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Metodologie
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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.
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Interferometria
Differenziale SAR
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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
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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)
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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
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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
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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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