemi (SIR 3000 della GSSI e RIS Hi-Mod dell’IDS) dotati di antenne a frequenze diverse (da 200MHz a 900 MHz) seguendo uno schema di acquisizione a profili paralleli con spaziature tra i profili comprese tra 0.125 e 0.25 m. Sono stati analizzati i dati raccolti utilizzando diversi metodi di visualizzazione: radargrammi, amplitude depth-slices e modelli tridimensionali delle isosuperfici. Questi sono stati inseriti assieme ai dati storico-archeologici a corredo (rilievi vettoriali e DTM-digital terrain model di scavo, documenti storici, cartografia storica) in un Geographical Information System (GIS) con software ArcGIS. ArcGIS è in grado di importare i risultati delle indagini georadar sia in formato raster (amplitude depth-slices) che come modelli tridimensionali in formato Mulipatch. A questi possono essere associate tabelle degli attributi e possono essere visualizzati tridimensionalmente con il modulo ArcScene. Sono stati studiati quattro siti nel centro storico di Padova integrando in ambiente GIS i risultati delle indagini georadar con i dati storico-archeologichi a corredo. Due siti erano all’interno di edifici di culto (il Duomo e la chiesa degli Eremitani) e due in spazi aperti caratterizzati da differenti tipi di sistemazione pavimentale (lastricato, prato, cortile con ghiaia), sui quali insistevano le strutture dell’antica Reggia dei Carraresi. L'altro caso di studio, focalizzato sull'integrazione dei dati stratigrafici ottenuti dagli scavi archeologici con le indagini geofisiche, è stato eseguito nella città romana di Aquileia (UD). RISULTATI. Le indagini nel Duomo hanno consentito, grazie all’inserimento nella piattaforma GIS del dato georadar e della cartografia storica disponibile, di riconoscere la posizione di un gruppo di sepolture che risultavano appartenere al precedente Duomo romanico e, quindi, di ipotizzare la posizione delle navate del transetto e della cripta dell’antico edificio rispetto a quello attuale. L’analisi delle isosuperfici del segnale riflesso GPR nella chiesa degli Eremitani ha permesso, invece, di ipotizzare una copertura a volta nelle sepolture individuate al di sotto della pavimentazione attuale e di analizzarne, all’interno del GIS, la loro distribuzione in relazione alla possibile presenza di un “pontile-tramezzo” demolito nel corso del XVI secolo. In entrambi i due casi le indagini georadar hanno rivelato una ridotta penetrazione del segnale (1-1.2m) e non hanno consentito di individuare chiaramente la presenza di resti di strutture murarie legate a strutture precedenti. Le indagini realizzate presso la piazza antistante al Duomo hanno permesso, grazie all’integrazione in ambiente GIS dei risultati GPR e delle informazioni storico-archeologiche a corredo, di mettere in relazione una serie di strutture murarie con un complesso di edifici preesistenti databili all’XI e XVIII secolo . Quelle eseguite nell’area della Reggia dei Carraresi hanno reso possibile documentare la presenza e lo stato di conservazione di alcune porzioni del complesso trecentesco e di inidviduare alcune strutture precedenti, forse riferibili all’epoca romana. Le analisi eseguite, infine, nella città romana di Aquileia hanno permesso di elaborare un approccio rapido ed efficace non solo per il ground-truthing delle anomalie geofisiche, ma anche per valutare il livello di risoluzione dell’indagine GPR tramite il confrontro tra i modelli tridimensionali delle isosuperfici con i DTM di scavo ottenuti con la tecnica Structure from Motion (SfM). CONCLUSIONI. L’approccio e le indagini condotte nei diversi casi di studio presi in esame hanno permesso di verificare la validità dei protocolli per l’acquisizione e per l’interpretazione dei dati adottati nel corso del progetto di ricerca. Sebbene la tecnica georadar permetta di restituire dei modelli ad alta risoluzione del deposito sepolto in contesti archeologici pluristratificati, questo permette solo in parte la loro comprensione dal punto di vista storico-archeologico. L’integrazione in un ambiente GIS dei risultati delle prospezioni georadar con le informazioni a corredo di volta in volta disponibili, si è rivelato un passaggio indispensabile in tutti i casi di studio considerati per formulare ipotesi interpretative dei dati indiretti utili alla comprensione storico-archeologica dei contesti indagati.
GPR, GIS, URBAN ARCHAEOLOGY, SFM, GROUND-TRUTHING, NDT, PADOVA, AQUILEIA, CARRARESI, EREMITANI, ARCHAEOLOGICAL EXCAVATION, georadar
Nuove tecnologie a supporto della ricerca archeologica: applicazioni e sviluppi possibili su sistemi complessi / Strapazzon, Guglielmo. - (2016 Jan 31).
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