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Permanent Scatterers

IPTA

Analisi dati ottici

Analisi Geologica
 

 

 
 

 
 

  Metodologie

La metodologia impiegata per i siti test italiani, è la tecnica dei diffusori permanenti (Permanent Scatterers, PS), sviluppata e brevettata presso il Politecnico di Milano e perfezionata da Tele-Rilevamento Europa. L'approccio PS consente di identificare alcuni punti sul terreno (parti di strutture e di edifici o di affioramenti rocciosi) e di monitorare su ampia scala e con precisione millimetrica fenomeni di deformazione della superficie terrestre.

Per i siti test svizzeri è stata applicata una tecnica di Interferometria Differenziale SAR e l'approccio IPTA (Interferometric Point Target Analysis), sviluppato da Gamma Remote Sensing, che consente di valutare lo spostamento di alcuni punti identificati all’interno dell’area osservata.

L’integrazione in ambiente GIS dei dati ottenuti con le tecniche PS e IPTA consente di identificare e rappresentare la connessione fra i movimenti del terreno in aree a rischio ed i pertinenti interventi strutturali di difesa e ripristino.

Infine, l’analisi di immagini riprese in banda ottica ad alta risoluzione spaziale, eseguita da SPACEBEL, porta all’estrazione automatica delle caratteristiche del terreno legate all’insistenza di fenomeni franosi.

 

 

  Interferometria Differenziale SAR

Il Radar ad Apertura Sintetica (Synthetic Aperture Radar - SAR) è uno strumento, montato a bordo di aerei e satelliti, che emette radiazioni elettromagnetiche e registra la potenza del segnale riflesso dalla superficie calcolando anche il tempo intercorso fra l’emissione ed il ritorno del segnale stesso. Quindi un'immagine SAR è definita dall’ampiezza e dalla fase del segnale retro-diffuso dalla superficie investigata. In particolare la differenza di fase tra due acquisizioni SAR della stessa scena è sensibile alla topografia dell'area osservata, per cui l'Interferometria SAR è applicata nella generazione dei modelli digitali di elevazione del terreno (DEM). 
 
L’Interferometria Differenziale SAR (DInSAR) è una tecnica interferometrica che può essere efficacemente impiegata per mappare gli spostamenti superficiali legati a fenomeni franosi. Infatti la fase interferometrica è data da due contributi: la topografia della scena osservata, e dall’eventuale deformazione del terreno, avvenuta nell’intervallo di tempo intercorso tra le due acquisizioni. Sottraendo la componente topografica è possibile stimare la componente dovuta allo spostamento. Purtroppo le misure sono affette da una serie di fattori che si traducono in contributi aggiuntivi alla fase interferometrica (artefatti atmosferici, imprecisione dei dati orbitali, decorrelazione) che possono ridurre fortemente la precisione e l'applicabilità della tecnica. La decorrelazione temporale è dovuta alle variazioni delle caratteristiche della diffusione delle onde elettromagnetiche (scattering). In particolare, nelle aree montane, caratterizzate da una vegetazione bassa, le immagini SAR mostrano una coerenza relativamente alta solo durante la stagione estiva, con copertura nevosa nulla. Ma anche per le aree urbanizzate a quote medio-alte (circa 1.000 m s.l.m.) una copertura di neve umida può causare una decorrelazione di fase.
La decorrelazione spaziale impedisce l’interpretazione delle fasi interferometriche di oggetti molto estesi in coppie d’immagini caratterizzate da baseline geometriche lunghe (distanza fra le due orbite percorse dal sensore durante l'acquisizione delle due immagini). 
Altre limitazioni sono legate alle distorsioni geometriche (shadow e layover) dovute alla particolare geometria di acquisizione del sensore, che possono falsare la topografia della scena osservata soprattutto nelle aree montuose. Al contrario, la tecnica di analisi interferometrica per l’individuazione e quantificazione degli spostamenti trova una miglior applicazione su quei pendii orientati perpendicolarmente alla direzione di osservazione del SAR. Queste problematiche rendono quindi possibile ed efficace l’applicazione delle tecniche SAR solo in aree delimitate ed in determinati periodo dell’anno. Al fine di limitare gli effetti negativi della decorrelazione spaziale e temporale occorre utilizzare coppie differenziali con baseline corta (pari a circa 100 m) e scegliere le immagini fra quelle acquisite in assenza di copertura nevosa, riducendo, in questo modo, il numero di immagini disponibili per lo studio.
Un passo critico della catena di elaborazione dell’interferometria SAR è il cosiddetto srotolamento della fase degli interferogrammi. Questo passo è necessario per ottenere misure quantitative degli spostamenti, ed è reso particolarmente difficile dalla presenza di terreni accidentati.

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  Permanent Scatterers

L’impiego della tecnica Permanent Scatterers (PS) permette di superare i limiti legati agli approcci più convenzionali dell’interferometria SAR, utilizzati per l’identificazione delle deformazioni superficiali. La tecnica PS consente il riconoscimento nelle immagini di singoli punti di riferimento (denominati permanent scatters) da utilizzare per le misure di precisione degli spostamenti. Questi punti corrispondono solitamente sia a strutture di origine antropica, quali ad esempio palazzi, dighe, antenne, che a stabili riflettori naturali (rocce esposte).
La tecnica PS è quindi un valido mezzo per identificare e monitorare sia i diversi fenomeni geofisici (subsidenza, frane, faglie sismiche), sia la stabilità di costruzioni e palazzi.
Nel progetto l’analisi PS è eseguita secondo l’approccio Standard e dove è richiesta un’analisi di maggiore dettaglio viene applicato l’approccio Advanced.

La Standard Permanent Scatterers Analysis (SPSA) viene applicata allo studio di estese porzioni di territorio (almeno 100 km2) per identificare i fenomeni di instabilità superficiale, anche in funzioni di eventuali successive indagini di dettaglio.
Il procedimento standard richiede un ridotto impiego temporale ed una limitata conoscenza informatica da parte dell’operatore incaricato.

La SPSA consente:
  •   l’identificazione dei punti di riferimento (PS);
  •   il calcolo delle relative coordinate geografiche;
  •   la stima dei loro movimenti relativi e della velocità degli spostamenti su base temporale differente al fine di conoscere le indicative variazioni dei fenomeni franosi in atto.

La tecnica di analisi Advanced Permanent Scatterers Analysis (APSA) è utilizzata per lo studio di aree con estensione relativamente modesta (fino a 20 km2) dove è richiesta una maggior quantità di informazione ad elevato contenuto qualitativo. Questa tecnica necessita però di un elevato grado di specializzazione da parte degli utilizzatori per poter identificare i PS caratterizzati da alti valori di coerenza dove gli errori legati allo srotolamento della fase interferometrica sono piuttosto improbabili.
Questa tecnica consente:
  •  l’aumento della densità dei punti PS;
  •  l’analisi di una completa serie multitemporale di punti di riferimento di interesse.

Per meglio caratterizzare l’area in esame e per migliorare e perfezionare l’analisi interferometrica e l’utilizzo di modelli cinematici da applicare alle masse in movimento, prima di applicare la tecnica APSA, sono necessari studi geologici, geomorfologici e geotecnici svolti sia direttamente sul terreno, sia attraverso lo studio dello stato dell’arte, coinvolgendo anche le amministrazioni locali.

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  IPTA (Interferometric Point Target Analysis)

L’IPTA è una metodologia che utilizza le caratteristiche temporali e spaziali dei dati interferometrici misurati per alcuni punti sul terrreno (point target - PT) al fine di meglio valutare la velocità media di deformazione superficiale, la cronografia delle deformazioni, l’altezza dei terreni in esame, e l’influenza sul segnale radar dello strato atmosferico presente.

Il vantaggio dell’impiego della tecnica IPTA è legato ai limitati effetti di decorrelazione geometrica sui punti PT come per i punti distribuiti, consentendo l'interpretazione dei dati ottenuti utilizzando coppie differenziali con baseline geometrica più lunga di quella critica (valore oltre il quale la decorrelazione spaziale non permette una corretta interpretazione del dato). Inoltre è possibile ottenere un miglioramento sia in accuratezza sia in copertura temporale, infatti con un maggior numero di osservazioni è possibile ridurre gli errori derivanti dalla variabilità dell’influenza dell’atmosfera terrestre sulla propagazione del segnale elettromagnetico.

Infine analizzando la serie temporale delle immagini acquisite sulla medesima area geografia è possibile ricostruire la storia degli eventi che si sono verificati nell'area monitorata.

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  Analisi dati ottici

Inizialmente è necessario ortoretificare le immagini telerilevate utilizzando mappe topografiche e modelli digitali del terreno (DEM) dell’area in esame.
Le immagini multitemporali possono essere interpretate attraverso una analisi visiva, identificando le variazioni intercorse nel tempo, valutandone la genesi idrogeologica recente e/o di riattivazione. Alcune caratteristiche morfologiche, indicatrici di fenomeni franosi e chiaramente identificabili sulle immagini, sono: scarpate, corone, corpi e lingue di frana, terrazzamenti, crolli, superfici concave di rottura, e linee di drenaggio.
Anomalie superficiali e differenze nella vegetazione (sistemi di drenaggio e filari irregolari, alberi inclinati) caratterizzano inoltre i terreni soggetti a stress idrogeologico.
Altri fattori potenzialmente innescanti i fenomeni franosi, quali la vegetazione, l’uso del suolo e la pendenza, possono essere ricavati dall’analisi combinata delle immagini telerilevate e dal DEM.

Inoltre l’analisi multi-temporale permette di identificare, localizzare e qualificare le variazioni di uso e copertura del suolo nel tempo. Queste informazioni sono importanti sia per prevenire eventuali fenomeni di innesco di frane, sia per evidenziare le zone già soggette a movimenti franosi.
Infine alcune tecniche per la visualizzazione dell'immagine relativa al sito osservato, quali ad esempio la mascheratura di aree pianeggianti non soggette a rischio o il miglioramento del contrasto, possono rendere più evidenti alcune caratteristiche superficiali di interesse.

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  Analisi geologica

L’analisi geologica viene realizzata attraverso l'integrazione in ambiente GIS dei dati elaborati tramite le tecniche interferometriche con le informazioni raccolte con campagne di misura al suolo.
Attraverso l’analisi di conformità delle misurazioni acquisite sui bersagli radar (PS e IPTA), le mappe tematiche disponibili ed i lineamenti geologici, gli inventari delle frane esistenti possono essere aggiornati ed elaborati nuovi inventari per quelle aree che ne sono sprovviste. Infine tale analisi viene integrata con l'interpretazione visuale di foto aeree e di immagini SPOT5 applicate su un DEM. Inoltre per poter condurre l'analisi geologica su scala ridotta è prevista una raccolta di rapporti tecnici e mappe geomorfologiche.

Il primo passo prevede la sovrapposizione dello strato informativo relativo ai risultati delle tecniche interferometriche sulle mappe geomorfologiche esistenti, per identificare con precisione le zone influenzate da fenomeni di movimento e per poter valutare la velocità di tali movimenti. Le eventuali discrepanze verranno analizzate e valutate utilizzando immagini ottiche ad altissima risoluzione, foto aeree e campagne di rilevamento al suolo. In particolare per i siti italiani il dato satellitare ad altissima risoluzione rappresenta un'ulteriore fonte di importanti informazioni. Nella fase finale viene eseguita una completa integrazione ed analisi dei dati telerilevati con quelli acquisiti mediante tecniche di rilevamento tradizionale sul terreno.   
Come prodotto finale di questo processo interpretativo verrà prodotta una modellazione geologica per poter definire la tipologia dei movimenti franosi identificati, la loro distribuzione ed i potenziali scenari evolutivi futuri. Quindi la monografia geologica finale conterrà le informazioni generali d’inquadramento dell’area, le caratteristiche geologiche e geomorfologiche, i dati analizzati (sia tradizionali che satellitari), e l’interpretazione dei campi di deformazione attivi e/o potenziali.

Per la realizzazione della mappa di suscettibilità/rischio di frana inizialmente vengono identificate le aree con caratteristiche peculiari che possono favorire l’innesco di fenomeni franosi. Le unità di terreno omogenee verranno identificate e catalogate intersecando i dati, contenuti nel GIS, che rappresentano i fattori di rischio di instabilità: litologia, pendenza, uso del suolo, morfologia. Infatti la valutazione del rischio di frana è direttamente correlabile con le caratteristiche geologiche dell’area in esame, la tipologia di instabilità del pendio, e la scala di osservazione e rappresentazione.

Per una completa rappresentazione del rischio è necessario predisporre la rappresentazione dei seguenti livelli informativi:

  • Previsione spaziale - dove, all’interno di una certa area, la frana ha probabilità di innescarsi;

  • Previsione temporale -  quando la frana può iniziare in una data pendenza del terreno;

  • Previsione della tipologia -  quale tipo di frana può formarsi;

  • Previsione della magnitudine - quale velocità, dimensione ed energia avrà la frana;

  • Previsione dell’evoluzione – come e dove può arrivare la frana, quali aree interesserà, e come potrà eventualmente stabilizzarsi o regredire.

I dati telerilevati da satellite, sia SAR che VHR, devono essere integrati con i dati esistenti raccolti con metodologie convenzionali, per migliorare, ad esempio, le previsioni temporali e spaziali. In particolare le Previsioni Spaziali permettono una valutazione del rischio potenziale in un pendio rispetto a quello presente sugli altri pendii. Questo non significa però indicare la probabilità del verificarsi di una frana sotto un punto di vista assoluto o, ancor meno, nel tempo. Le classi di rischio relativo possono essere definite utilizzando criteri differenti, quali l’analisi delle mappe delle frane catalogate, metodi euristici, analisi statistiche o applicazioni di reti neurali. Le Previsioni Temporali forniscono invece una valutazione sulle possibilità del verificarsi di una frana in un certo intervallo di tempo, esprimendo cioè un valore assoluto di rischio in termini di probabilità annuale, periodo di ritorno o in scala nominale.

La metodologia principale per ottenere una previsione temporale consiste in:

  • analisi della serie temporale delle frane per ottenere informazioni sul periodo di ritorno di un evento franoso. Normalmente gli eventi di riattivazione possono essere datati grazie allo studio di documenti storici e/o a interviste alla popolazione residente; 

  • analisi delle cause di una serie temporale di frane studiando i fattori scatenanti un evento franoso per comprendere il meccanismo che lega questi fattori con l’innesco della frana stessa. In tal modo, dopo aver definito alcuni valori soglia, è possibile valutare il periodo di ritorno dell’evento misurando i parametri definiti, quali, ad esempio, le piogge, i terremoti, l’erosione e le attività umane.

Per ovviare alla mancanza di un’unica valida metodologia scientificamente consolidata per la stima del rischio di frana, sono state prese come riferimento, per la definizione dei prodotti SLAM, le normative in materia di rischio idrogeologico definite nella legislazione attualmente in vigore nei paesi che partecipano al progetto. In particolare per i siti test italiani si è preso come riferimento il Piano per l’Assetto Idrogeologico (PAI), quale strumento legislativo esistente per il territorio nazionale. Il PAI infatti, in accordo con le leggi italiane n. 183/89 e 493/93, contiene le informazioni tecniche relative all’uso ottimale del suolo per le aree classificate ad altissimo, alto, medio e basso pericolo di frana all’interno di ogni bacino idrico. La classificazione in aree di rischio è prodotta considerando tre fattori: la probabilità e l’intensità dell’evento, il valore dell’elemento esposto al rischio, e la sua vulnerabilità. Il primo fattore rappresenta l'hazard.
L’analisi statistica delle unità omogenee di terreno, classificate in precedenza, e la distribuzione spaziale delle frane (così come per il prodotto relativo al rilevamento del movimento delle frane) permette di definire il rischio di pericolo dal H0 (basso) a H3 (altissimo). In tal modo è possibile classificare e rappresentare le aree predisposte al pericolo di frana.
Successivamente, l’analisi dei fattori temporali viene effettuata riclassificando le aree in frana in tre nuovi livelli di pericolo H2, H3, e H4, considerando lo stato di attività della frana (ricavato dalla mappa di movimento delle frane), la serie temporale degli spostamenti (ricavata dal monitoraggio degli spostamenti e dai dati in-situ), e le informazioni storiche (ricavate ad esempio dalle banche dati AVI, SCAI e IFFI). In tal modo la classificazione verrà effettuata valutando il periodo di ritorno di ogni fenomeno identificato.
La classe H4, in particolare, conterrà le aree con periodo di ritorno pari a due anni, la classe H3 a dieci anni, e la classe H2 considererà solo le zone dove il periodo di ritorno sarà pari ad almeno 100 anni. Tali suddivisioni sono state scelte valutando la reale fenomenologia avvenuta nel bacino idrologico del fiume Arno.
Infine, la mappa di pericolo di frana viene ottenuta sovrapponendo la classificazione basata sui fattori temporali sulla zonazione delle aree adatte allo sviluppo di fenomeni franosi. La conseguente classificazione in 4 classi di pericolo, più una classe di rischio nullo, costituirà la mappa finale del rischio di frana da consegnare agli utenti finali. Tale mappa sarà realizzata con ArcMap.

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