Monitoraggio del dissesto del territorio

Tramite tecniche di telerilevamento avanzato

Davide Notti: davidenotti@gmail.com

Alessandria 10/01/2017

- Radar e interferometria differenziale Alcuni principi

- Le tecniche Persistent Scatterer Interferometry (PSI) e Applicazioni a casi di studio

- Applicazioni del LIDAR aereo ad alta risoluzione e modelli digitali del terreno

- Cenno a GIS e piattaforme dati open-source

Temi trattati

IL RADAR AD APERTURA SINTETICA (SAR)

1 – E’ un sistema attivo: non ha bisogno di illuminatori come il Sole

2 – Opera alla frequenza delle microonde penetra nuvole, pioggia

3 – E’ un sistema coerente: consente misure precise di variazioni di distanza radar – bersagli usando tecniche interferometriche.

4 – Per avere una buona risoluzione simula una grande antenna (Apertura Sintetica)

Banda Frequenza Lunghezza d'onda

L 1 - 2 GHz 30 - 15 cm

S 2 - 4 GHz 15 - 7,5 cm

C 4 - 8 GHz 7,5 - 3,75 cm

X 8 - 12 GHz 3,75 - 2,4 cm

Ottico Ottico

RadarRadar

1992 1995 2001 2002 2006ERS1 – ERS2 Sentinel-1

RADARSAT-1 RADARSAT-2

ALOS-PALSAR

TerraSAR-X

1998

Cosmo-Skymed

2007 2008

-

I Satelliti SAR

2010

ENVISAT

2014

I Satelliti SAR

Sono possibili 2 geometrie di acquisizione:

Ascendente - > linea di vista (LOS) diretta verso EST

Discendente - > linea di vista (LOS) diretta verso OVEST

L’inclinazione è in genere sub-verticale varia con i sensori (78° – 60°)

Il tempo di rivisita varia da satellite a satellite… es Sentinel-1 a/b: 6 giorni

Il Radar emette una radiazione coerente: mantiene le informazioni di fase e ampiezza dell’onda

L'ampiezza può essere sfruttata per ottenere immagini

L’interferometria differenziale DInSAR sfrutta le interazioni fra due onde della stessa lunghezza d’onda, la differenza di fase fra due onde successive permette di calcolare spostamento

Dati Radar - Principi

Lunghezza d’onda

Fase dell’Onda

Ampiezza dell'onda = Quanto è riflessa l'onda

Immagine del satellite Cosmo-Skymed 26 / 11 / 2016 h 6

Alessandria

Mappatura di aree inondate in condizioni di nuvolosità o notturne.

Immagini SAR - Ampiezza

Applicazioni legate all'ampiezza dell'onda riflessa

Traffico marittimo, oil spill, relitti

Aereo russo precipitato

Il confronto fra due immagini radar produce un interferogramma, in esso per ogni pixel si confronta la differenza di fase dell’onda essa è dovuta ai seguenti fattori:

- Topografia

- Eventuali spostamenti del terreno

- Disturbi dell’atmosfera

- Orbita

- Rumore di fondo

t0t0 t1t1

Interferometria SAR Differenziale - Principi

ΦINTERF=ΦTOPO+ΦMOV+Φ APS+ΦNOISE

TECNICA DInSAR: E’ possibile ricavare dal confronto fra 2 immagini radar un interferogramma che mostra le differenze di fase fra le due onde si possono così misurare spostamenti con la precisione di frazioni di lunghezze d’onda (mm).

Questa tecnica è molto adatta a misurare spostamenti dopo eventi sismici

Terremoto – Italia centrale 2016 > 60 cm

Interferometria SAR Differenziale - Le Tecniche

La tecniche PSI (Persistent Scatterer Interferometry) o Advanced

DInSAR:

elaborazione di una serie multitemporale di immagini SAR al fine di

individuare al suolo una rete di “punti” di che presentano

caratteristiche di riflettività costanti tali da poter essere considerati

dei bersagli permanenti “Persistent Scatterer - PS”.

Movimenti di deformazione del suolo nell’ordine di grandezza

compreso fra pochi mm e qualche cm/anno.

Questa tecnica risulta quindi particolarmente adatta per lo studio

di fenomeni geologici quali frane lente e molto lente (DGPV),

subsidenze, permafrost, movimenti tettonici e vulcani, problemi

relativi a edifici o altre strutture antropiche,…

L.O

.SL

.O.S

.No PS

Alcuni AlgoritmiSBAS, CPT, SqueeSAR,

PSInSAR, SPN

Interferometria SAR Differenziale - Le Tecniche

TECNICHE PSI

In ogni dataset tutte le misure sono relative ovvero riferite ad un punto di riferimento

“reference point” ritenuto stabile.

Con segno (-) si rappresentano velocità in allontanamento dal sensore

Con segno (+) si rappresentano velocità in avvicinamento dal sensore

Il margine di errore della tecnica è VEL= 2 mm/anno

Ref. Point Ref. Point VEL = 0 VEL = 0

PS 1 Vel= -2 mm/annoPS 1 Vel= -2 mm/anno

PS 2 Vel= 0,5 mm/annoPS 2 Vel= 0,5 mm/anno

PS 3 Vel= -4 mm/annoPS 3 Vel= -4 mm/anno

1. Acquisizione di dati su territori molto ampi

Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi

Es. Regione Es. Regione PiemontePiemonte

ARPA – Piemonte.

Copertura completa con i dati ERS, dati Radarsat Alpi e Langhe

Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi

Progetto PST: copertura completa territorio nazionale (7 Milioni di €)

1. Acquisizione di dati su territori molto ampi

2. Costi contenuti per rispetto ad altri strumenti di monitoraggio su terreno3. Abbastanza facile lettura dei dati, integrazione nei software GIS 4. Monitoraggio di aree impervie e difficilmente attrezzatili con strumenti

da terra

Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi

Serie storica del movimento

a) Per mancanza di bersagli

Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti

Mancanza di PS

Mancanza di PS

b) Per problemi di deformazione legati alla topografia

Ove disponibili l’utilizzo delle 2 geometrie di acquisizione riduce

questi problemi

Versante compresso Versante in ombraSovrapposizione

Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti

velocità registrata ≠ velocità reale

I movimenti che possono essere registrati con la tecnica sono quelli verticali e con componete orizzontale E –W mentre quelli N- S non possono essere registrati.

Da V LOS a V Slope usando:

-Pendenza

-Esposizione

Ricavate da un DEMVel slo

pe

Vel L

.O.S

Parziale soluzione:

Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti

Ove disponibili l’utilizzo delle 2 geometrie di acquisizione riduce

questi problemi

Tecniche PSI - Interpretazione dei dati

Tenendo conto delle potenzialità e dei limiti della tecniche PSI si può verificare la capacità della tecnica nell’individuare e descrivere i processi geologici per questo è necessario integrare di dati con:

-Dati geologici e geomorfologici dell'area in esame-Dati da altri strumenti di monitoraggio / da altri strumenti di telerilevamento -Consultazione di archivi e database storici di dissesti e danni-Fotointerpretazione -Carta inventario dei fenomeni franosi (es. IFFI, PAI….) -Rilievi su terreno (morfologia / danni ad edifici ) nei casi più critici

La tecniche PSI danno una misura delle deformazione…. Spetta al tecnico INTERPETARLA !

Tecniche PSI - Interpretazione dei dati

DATO PSI

Analisi: estrazione delle aree critiche, serie storiche

Altri dati: Inventari Frane; Geologia, Altri monitoraggio,

PROCESSO GEOLOGICO INTERPRETATO

Rilievi su terreno, rilievo dei danno agli

edifici

DATO SATELLITARE GREZZO

CProcessing del dato

Decisioni delle autorità, ulteriori studi

> Integrazione ai sistemi di monitoraggio a terra

Frane

> Aggiornamento di database di fenomeni franosi (nuove frane, riperimetrazione)

> Definizione dello stato di attività di alcune frane (DGPV) nel periodo di analisi

Subsidenze

> Mappatura delle aree soggette a subsidenza

> Correlazione con le falde acquifere / estrazione di GAS/idrocarburi

Edifici / patrimonio archeologico - architettonico

> Individuazione di edifici potenzialmente lesionati da movimenti franosi, subsidenze

o altri processi geologici

Tecniche PSI - Applicazioni

Tecniche PSI -Applicate alle FRANE

CASI DI STUDIO - Piemonte – Liguria e Spagna

GRANGE SISES MONTALDO

DI COSOLA

ALPE BARANCA

MendaticaMendatica

Marina del Este

Frane casi di studio - Piemonte

Si trova nell’unità Sesia-Lanzo ed è caratterizzata da un bedrock composto essenzialmente da micascisti e gneiss minuti.

DGPV = DeformazioneGravitativaProfonda diVersante

É una movimento molto lento del versante molte esteso e profondo

DGPV – Alpe Baranca - Fobello (VC)

DATI CSKM- pcn

Frane casi di studio - Piemonte

DGPV – Alpe Baranca - Fobello (VC)

Movimenti fino a 3/4 cm/anno

Area poco antropizzata

Pre 2000 Post 2000

Frane casi di studio - Piemonte

DGPV – Alpe Baranca - Fobello (VC)

DGPV: in litologie scistose:

- Pendenze ridotte, minor presenza di fenomeni di crollo, sdoppiamento di creste e rigonfiamenti meno marcati

Grange Sises

Il Versante esposto a W-SW è in condizioni ottimali rispetto L.O.S discendente, ottimo anche per la presenza di bersagli diversi (edifici e detrito)

Bessen Haute

Frane casi di studio - Piemonte

DGPV – Grange Sises - Sauze di Cesana (TO)

Il dato PS mostra movimenti consistenti nelle frazioni, confermato anche dagli inclinometri

Frane casi di studio - Piemonte

DGPV – Grange Sises - Sauze di Cesana (TO)

Bessen Haute

Grange Sises

In questo caso il dato PS è stato validato in maniera soddisfacente dai dati inclinometri e correlato alle precipitazioni ed allo scioglimento del manto nevoso

DGPV – Grange Sises - Sauze di Cesana (TO)

Frane casi di studio - Piemonte

Una parte del rilievi su terreno consiste anche nel verificare le relazioni fra lesioni ad edifici e velocità registrate dai PS per valutare gli effetti dei movimenti del versante

Frane casi di studio - Piemonte

DGPV – Grange Sises - Sauze di Cesana (TO)

L’area si sviluppa nell’Ambiente Appenninico cateterizzato dalla presenza di formazioni flyschoidi (formazione di Monte Antola) affetta da un’elevata franosità (frane complesse e colamenti)

Frane casi di studio - Piemonte

Frana complessa – Montaldo di Cosola (AL)

Progetto ALCOTRA RISKNATAzione B2SISTEMA INFORMATIVO FRANE IN PIEMONTEScheda descrittiva di dettaglio III livello di approfondimentoComune di Cabella Ligurelocalità Montaldo ed Aie di Cosola

Dal 1987 Alcuni milioni di Euro per monitoraggio e

manutenzione

L’area si sviluppa nell’Ambiente Appenninico cateterizzato dalla presenza di formazioni flyschoidi (formazione di Monte Antola) affetta da un’elevata franosità (frane complesse e colamenti)

Montaldo

Frane casi di studio - Piemonte

Frana complessa – Montaldo di Cosola (AL)

Inclinometri e monitoraggio delle

lesioni confermano il dato PS

L’area si sviluppa nell’Ambiente Appenninico cateterizzato dalla presenza di formazioni flyschoidi (formazione di Monte Antola) affetta da un’elevata franosità (frane complesse e colamenti)

Frane casi di studio - Piemonte

Frana complessa – Montaldo di Cosola (AL)

Inclinometri e monitoraggio delle

lesioni confermano il dato PS

Sul terreno si possono valutare gli effetti dei movimenti registrati dai dal dato SAR.

Movimenti maggiori di 2 cm/ ANNO, Lesioni strutturali

Frane casi di studio - Liguria

Frana complessa – Mendatica (IM)

Sul terreno si possono valutare gli effetti dei movimenti registrati dai dal dato SAR.

Frane casi di studio - Liguria

Frana complessa – Mendatica (IM)

Movimenti maggiori di 2 cm/ ANNO, Lesioni strutturali

Scala dei danni (Cooper, 2008)

Marina del Este – (Andalusia , Spagna )

Un esempio si cattiva urbanizzazione!

Frane casi di studio -

Spagna

Tecniche PSI -Applicate alle Subsidenze

CASI DI STUDIO - Piemonte – Turchia e Spagna

Pontecurone

Otura

Konya

Subsidenze casi di studio - Pontecurone (AL)

Oscillazioni del terreno legate alle variazioni del livello piezometrico legato soprattutto a falde confinate in pressione

Rapido aumento della popolazione e del consumo di acqua:

> Sfruttamento eccessivo della risorse idriche

Subsidenze casi di studio - Otura, Granada (Spagna)

Irrigazione eccessiva in aree a clima secco, siccità e cambiamenti climatici:

> Sfruttamento eccessivo della risorse idriche

Subsidenze casi di studio - Bacino di Konya (Turchia)

2000 – 2015 Aumento delle aree irrigate

Calò et al; 2017

Applicazioni ai beni archeologici ed architettonici

San Francisco Millenium Tower: InSAR results by TRE ALTAMIRA

Diga di Mosul

Persistent Scatterer Interferometry Processing of COSMO-SkyMed StripMap HIMAGE Time Series to Depict Deformation of the Historic Centre of Rome, Italy (Cigna et al., 2014)

Remote Sens. 2014, 6(12), 12593-12618; doi:10.3390/rs61212593

Anche le strutture antropiche soggette a deformazioni lente possono essere monitorate

tramite l'interferometria DInSAR

Applicazioni ai beni archeologici ed architettonici

Cedimento rilevato di accesso al Ponte Tiziano

Cittadella “Stabile!?” 2005-2010

!! Attenzione !!

Nessun movimento non

vuol dire

Struttura stabile

IL LIDAR

Laser Imaging Detection and Ranging è una tecnica di telerilevamento che permette di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser

DTM = modello digitale del terreno

DSM = modello digitale della superficie (edifici e vegetazione)

È La stessa tecnologia del Laser scanner che si usa per gli

edifici…..

IL LIDAR

Modelli precisi dei versanti e dei dissesti, calcolo dei volumi di delle frane, aree di cava ecc

Sierra Nevada (E) La differenza fra 2 DSM LIDAR – più di 100 frane in 10 km di strada

Modellare le aree soggette ad inondazione o frane con DTM di precisione

IL LIDAR - Applicazioni

LIDAR DTM 5 m Regione Piemonte Forme morfologiche del

terreno naturali ed antropiche.

Attorno alla Cittadella si notano:

>campo di inondazione a Nord della Cittadella

>fossati e bastioni

IL LIDAR - Applicazioni

Non solo dissesti ma anche applicazione nell'archeologia e nell'architettura

DSM 1 m – Min. Ambiente PST

Forte di Gavi

Cittadella

Il versate Sud del Forte di Gavi è soggetto a frane superficiali

IL LIDAR - Applicazioni

I terrazzamenti delle Cinque Terre / Patrimonio culturale e problemi dissesto.

Response of terraced slopes to a very intense rainfall event and relationships with land abandonment: a case study from Cinque Terre (Italy)

P. Brandolini, A. Cevasco, D. Capolongo,G. Pepe, F. Lovergine, M. Del Monte

IL LIDAR - Applicazioni

Non solo dissesti ma anche applicazione nell'archeologia e nell'architettura

“..As the Vernazza case demonstrates,the abandonment of terraces produces a hazardous situation,but their restoration is expensive..”. (Galve et al; 2015)

● Mappare le deformazioni di un terremoto

Le tecniche PSI – Advanced DinSAR:

● Permette di monitorare e mappare frane molto lente e subsidenze su territori

anche di dimensioni regionali, con database di dati ventennale;

● È un sistema che permette di monitorare siti che difficilmente sarebbero attrezzati

con altri strumenti di monitoraggio e con costi inferiori e densità di punti di misura

spesso non comparabili;

● È facilmente integrabile in un sistema informativo geografico (GIS) per un confronto

con altri monitoraggi e dati a disposizione

● Può individuare gli edifici potenzialmente lesionati e di conseguenza anche i beni

artistici / archeologici

RIASSUMENDO

L’interferometria da satellite

> Modelli digitali del terreno di alta precisione DTM e DSM

> Modelli dei versanti di alta precisione per mappare e modellare frane e dissesti.

> Modellare aree golenali e gli effetti sulle piene

> Applicazione archeologiche / architettoniche

> Applicazione per lo studio delle masse vegetali

LIDAR da piattaforma aerea

RIASSUMENDO

I database di dati da telerilevamento e geologici gratuiti sono sempre di più

FREE GEO-DATABASE

Dati Piemonte

ESA -Sci-Hub Copernicus

PCN - Min. Ambiente

Earth explorer USGS

GIS open source

Servizi WMS /WFS / WCS Immagini Google

Moduli di Saga e Grass GISDatabase - PostGIS

Per Approfondire

Per approfondire tecniche InSARhttp://www.risknet-alcotra.org/rna/allegati/risknat-b2-c2-manuale-interfero-ar-

parte-i-v-6-12-shrunk_1028.pdf

Bibliografia

Meisina C., Zucca F., Notti D., Colombo A., Cucchi A., Savio G., Giannico C., Bianchi M. (2008) Geological interpretation of PSInSAR Data at regional scale. Sensors, Vol 8, Issue 11, pag. 7469-7492. DOI: 10.3390/s8117469

Notti D., Mateos R.M., Monserrat O., Devanthéry N., Peinado T., Roldán F.J., Fernández-Chacón F., Galve J.P., Lamas F., Azañón J.M. (2016) Lithological control of land subsidence induced by groundwater withdrawal in new urban AREAS (Granada Basin, SE Spain). Multiband DInSAR monitoring. Hydrological Processes, Vol 30, Issue 13, pag. 2317-2331. DOI: 10.1002/hyp.10793

Milillo, P., Bürgmann, R., Lundgren, P., Salzer, J., Perissin, D., Fielding, E., Biondi, F. and Milillo, G., 2016. Space geodetic monitoring of engineered structures: The ongoing destabilization of the Mosul dam, Iraq. Scientific Reports, 6.

Cigna, F., Lasaponara, R., Masini, N., Milillo, P. and Tapete, D., 2014. Persistent scatterer interferometry processing of COSMO-SkyMed StripMap HIMAGE time series to depict deformation of the historic centre of Rome, Italy. Remote Sensing, 6(12), pp.12593-12618.

Brandolini, P., Cevasco, A., Capolongo, D., Pepe, G., Lovergine, F. and Del Monte, M., 2016. RESPONSE OF TERRACED SLOPES TO A VERY INTENSE RAINFALL EVENT AND RELATIONSHIPS WITH LAND ABANDONMENT: A CASE STUDY FROM CINQUE TERRE (ITALY). Land Degradation & Development.

Coluzzi, R., Lanorte, A. and Lasaponara, R., 2010. On the LiDAR contribution for landscape archaeology and palaeoenvironmental studies: the case study of Bosco dell'Incoronata (Southern Italy). Advances in Geosciences, 24, pp.125-132.

Per Approfondire