Remote sensing and GIS approaches for elaborating Sentinel-2 images: application on volcanic areas [Metodi di telerilevamento e GIS per l’elaborazione delle immagini Sentinel-2: applicazioni in aree vulcaniche]

Reconstructing the chronology of basaltic lava flows is essential for volcanic hazard assessment, eruption forecasting, and landscape evolution studies. Traditional dating techniques are constrained by accessibility, high operational costs, and spatial scale. In particular, their application is typically restricted to specific, localized outcrops that can be physically sampled and analysed, making it challenging to extend age estimates across broader or remote volcanic terrains. This study presents a methodology for estimating the relative age of lava flows using Sentinel-2 multispectral imagery. Our approach combines the PolyGrid toolbox for automated outcrop extraction with band ratio analysis targeting iron oxidation states, supported by moisture and thermal normalization. The method was tested in four volcanic regions, characterized by diverse geological and environmental settings Mount Etna, Stromboli, Grindavík (Iceland), and Hawai‘i Island. Among the tested spectral indices, the Fe³⁺/Fe²⁺ band ratio proved to be the most robust, accurately delineating lava flow ages with a temporal resolution of approximately one century. Its performance remained consistent across different environmental conditions, showing minimal sensitivity to confounding factors such as vegetation cover, lithological variability, or seasonal changes in surface moisture and illumination. This stability makes it particularly suitable for large-scale remote sensing applications, where such interferences often compromise the accuracy of spectral analyses. These findings demonstrate the potential of spectral reflectance-based methods for remote volcanic chrono-stratigraphy and hazard mitigation across global and extraterrestrial terrains.

Ricostruire la cronologia delle colate laviche basaltiche è fondamentale per la valutazione del rischio vulcanico, la previsione delle eruzioni e lo studio dell’evoluzione del paesaggio. Tuttavia, le tecniche di datazione tradizionali sono limitate da vincoli di accessibilità, elevati costi operativi e ridotta copertura spaziale. La loro applicazione è infatti generalmente confinata a specifici affioramenti che possono essere campionati e analizzati direttamente, rendendo difficile estendere le stime d’età a territori vulcanici più ampi o remoti. Questo studio presenta una metodologia di telerilevamento per stimare l’età relativa delle colate laviche basaltiche utilizzando le immagini multispettrali di Sentinel-2. L’approccio integra il toolbox PolyGrid per l’estrazione automatica degli affioramenti di roccia nuda con un insieme di rapporti di bande spettrali mirati a rilevare le variazioni negli stati di ossidazione del ferro, supportati da procedure di normalizzazione dell’umidità e della componente termica. Il metodo è stato applicato in quattro regioni vulcaniche caratterizzate da contesti geologici e ambientali differenti: Etna, Stromboli, Grindavík (Islanda) e isola di Hawai‘i. Tra tutti gli indici spettrali testati, il rapporto Fe³⁺/Fe²⁺ è risultato il più affidabile, permettendo una chiara discriminazione dell’età delle colate con una risoluzione temporale di circa un secolo. La sua efficacia è rimasta stabile in diversi contesti ambientali, mostrando una sensibilità minima a fattori di disturbo quali copertura vegetale, variabilità litologica o cambiamenti stagionali nell’umidità e nell’illuminazione superficiale. Questa robustezza lo rende particolarmente adatto ad analisi di telerilevamento su larga scala o multi-temporali, dove tali interferenze compromettono sovente l’accuratezza spettrale. Nel complesso, i risultati dimostrano l’efficacia delle tecniche basate sulla riflettanza spettrale per la cronostratigrafia vulcanica remota e ne evidenziano il potenziale applicativo nella valutazione dei rischi e nella geologia planetaria, permettendo una mappatura rapida e scalabile dell’età delle colate laviche sia in ambienti terrestri sia extraterrestri.