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Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale

Il Piano di Telerilevamento Ambientale

G.I.A. Consulting Srl – Sede legale e operativa viale degli Astronauti n 8 cap 80131 Napoli

www.giaconsulting.it

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Caso di successo Gia consulting Srl di Napoli. «Utilizzo del GIS per il monitoraggio frane e utilizzo

del dato LIDAR come strumento per la gestione del dissesto idrogeologico»

Castello Baronale De Gualtieriis - Piazza Castello, 73020 Castrignano dei Greci (LE)

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Sommario

• Piano di Telerilevamento Ambientale (PST-A): aspetti normativi e

obiettivi

• Topologia di dati: dati LiDAR e dati Interferometrici

• L’interferometria nel PST-A: dati ERS e ENVISAT

• Dati ERS e ENVISAT: esempi di applicazione

• Estensione del PST-A con COSMO-SkyMed

• Dati COSMO-SkyMed: esempi di applicazione

• Geoportale Nazionale: accesso ai dati


Il Piano di Telerilevamento Ambientale2

Il Piano di Telerilevamento Ambientale

• La legge 179 del 31 luglio 2002 art. 27 istituisce il Piano Straordinario di

Telerilevamento Ambientale (PST-A) come Accordo di Programma tra Ministero

dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM), Presidenza del Consiglio dei

Ministri - Dipartimento della Protezione Civile e Ministero della Difesa d’intesa con le

Regioni e le Province Autonome

• La legge 244 del 24 dicembre 2007 art. 327, al fine di verificare e monitorare le aree ad

elevato rischio idrogeologico e consentire la raccolta di dati ambientali, autorizza il MATTM

a stipulare accordi di programma con Amministrazioni centrali e periferiche per

l’estensione del PST-A, rendendo il MATTM punto di riferimento e di accesso per le

cartografie e le informazioni ambientali e istituisce il Piano Ordinario di

Telerilevamento Ambientale (POT-A)



Obiettivi del PST-A

• Realizzazione e aggiornamento di un’ampia base dati ad altissima risoluzione,

LIDAR e Interferometrici, che copre l’intero territorio nazionale a supporto

dei processi decisionali riguardanti l’ambiente e il territorio, in particolare il

dissesto idrogeologico

• Identificazione di metodologie di analisi comuni, utili alla realizzazione di

strumenti condivisi e finalizzati alla produzione di risultati confrontabili

• Integrazione di dati acquisiti attraverso piani mirati di telerilevamento e

banche dati già realizzate o in corso di realizzazione da parte di altre Pubbliche

Amministrazioni centrali o locali

• Fruibilità e condivisione dei dati, tramite il Geoportale Nazionale (GN), a tutto

il comparto della Pubblica Amministrazione



Dati interferometrici

• La tecnica persistent scatterer interferometry è in grado di fornire misure di

spostamento su un insieme di punti al suolo che mantengono la loro firma radar

stabile nel tempo

• Tali punti nominati PS sono sparsi e corrispondono solitamente a strutture, edifici,

rocce esposte, terreno nudo ecc.: lo spostamento è misurato lungo la linea di vista

del sensore

• Il progetto, unico a livello internazionale, prevede l’acquisizione a scala nazionale

di dati prodotti da telerilevamento con tecnica interferometrica e la

conseguente catalogazione nella banca dati del Geoportale Nazionale

• Ad oggi, sono disponibili circa 15.000 immagini ERS-1 ed ERS-2 (Earth Resources

Satellite) ed ENVISAT (ENVIronmental SATellite) in geometria ascendente e

discendente relative al periodo 1992-2010, per una copertura totale del territorio

italiano (circa 300.000 kmq )

• Il Piano PST-A 2008 ha consentito l’elaborazione con tecnica interferometrica tipo

PSP-DIFSAR dei dati ERS e ENVISAT relativi al periodo 1992-2008, rendendo

disponibili sull’intero territorio italiano misure di spostamento del terreno con tecnica

Persistent Scatterer

• Con l’estensione PST-A 2009, mutuato al POT-A, è terminato il processamento

delle misure dei dati ENVISAT inerenti al periodo 29 novembre 2008 - 31 luglio 2010Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale


ERS (1992-2000)



ERS Ascendente

Velocità media(mm/anno)

< -9.0

-9.0 - -7.0

-5.0 - -3.0

-3.0 - -1.0

-1.0 - 10

1.0 - 3.0

5.0 - 7.0

> 7.0

-7.0 - -5.0

3.0 - 5.0

ERS Discendente

ENVISAT (2003-2010)



ENVISAT Ascendente

< -9.0

-5.0 - -3.0

-3.0 - -1.0

1.0 - 3.0

5.0 - 7.0


-9.0 - -7.0

-1.0 - 10

> 7.0

-7.0 - -5.0

3.0 - 5.0

ENVISAT Discendente

Monitoraggio subsidenza con dati ENVISAT Emilia Romagna

Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano

di Telerilevamento Ambientale8

-8.99 - -7.00


< -9.0

-4.99 - -3.00

-2.99 - -1.00

-0.99 - 1.00

1.01 - 3.00

3.01 - 5.00

5.01 - 7.00

> 7.0

-6.99 - -5.001992-2000 ERS ASC

Estrazione acqua

Estrazione gas

Piattaforme offshore

Esempi di utilizzo PS da dati ERS e ENVISAT ROMA Centro-Nord



• Via Fabiola

• Ponte Matteotti

• Chiesa S. Lucia

mm/anno

Esempi di utilizzo PSROMA – Via Fabiola



v = 0 mm/annoCoherenza = 0,88

-30

-20

-10

0

10

20

29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03

Spo

stam

ento

(mm

)

Data delle immagini

PT 345

v = -20 mm/annoCoherenza = 0,98

-150

-120

-90

-60

-30

0

30

60

90

29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03S

post

amen

to (m

m)

Data delle immagini

PT 378

PT 345

PT 378

Esempi di utilizzo PSROMA –Via Fabiola



Esempi di utilizzo PSROMA – Chiesa di S.Lucia (Via Teulada)



PT 2274

PT 2190


-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03

Spo

stam

ento

(mm

)

Data delle immagini

PT 2274

v = - 4 mm/annoCoherenza = 0,88

-30

-20

-10

0

10

20

29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03S

post

amen

to (m

m)

Data delle immagini

PT 2190

Esempi di utilizzo PSROMA – Chiesa di S.Lucia (Via Teulada)



Esempi di utilizzo PSROMA – Ponte Matteotti




-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03

Spo

stam

ent

o (m

m)

Data delle immagini

PT 543

PT 543

Esempi di utilizzo PSROMA – Ponte Matteotti



Estensione del PST-A con COSMO-SkyMed

• Il POT-A prevede l’aggiornamento della banca dati del Geoportale

Nazionale attraverso la produzione di nuovi dataset ottenuti

mediante elaborazione interferometrica di dati radar satellitari

COSMO-SkyMed



ERS ENVISAT

1992 2003 2010

COSMO-SkyMed

Piano di copertura COSMO-SkyMeddel territorio italiano

• La X-band SAR ad alta risoluzione ha dimostrato essere molto efficace per la

tecnica interferometrica persistent scatterer:

– densità altissima dei PS (decine di migliaia per km2 in aree urbane)

• misura degli spostamenti differenziali nella stessa struttura (es. edifici, ponti, dighe,

ecc.)

– elevata sensibilità agli spostamenti (breve lunghezza d’onda)

• La costellazione COSMO-SkyMed, costituita da 4 satelliti, ha alcune capacitàuniche:

– ottimo tempo di rivisitazione (fino a 8 acquisizioni al mese con lo stesso angolo di

puntamento)

• misura dei movimenti veloci

• lunghe serie di acquisizione in brevi periodi

• elevate capacità di acquisizione (fino a 2.000 immagini al giorno)

– copertura completa ogni 16 giorni, di grandi aree

– angoli di vista selezionati per mettere in evidenza i movimenti del terreno (subsidenza,

frane, ecc.)

– localizzazione molto accurata dei PS



Piano di copertura COSMO-SkyMeddel territorio italiano



Geometria ascendente Geometria discendente

Aree sperimentali COSMO-SkyMed



• Per valutare il miglioramento ottenibile con i nuovi dati, in termini di

quantità e qualità dell’informazione, sono state selezionate tre aree

campione sul territorio italiano

• Le tre aree sono state scelte sulla base delle loro caratteristiche ed alla

disponibilità di un archivi dati utile per l’elaborazione interferometrica

– estensione pari a una scena standard di CSK, cioè 40 km x 40 km

– includono tre capoluoghi di provincia: Venezia, Bologna e Palermo (area di

Giacalone - Comune di Monreale, Comuni di Bolognetta e Misilmeri)

• Sono state analizzate entrambe le geometrie di acquisizione (ascendente e

discendente), in modo da avere la visione più completa possibile: l’utilizzo

dei due punti di vista differenti è stato necessario per recuperare

l’informazione di spostamento in almeno una geometria e caratterizzare

meglio fenomeni franosi che presentano componenti del moto sia

orizzontali sia verticali

Aree sperimentali COSMO-SkyMed

SAIE - Bologna 18/10/2012Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano

di Telerilevamento Ambientale20

• In considerazione delle differenze dei siti, per la valutazione dei

risultati ottenuti sono stati utilizzati differenti approcci:

– per Venezia e Bologna, che si trovano in aree pianeggianti, la

principale causa di movimenti è attribuibile a subsidenza (naturale o

indotta da attività antropiche)

• sono state effettuate misure topografiche di precisione basate su sistemi

Global Navigation Satellite Systems (GNSS)

• aggiornamento di tali misure e confronto con quelle ottenute tramite

persistent scatterer interferometry

– Per Palermo, dove le principali cause di movimento del terreno sono

dovute a fenomeni franosi

• analisi geologica

• ricerca di evidenze in campo

Area test COSMO-SkyMed - Bologna

• Anni ‘90 realizzazione diuno specifico servizio dicontrollo del fenomeno,utilizzando dati dilivellazione

• Anni 2000 utilizzo anchedati radar interferometricie GNSS

• Pianificazione di una seriedi rilievi GNSS sull’area diBologna su una superficiedi circa 165 km2

• Distribuzione spaziale delledue reti GNSS

– etichette gialle retecomunale

– etichette rosse reteregionale

• Il nucleo urbano della città di Bologna giace sulla conoide alluvionale del fiumeReno, principale fonte di approvvigionamento idrico per la provincia bolognese

• I prelievi sotterranei, superando le capacità di ricarica della falda, comportanoun progressivo abbassamento della pressione piezometrica, che si manifesta insuperficie con la subsidenza del suolo

SAIE - Bologna 18/10/2012Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale


Area test COSMO-SkyMed - Palermo• L’area di Palermo è soggetta ad un continuo processo di modellamento, che

interessa soprattutto

– aree di affioramento dei complessi argillosi, con scorrimenti rotazionali, colamenti efrane complesse

– aree di affioramento dei complessi carbonatici, con le caratteristiche frane dicrollo/ribaltamento

• L’analisi e la validazione delle elaborazioni di tipo interferometrico-differenzialecon dati CSK si è basata su procedure geologico-applicative, al fine di fornireinformazioni di dettaglio sulle potenzialità del sistema radar CSK nello studiodei movimenti del terreno nelle aree a rischio idrogeologico del territorioitaliano

• Verifica dei caratteri salienti della franosità (tipologia, stato di attività) di duearee campione ricadenti nei territori comunali di Bolognetta/Misilmeri eMonreale (Palermo)

• Per l’analisi sono stati utilizzati:

– dati vettoriali, inerenti la tipologia e lo stato di attività dei dissesti censiti edaggiornati del vigente Piano Stralcio per l’Assetto Idrogeologico (PAI – anno diredazione: 2006)

– cartografia del Progetto C.A.R.G disponibile tramite servizi WMS dal Portale delServizio Geologico d'Italia

– ortofoto, carta tecnica regionale e modello digitale del terreno tramite servizi WMSdisponibili dal Portale della Regione Sicilia



Analisi interferometrica da dati COSMO-SkyMed

• I dati ad alta risoluzione in banda X, acquisiti dalla costellazione CSK,

hanno introdotto significative differenze rispetto ai dati delle precedenti

missioni in banda C (ERS ed ENVISAT) in termini di densità di punti di

misura e copertura delle aree monitorate

• Tecniche di elaborazione per i dati ad alta risoluzione basate su due

algoritmi all’avanguardia

– Persistent Scatterer Pairs (PSP)-IFSAR

– SqueeSAR™

• La posizione dei PS determinata a partire dai dati ERS, ENVISAT e CSK

non corrispondono:

– differenze fra i sensori in termini di lunghezza d’onda della radiazioneelettromagnetica

– polarizzazione

– risoluzione

– cambiamenti della scena osservata nei diversi periodi analizzati



Analisi interferometrica da dati COSMO-SkyMed

• Passo del grigliato 50 m x 50 m per mantenere il massimo livello di

dettaglio compatibilmente con la risoluzione dei dati in banda C (più

scarsa)

• Per ogni cella in corrispondenza delle aree di sovrapposizione fra i dati CSK

ed ERS o ENVISAT si è valutato il numero di punti ricadenti all’interno per

verificare sia la copertura del dato sia la densità dei punti di misura a terra

• La maggiore risoluzione spaziale dei satelliti in banda X (3x3m) rispetto a

quelli in banda C (20x5m) ha aumentato i punti di misura oltre un ordine

di grandezza



Processamento dati COSMO-SkyMedBologna

• Immagini Cosmo-SkyMed (banda X)

– 36 immagini acquisite dal in geometria ascendente Gennaio 2009 - Settembre 2011 con un

tempo di rivisitazione medio di circa di 24 giorni

– 40 immagini in geometria discendente Ottobre 2008 - Settembre 2011 con un tempo di

rivisitazione medio di circa di 24 giorni

– dati elaborati con tecnica PSPIFSAR

• Immagini ENVISAT (banda C) Agosto 2004 - Luglio 2010 periodo di rivisita medio di

60 giorni

• Immagini ERS (banda C) Aprile 1992 - Novembre 2000 periodo di rivisita di 40

giorni



Satellite Geometria Numero PSNumero celle con

almeno un PSCopertura (km2)

ENVISAT ASC 49755 36567 91.42

CSK ASC 451650 97131 242.83

ERS DESC 49333 36388 90.97

ENVISAT DESC 159116 45340 113.35

CSK DESC 417949 88194 220.49

Confronto copertura spaziale - Bologna



• Le aree fortemente urbanizzate

sono ben coperte con i dati in

banda X (CSK) e in banda C

(ENVISAT-ERS)

• La maggior risoluzione del dato

CSK favorisce l’aumento del

numero di punti anche nelle aree

rurali o a minor densità

urbanistica

• Il numero dei punti lungo le

infrastrutture lineari, come ad

esempio l’autostrada Adriatica, è

aumentato utilizzando il dato

CSK

• Solo poche aree mostrano una

perdita di punti rispetto

all’elaborazione ENVISAT ed ERS

CSK - ERS (discendente)

Cella persa

Cella presente in entrambe i dataset

Cella guadagnata


• I dati della costellazione CSK possono caratterizzare nel dettaglio i fenomeni

osservati arrivando a poter analizzare la stabilità di singoli edifici, infrastrutture

sensibili come viadotti, ferrovie ecc.



Tratto autostradale a Nord di Bologna (Bo)

• CSK discendente

• ENVISAT ascendente

• CSK discendente

• ERS discendente

• CSK ascendente

• ENVISAT ascendente

Stazione centrale di Bologna


• Dettaglio della stazione ferroviaria di Bologna

– sinistra: dati ERS discendenti (79 immagini acquisite nel periodo aprile 1992-

novembre 2000)

– destra: dati CSK discendenti (40 immagini acquisite tra il settembre 2008 ed

il febbraio 2011)



Velocità media annua lungo la

LOS (Line Of Sight)

Comparazione e validazione risultati – Bologna

• I dati di spostamento del terreno, ottenuti con tecnica PSI applicata ai dati CSK sono stati

confrontati con misure da sistemi GNSS

• Tra i vertici disponibili sono stati scelti quelli che rispondevano a determinate

caratteristiche tra cui, ad esempio, possibili limitazioni alla visibilità del cielo a causa di

oggetti circostanti



• I vertici selezionati, 24, sono

stati sottoposti a nuove

rilevazioni

• Nell’elaborazione delle

baselines sono state utilizzate

anche le osservazioni acquisite

in contemporanea da alcune

stazioni permanenti (SP)

operanti all'interno o in

prossimità delle aree oggetto

dei rilievi (distanza max. 10-11

km)

– dati in formato RINEX (Receiver

INdipendent Exchange format)

delle SP BOLG (rete europea

EUREF) e BOLO (rete nazionale

Italpos di Leica spa)

Comparazione e validazione risultati – Bologna

• Per la comparazione dei risultati è stato necessario omogeneizzare i dati perché:

– lo spostamento dei PS è misurato lungo la linea di vista del sensore mentre le misure di

posizionamento con sistemi GNSS forniscono le tre componenti (nord, est, quota)

– i vertici della rete non corrispondono a punti PS

– i periodi di tempo cui si riferiscono le misure sono parzialmente sovrapposti, ma non

coincidenti

• Le quantità confrontate sono le velocità medie proiettate lungo la linea di vista (Line

of Sight - LOS) del SAR

– per ciascun vertice GNSS è stata calcolata la velocità media di spostamento a terra secondo le

tre direzioni nello spazio (vN, vE, vh)

– per ciascun vertice GNSS sono stati selezionati i PS ricadenti in un intorno circolare centrato

sulla posizione del vertice stesso con raggio di ricerca di 50 m o 100 m in base alla densità

dei PS circostanti, in modo tale da selezionare sempre almeno 10 PS

– per ciascuno dei clusters (gruppi) di PS individuati è stata calcolata la mediana della velocità,

poi attribuita ad un PS “fittizio” coincidente con la posizione del vertice GNSS

• Le componenti delle velocità di spostamento calcolate per ciascun vertice GNSS lungo

le tre direzioni spaziali (vN, vE, vh) sono state proiettate lungo la direzione del SAR,

utilizzando i valori dei coseni direttori

• Per ciascun vertice GNSS le tre proiezioni delle componenti della velocità di

spostamento sono state infine sommate algebricamente tra loro



Comparazione e validazione risultati –Bologna



• Confronto fra le misure di velocità media ottenute tramite sistema

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