GEOHERITAGE ASSESSMENT, MONITORING AND COMMUNICATION THROUGH MULTIDISCIPLINARY - 3D MODELLING APPROACH.

This thesis aims to develop and test innovative tools and methodologies for evaluating, monitoring, and communicating geoheritage within highly dynamic environments, focusing on glacial, proglacial, and gravity-driven landscapes. While the dynamic nature of glacial and proglacial areas is primarily influenced by climate change's effects, in gravity-shaped landscapes, structural and geomorphological conditions represent the main factor predisposing them to rapid evolution. Through a multidisciplinary and integrated 3D modelling approach, this research introduces new methods for assessing the evolution of geological and geomorphological heritage, with practical applications for conservation, risk management, and Earth science communication. The thesis is structured as a collection of scientific articles, each addressing a specific research objective with its multidisciplinary approach. Collectively, these works respond to the overarching scientific question of the thesis, which two main research lines can summarise: 1) the evaluation and monitoring of geological heritage in highly dynamic environments; and 2) the promotion and awareness-raising of geological heritage. Throughout the thesis, Structure from Motion-Multi View Stereo (SfM-MVS) 3D modelling plays a prominent role. This technique offers an effective and relatively economical method for capturing and visualising changes in dynamic landforms. SfM-MVS has proven particularly useful for analysing the evolution of geomorphological heritage elements, such as the Little Ice Age (LIA) moraines in the Aurona and Leone proglacial areas (Central-Western Italian Alps) and the gradual volume reduction of the Belvedere Glacier. In addition, in the context of the Monte Rufeno Nature Reserve (Central Apennines, Italy), SfM-MVS modelling confirmed the active status of the complex geomorphosite known as Scialimata Grande di Torre Alfina, underscoring the need for ongoing monitoring to balance conservation, tourist safety, and risk management within the reserve. While 3D modelling has demonstrated its utility in monitoring the evolution of geological heritage elements, integrating various techniques in a multidisciplinary approach has made it possible to address a range of scientific questions, including the cascading effects these changes have on their respective ecosystems. In the case of the Rio Aurona basin in Alpe Veglia, applying an integrated approach of photointerpretation and morphometric analysis revealed the role of the proglacial moraines as evolving geomorphosites and potential sediment sources, degrading passively through paraglacial processes. Furthermore, integrating hydrogeomorphological and meteorological data provided insights into the seasonal dynamics of water discharge and suspended sediment in the Rio Aurona, illustrating how forcing factors (precipitation, snow accumulation, glacier melt, and snowmelt) greatly influence sediment transport within the watershed. The results highlight functionally distinct seasonal changes in potential sediment sources, which shift from proximal sources near the monitored outlet during the snowmelt period and rainfall events to the proglacial moraine deposits as the season progresses, with glacier melting dominating. This thesis confirms the importance of a multidisciplinary approach for comprehensively understanding the evolution of the selected geomorphosites, from investigating landform evolution to evaluating its impact on sediment cascade dynamics. This integrated approach provides fundamental data for geological heritage conservation, with important implications for ecosystem management, especially in light of current climate challenges. Moreover, the ongoing evolution of the selected geomorphosites featuring touristic trails has important implications for hazard management and risk assessment. The second research line in the thesis explores innovative 3D modelling communication strategies designed to promote geological heritage and its conservation. In this context, the UNESCO-IGCP 714 project, “3GEO-Geoclimbing and Geotrekking in Geoparks,” is testing an integrated approach that combines immersive digital activities with outdoor sports (rock climbing and trekking) in geologically significant areas. The creation of 3D models and their ease of sharing enable immersive educational experiences, even in remote or challenging-to-access areas. These digital tools foster awareness of geological heritage—a necessary condition for geoconservation—while contributing to sustainable tourism and regional development. The project has initiated an international collaboration among geoscientists and geoheritage management and conservation experts, facilitating fruitful exchanges to establish shared methods and offering essential support to local communities aspiring to designate new geoparks and geosites. In conclusion, this thesis highlights the significant potential of 3D modelling techniques in evaluating, monitoring, and communicating geological heritage. However, it underscores the advantages of a comprehensive, multidisciplinary approach that allows a broader investigation into the complex network of interactions through which geological heritage variation impacts its surrounding environments.

Questa tesi di dottorato ha lo scopo di sviluppare e testare strumenti innovativi e metodologie per la valutazione, il monitoraggio e la comunicazione del patrimonio geologico in ambienti a elevata dinamicità, concentrandosi su contesti glaciali, proglaciali e ambienti modellati dai processi gravitativi. Dove nel caso delle aree glaciali e proglaciali tale dinamicità risulta primariamente influenzata dagli effetti dei cambiamenti climatici, nel caso degli ambienti modellati da fenomeni gravitativi le condizioni strutturali e geomorfologiche intrinseche rappresentano il principale fattore preparatore di una rapida evoluzione del paesaggio. Attraverso un approccio multidisciplinare e integrato di modellazione 3D, questa tesi fornisce nuovi strumenti per la valutazione dell’evoluzione del patrimonio geologico e geomorfologico, con risvolti applicativi utili alla conservazione, alla gestione dei rischi ed alla comunicazione delle geoscienze. La tesi è strutturata come una raccolta di articoli scientifici, ciascuno avente uno specifico obiettivo di ricerca e, di conseguenza, uno specifico approccio multidisciplinare. Tuttavia, tutti i lavori presentati rispondono nel complesso alla domanda scientifica generale della tesi, sintetizzabile in due linee di ricerca principali e contigue: 1) la valutazione del patrimonio geologico ed il suo monitoraggio in ambienti altamente dinamici; 2) la comunicazione e sensibilizzazione sulle tematiche proprie del patrimonio geologico. Nella tesi, la modellazione 3D Structure from Motion-Multi View Stereo (SfM-MVS), riveste un ruolo di rilievo. Questa rappresenta una metodologia efficace e relativamente economica, che permette di catturare e visualizzare i cambiamenti in forme del rilievo dinamiche. La SfM-MVS si è rivelata particolarmente efficace per analizzare l’evoluzione di elementi del patrimonio geomorfologico, come le morene della Piccola Età Glaciale (PEG) nelle aree proglaciali dell'Aurona e del Leone (Alpi Italiane centro-occidentali) e la progressiva riduzione di volume del ghiacciaio nero del Belvedere. Inoltre, nel contesto della Riserva Naturale di Monte Rufeno (pre-Appennini dell’Italia Centrale), la modellazione SfM-MVS ha permesso di confermare lo stato di attività del geomorfosito complesso della Scialimata Grande di Torre Alfina, sottolineando la necessità di un monitoraggio continuo per garantire un equilibrio tra conservazione, sicurezza turistica e gestione dei rischi, nel contesto della Riserva. Laddove la modellazione 3D ha confermato la propria utilità nelle fasi di monitoraggio dell’evoluzione degli elementi di interesse geologico, l’integrazione di diverse tecniche in un approccio multidisciplinare ha permesso di rispondere a numerose domande scientifiche, permettendo di valutare alcuni effetti a cascata che tali cambiamenti comportano sui rispettivi ecosistemi. Nel caso del bacino del Rio Aurona, in Alpe Veglia, l’applicazione di un approccio combinato di fotointerpretazione e analisi morfometriche ha rivelato il ruolo delle morene proglaciali, geomorfositi in evoluzione passiva, come fonti potenziali di sedimenti, in evoluzione attraverso processi paraglaciali di degradazione. Inoltre, l’integrazione di dati idrogeomorfologici e meteorologici, ha permesso di delineare un quadro sulle dinamiche stagionali di portata liquida e solida in sospensione del Rio Aurona, illustrando come, vari fattori “forzanti” (precipitazioni, accumuli di neve, fusione glaciale e nivale) influenzino grandemente il trasporto di sedimenti nel bacino idrografico. I risultati evidenziano cambiamenti stagionali funzionalmente distinti tra le potenziali sorgenti di sedimenti, che passano da fonti prossimali, rispetto alla sezione fluviale monitorata, durante il periodo di fusione nivale e durante le precipitazioni, sino a raggiungere i più lontani depositi delle morene proglaciali con la progressione della stagione, ed il passaggio ad una dominanza della fusione glaciale. Questa tesi conferma l’importanza di un approccio multidisciplinare nella comprensione generale dell'evoluzione dei diversi geomorfositi selezionati, partendo dall’indagine sull’evoluzione delle forme, fino alla ricaduta di questa nella dinamica dei sedimenti. Tale approccio integrato fornisce dati fondamentali per la conservazione del patrimonio geologico, con importanti implicazioni nella gestione degli ecosistemi, anche in considerazione delle attuali sfide climatiche. Inoltre, la continua evoluzione dei geomorfositi selezionati, caratterizzati da itinerari turistici, ha importanti implicazioni per la gestione dei pericoli e la valutazione del rischio. La seconda linea di ricerca trattata nella tesi riguarda l’esplorazione di nuove strategie di comunicazione attraverso la modellazione 3D, atte a promuovere il patrimonio geologico e la sua conservazione. A tal proposito, tramite il progetto UNESCO-IGCP 714 “3GEO-Geoclimbing e Geotrekking nei Geoparchi”, si sta sperimentando un approccio integrato di attività digitali immersive e sportive all’aria aperta (arrampicata sportiva ed escursionismo) in contesti di particolare rilevanza geologica. La creazione di modelli 3D e la loro facilità di scambio, permette la creazione di esperienze didattiche immersive, anche in contesti remoti o difficilmente accessibili. Tali strumenti digitali promuovono la consapevolezza verso il patrimonio geologico, condizione necessaria ai fini della geoconservazione, contribuendo anche al turismo e allo sviluppo sostenibile dei territori. Il progetto ha dato il via ad una collaborazione internazionale tra geo-scienziati, specialisti nelle tematiche di gestione e valorizzazione del patrimonio geologico, che sta permettendo uno scambio fruttuoso volto alla realizzazione di metodi condivisi, rappresentando un supporto essenziale per le comunità locali che aspirano all’istituzione di geoparchi e geositi. In conclusione, questa tesi sottolinea come, l’utilizzo di tecniche di modellazione 3D sia particolarmente efficace nella valutazione, nel monitoraggio e nella comunicazione del patrimonio geologico, laddove, tuttavia, l’applicazione di approcci integrati multidisciplinari, sia da considerarsi preferibile, permettendo di ampliare l’indagine al complesso sistema di interazioni che la variazione del patrimonio geologico causa a cascata negli ambienti di appartenenza.