Monitoraggio delle Frane

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TECNICHE DI MONITORAGGIO DELLE FRANE La sorveglianza delle frane o delle situazioni di dissesto idrogeologico è molto importante sia per lo studio di situazioni di pericolo che per la difesa della popolazione, dei patrimoni immobiliari e delle attività presenti all’interno dell’area monitorata. Le statistiche confermano che l’Italia è uno tra i Paesi della Comunità Europea con il maggior pericolo di frane, registrando un morto ogni dieci giorni. Le strumentazioni utilizzate per il monitoraggio delle frane si basano su principi costruttivi e modalità di installazione differenti; tutti gli strumenti però sono accomunati dalle seguenti caratteristiche: chiarezza progettuale e costruttiva; durata; calibrazione speditivi; efficienza al variare delle condizioni ambientali; accuratezza delle misure su breve e lungo periodo; semplicità di installazione; minimo impatto della strumentazione con le condizioni al contorno; affidabilità dell’unità di lettura; risparmio economico. La strumentazione prescelta per il monitoraggio di un dissesto idrogeologico dovrà sempre essere caratterizzata da una o più proprietà tra quelle riportate. Gli strumenti svolgono un importante ruolo di allerta, in quanto permettono di far conoscere in anticipo le condizioni di pericolo, molto spesso infatti sono dotati di sistemi di allarme. Le misure di principale interesse sono:

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TECNICHE DI MONITORAGGIO DELLE FRANE

La sorveglianza delle frane o delle situazioni di dissesto idrogeologico è molto importante

sia per lo studio di situazioni di pericolo che per la difesa della popolazione, dei patrimoni

immobiliari e delle attività presenti all’interno dell’area monitorata.

Le statistiche confermano che l’Italia è uno tra i Paesi della Comunità Europea con il

maggior pericolo di frane, registrando un morto ogni dieci giorni.

Le strumentazioni utilizzate per il monitoraggio delle frane si basano su principi costruttivi

e modalità di installazione differenti; tutti gli strumenti però sono accomunati dalle seguenti

caratteristiche:

• chiarezza progettuale e costruttiva;

• durata;

• calibrazione speditivi;

• efficienza al variare delle condizioni ambientali;

• accuratezza delle misure su breve e lungo periodo;

• semplicità di installazione;

• minimo impatto della strumentazione con le condizioni al contorno;

• affidabilità dell’unità di lettura;

• risparmio economico.

La strumentazione prescelta per il monitoraggio di un dissesto idrogeologico dovrà sempre

essere caratterizzata da una o più proprietà tra quelle riportate. Gli strumenti svolgono un

importante ruolo di allerta, in quanto permettono di far conoscere in anticipo le condizioni

di pericolo, molto spesso infatti sono dotati di sistemi di allarme.

Le misure di principale interesse sono:

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• le misure di deformazione;

• le misure di tensione (tensione totale, pressione dell’acqua).

Le misure sono caratteristiche del fenomeno osservato; ad esempio nel monitoraggio di un

dissesto in una zona prevalentemente rocciosa, la rottura avviene per piccolissime

deformazioni, ci si deve concentrare quindi sulla misura delle pressioni dell’acqua e sulla

spinta del terreno, perché se siamo in presenza di deformazioni, significa che il dissesto è

già in atto.

Meritano una particolare attenzione, oltre alle spese per l’acquisto e l’installazione degli

strumenti, l’acquisizione dei dati e la loro interpretazione. In particolare l’interpretazione dei

dati dovrebbe essere tempestiva in relazione alla velocità dei movimenti e dovrebbe

essere realizzata subito dopo l’acquisizione dei dati così da poter controllare il corretto

funzionamento degli strumenti e un eventuale situazione di pericolo in atto.

La disposizione degli strumenti deve essere tale da assicurare un’adeguata protezione

contro gli atti vandalici (ad esempio cabine, tombini con chiavistelli e lucchetti, cartelli,

recinzioni).

Un primo elenco schematico della strumentazione utilizzata per la prevenzione e la

sorveglianza di un movimento franoso è caratterizzato da:

1. immagini fotografiche

2. sondaggi geognostici

3. inclinometri

4. piezometri

5. stazioni termo-pluviometriche

6. tiltmetri

7. estensimetri

8. piastrine di deformazione graduate di plastica trasparente

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9. misuratori di sforzi o strain gauges

10. metodi geodetici

11. misure topografiche con GPS

12. rilievo topografico lidar da elicottero

13. interferometria satellitare SAR

Descrizione della strumentazione

1. Le immagini fotografiche eseguite in un determinato arco temporale mostrano

l’evoluzione dei movimenti. Con le fotografie è possibile avviare una prima ricerca e

il riconoscimento delle tracce delle deformazioni, si possono quindi evidenziare

eventuali segnali premonitori, che consistono soprattutto in crepe e fessure sia nel

terreno che nelle costruzioni. Una menzione speciale meritano le fotografie

stereoscopiche che permettono una visione tridimensionale delle immagini,

esaltando i dislivelli.

2. I sondaggi geognostici, con un rapporto stratigrafico e una serie di foto delle

cassette catalogatrici con la descrizione delle carote prelevate, permettono di

conoscere le caratteristiche meccaniche del terreno in esame; all’interno dei pozzi

creati dai sondaggi si possono inserire tubi inclinometrici.

3. Gli inclinometri valutano gli spostamenti del terreno in profondità. Gli inclinometri

sono dei tubi scanalati che permettono lo scorrimento di una sonda munita di

pendolo e dispositivi elettrici per misurare il suo scostamento con la profondità.

Dalla misura dell’inclinazione nelle varie tratte del tubo si risale agli spostamenti

orizzontali. Un inclinometro è costituito da un tubo di pvc di piccolo diametro, i cui

spostamenti sono controllati nel tempo mediante l’introduzione di una sonda di

diametro leggermente inferiore al tubo, sospesa ad un filo graduato. Se la porzione

inferiore del tubo è infissa nel terreno saldo e la parte superiore in terreno in

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movimento, la localizzazione del passaggio è evidenziata dall’accentuarsi della

curvatura del tubo. La misura di deformazione, effettuata con gli inclinometri, si

ricava dall’elaborazione di dati di inclinazione rilevati per mezzo di una sonda che

scorre lungo due assi ortogonali in tubi inclinometrici verticali o orizzontali, situati

all’interno di fori di sondaggio. Lo scopo è quello di valutare deformazioni del

terreno in ambienti franosi.

I tubi inclinometrici, allocati nei fori di sondaggio, rappresentano un sistema

utilizzato congiuntamente con quello sonda-cavo-centralina nelle misure di

deformazione del terreno. Gli inclinometri sono costituiti da tubi cilindrici provvisti di

quattro scanalature a rotaia longitudinali che guidano la sonda inclinometrica mobile

lungo il pozzo da monitorare. Le scanalature sono localizzate nei punti di

intersezione tra il tubo e due piani assiali ortogonali tra loro, che permettono di

collocare la sonda in quattro posizioni a 90° l’una dall’altra (fig. 1).

Fig. 1: Sezione di tubo inclinometrico e numerazione guide (a sinistra); tubi con manicotti (a destra)

Il tubo è formato da pezzi cilindrici lunghi 3 metri di diametro interno variabile,

generalmente compreso tra 60 e 80 mm. Questi pezzi sono uniti tra loro tramite dei

manicotti congiunti con rivetti, sigillati con mastice siliconico e nastro adesivo. In

base al diametro prescelto, le dimensioni delle trivelle utilizzate nel foro di

sondaggio variano tra 76 a 101 mm.

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In commercio sono disponibili tre diverse tipologie di involucro: in alluminio, in fibra

di vetro e in acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS). La scelta della fornitura dipende

da fattori quali la corrosione, le tempistiche di esecuzione dei lavori e la risposta

dinamica del sistema tubo-terreno.

Dopo aver realizzato il foro nel terreno, i tubi vengono assemblati in sito e calati fino

a rivestire l’intera parete interna del sondaggio; viene quindi immessa a bassa

pressione una miscela plastica composta da acqua, cemento e bentonite. Questa

miscela plastica ha lo scopo di far aderire l’intero tubo inclinometrico al terreno

circostante. Infine viene verificata la continuità e l’agibilità delle scanalature tramite

una sonda testimone; quindi viene applicato un chiusino e un pozzetto per evitare

atti vandalici.

Il sistema inclinometrico è costituito dall’insieme sonda-cavo-centralina (fig. 2).

Fig. 2: Sistema inclinometrico della SISGEO

Le sonde inclinometriche sono dei corpi cilindrici in acciaio, muniti di una coppia di

carrelli a rotelle che permettono il movimento lungo le scanalature dei tubi,

all’interno dei quali è collocato il sensore di inclinazione.

Esistono due tipi di sensori: potenziometrici e servoassistiti.

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I sensori potenziometrici sono costituiti da pendoli senza contatti del tipo magneto-

resistivo o da celle elettrolitiche; viene misurato il potenziale resistivo in funzione

dell’inclinazione del pendolo magnetico o del fluido elettrolitico (misura

elettromeccanica).

I sensori servoassistiti sono caratterizzati da servo-accelerometri; viene misurata la

corrente necessaria a bilanciare le forze destabilizzanti e a riportare il sistema

pendolo all’equilibrio in posizione zero (misura elettronica). Questo tipo di sensore

offre delle misure più precise.

Le sonde inclinometriche provviste di servoaccelerometri sono di tipo biassiale, cioè

eseguono una doppia misura su due piani ortogonali.

Il cavo che trasmette il segnale ha un’anima in kevlar ed è munito di connettore a

tenuta stagna che permette l’utilizzo in ambienti umidi o subacquei; dei cilindri di

nylon posizionati ogni 50 cm permettono di collocare la sonda all’interno del tubo e

di ripetere la misura nel tempo alla stessa profondità. La centralina portatile è un

datalogger che misura le tensioni di alimentazione dei sensori di inclinazione e

registra i dati campionati.

La centralina è dotata di una memoria non volatile in grado di registrare le letture di

campagna formattate in diversi files, contrassegnati da un numero progressivo e da

una label alfanumerica; ognuno di questi files può a sua volta essere suddiviso in

records, ognuno contenente fino a 255 dati per ciascuna delle 4 direzioni

corrispondenti alle guide.

Il piano assiale nel quale giacciono le rotelle è definito piano A, quello ortogonale

piano B. I segnali corrispondenti sono rispettivamente il canale A e il canale B.

Le rotelle di riferimento sono quelle inclinate verso il basso e definite dalla rotazione

nel loro verso con valori negativi del canale A. Come si vede in figura 3, inclinando

la sonda in corrispondenza delle rotelle di riferimento avremo un segnale A

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negativo; inclinando la sonda a destra rispetto al piano A, il canale B misura valori

negativi.

Il canale A, essendo direttamente vincolato attraverso i carrelli alle scanalature dei

tubi, risulta essere quello con misure più stabili e meno disturbate.

Le scanalature longitudinali sono chiamate guide e sono nominate da 1 a 4 in senso

orario, si associa alla guida 1 quella con azimut minore rispetto alla direzione del

Nord magnetico.

Fig. 3: Canali della sonda inclinometrica

I profili inclinometrici possono essere effettuati su due guide, di norma la 1 e la 3,

oppure su tutte le quattro scanalature.

La prima profilatura è eseguita con una sonda testimone, identica nella meccanica

alla sonda di misura, e serve per verificare potenziali rotture del tubo e per una

preventiva pulitura delle guide di misura. Quindi si inserisce la sonda fino a fondo

pozzo e si attende l’equilibrio termico; si inizializza la sonda e si confronta la lettura

corrente con le letture precedenti, annotate su un registro di campagna. Se i dati

non corrispondono dopo l’equilibrio termico, si riposiziona (dal basso verso l’alto) la

sonda nel punto iniziale di misura. Data l’alta sensibilità strumentale si rilevano

diverse letture; quando le letture sono abbastanza corrispondenti si inizia

l’acquisizione.

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Ad intervalli di 50 cm si ritira la sonda mobile lungo il foro e si acquisiscono i valori

dei due canali. Si impiega una carrucola con fermacavo e prolunga calibrata per

posizionare lo strumento alla quota prescelta, evitando di dover sostenere tutto il

carico a mano.

Ogni misura prevede un controllo del dato visibile sul display della centralina: il dato

viene campionato se è stabile ed è coerente con il sito investigato.

Effettuate le misure lungo le guide 1-3, la sonda viene estratta dal tubo, ruotata di

180° e riposizionata a fondo pozzo, pronta per effettuare il profilo 3-1 dal basso

verso l’alto (fig. 4). Questa procedura permette di compensare gli off-set strumentali

e di rilevare misure anomale. Le misure, campionate in files protetti in un

datalogger, vengono gestite attraverso programmi dedicati all’analisi ed

all’elaborazione dei dati.

Fig: 4: Inserimento di una sonda inclinometrica in pozzo

Il dato che viene visualizzato sullo schermo corrisponde a 20.000 volte il seno delle

componenti sui piani A e B dell’inclinazione del tubo rispetto alla verticale.

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Se la sonda viene inclinata di 30°, corrispondente al massimo angolo misurabile, si

legge sul display del datalogger un valore pari a 10.000, che corrisponde al fondo

scala: questo valore è il prodotto di 20.000 per il seno di 30°.

La risposta del sistema è lineare, quindi se si legge sul display un valore A = -

1.000, la sonda è inclinata in corrispondenza delle rotelle di riferimento di 3°.

Il campo di misura di ±30° corrisponde a un segnale di ±5 V.

Determinato il periodo di invecchiamento del nuovo pozzo, si effettua la prima

misura, chiamata lettura zero, effettuata su tutte le quattro guide, la quale servirà da

riferimento per i successivi profili inclinometrici e per la determinazione della

deformazione.

Con questa misura è possibile il controllo della verticalità del pozzo.

All’atto del trasferimento, i dati vengono visualizzati per verificare l’idoneità e la loro

accettazione. Impostati dei valori caratteristici del sito oggetto di studio (tipologia di

misura, coordinate, quota, azimut, giorno, ora,) si importano i dati acquisiti nel

tempo per un loro confronto.

Si possono quindi visualizzare i seguenti diagrammi:

• controllo di verticalità dall’alto

• differenziale locale

• differenziale integrale dall’alto

• differenziale integrale dal basso

• diagramma polare

• diagramma cumulativo.

Con il controllo di verticalità dall’alto si determina quanto si scosta il tubo

inclinometrico dalla verticale teorica ortogonale al geoide.

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Il differenziale locale è un confronto diretto dei dati passo-passo: ad ogni quota di

misura viene determinato il differenziale rispetto alla lettura zero, che permette di

determinare la qualità di misura e di sottolineare le eventuali zone di maggior

deformazione.

Con il differenziale integrale dall’alto si presuppone che la bocca pozzo sia stabile,

o posizionata geograficamente nel sistema di riferimento locale; è utile per

analizzare i dati di spostamento superficiali.

Il differenziale integrale dal basso presuppone che il piede del pozzo sia vincolato

ad un terreno non in frana, quindi stabile. I dati vengono confrontati e le differenze

positive e negative sono esposte come sommatoria dal basso. I diagrammi che si

ottengono sono lo spostamento sul canale A, quello sul canale B, lo spostamento

risultante, l’azimut rispetto al Nord e quello polare.

Con queste rappresentazioni grafiche si determinano il modulo di spostamento

orizzontale, il verso e la direzione della deformazione del tubo nel tempo (fig. 5).

Fig: 5: Esempio di rappresentazione grafica dei diagrammi inclinometrici

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4. I piezometri permettono di misurare la pressione dell’acqua nel terreno. Questo

dato è di fondamentale importanza poiché la pressione dell’acqua riduce le forze

d’attrito che impediscono ai pendii di scivolare. Nei pozzi dei sondaggi geognostici

molto spesso si installano dei piezometri in cui è presente anche un data logger

che salva dei file. Periodicamente si scaricano i dati su un computer portatile,

durante una escursione spesso in concomitanza con altre misure in situ, e si

verifica anche il livello dell’acqua presente nei tubi piezometrici mediante un

freatimetro. In figura 6 sono presentati un freatimetro (a sinistra) e un piezometro (a

destra).

Fig. 6: Freatimetro (a sinistra) e piezometro (a destra)

In terreni molto argillosi i piezometri hanno bisogno di qualche settimana per entrare

in equilibrio con le condizioni piezometriche circostanti.

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5. Le stazioni termo-pluviometriche permettono di eseguire misure termo-

pluviometriche, ossia consentono di valutare la temperatura dell’aria e le

precipitazioni atmosferiche (fig. 7). I dati, rilevati da appositi sensori, sono registrati

con un acquisitore-elaboratore.

Fig. 7: Stazione termo-pluviometrica

Il pluviometro è uno strumento che misura la quantità di pioggia caduta ossia indica

la quantità di acqua caduta con la pioggia o la quantità di neve sciolta. La quantità

di acqua caduta con la pioggia è definita come la quantità di acqua che attraversa la

superficie orizzontale di un cilindro metallico di un campionatore e può essere

determinata leggendo direttamente il valore, in millimetri, sulla scala corrispondente.

La scala di un pluviometro è una scala ampliata e quindi non corrisponde a quella di

un normale righello. L'area dell'imbuto che raccoglie l'acqua verso la basculla

contatore è pari a 10 volte l'area della sezione trasversale del tubo centrale.

I dati di piovosità rappresentano il totale delle precipitazioni avvenute nell’arco di

tempo di registrazione tra una misura e l’altra.

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L’unità di misura della piovosità è espressa in millimetri di pioggia caduta. Il valore è

riferito all'unità di superficie, ciò significa che se è piovuto un millimetro di pioggia

equivale a dire che su ogni metro quadro di terreno è caduto un litro di acqua.

L’intensità di precipitazione è definita dalla quantità di pioggia caduta nel tempo.

Il sensore analogico montato su una stazione termometrica è alimentato solamente

alcuni secondi prima della misura per limitare i consumi d’energia. Naturalmente ciò

non è possibile per un pluviometro, infatti il verificarsi di ribaltamenti della vaschetta

di misura è monitorato da un circuito alimentato di continuo ed allo scadere del

periodo di campionamento prestabilito sono registrati in memoria e il conteggio

viene azzerato.

Una stazione remota termo-pluviometrica può essere costantemente controllata

attraverso uno scarico giornaliero dei dati mediante modem GSM, così da effettuare

un sistema di telerilevamento atto al monitoraggio continuo della centralina stessa.

I sistemi automatici di acquisizione dei parametri fisico-ambientali possono essere

programmati per effettuare una misura ogni ora, in modo tale che i dati acquisiti

siano comparabili con dati di fonte diversa, secondo le modalità raccomandate a

livello internazionale.

6. I tiltmetri, dal termine inglese tilt che significa inclinazione o pendenza, sono

strumenti che misurano le inclinazioni e le variazioni di pendenza di un piano nello

spazio. Le misure possono essere di tipo monoassiale o biassiale.

Le misure monoassiali si effettuano su un piano lungo un’asse: posto lo strumento

su di un ipotetico piano orizzontale, si misura l’angolo di pendenza rispetto alla

verticale. Ruotando lo strumento di 90° si ricava la seconda componente

monoassiale per calcolare la posizione del piano in movimento.

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Le misure biassiali si effettuano su due assi ortogonali: posto lo strumento in un

piano orizzontale, si eseguono due misure angolari in un senso e in quello

rispettivamente normale (fig. 8).

Fig: 8: Tiltmetro biassiale

I sensori tiltmetrici sono costituiti da pendoli senza contatti del tipo magneto-

resistivo o da celle elettrolitiche; si misura il potenziale resistivo in funzione

dell’inclinazione del pendolo magnetico o del fluido elettrolitico.

Fig: 9: Significato delle misure tiltmetriche di superficie

Tale misura può essere rappresentata in un diagramma polare (fig. 9). Si assume

che il piano che si desidera monitorare tagli una semisfera passando per il centro, il

vettore perpendicolare al piano può essere proiettato sulla superficie circolare della

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semisfera, che rappresenta il diagramma polare. Si può quindi determinare l’angolo

di pendenza zenitale rispetto alla verticale e l’angolo azimutale rispetto al nostro

sistema di riferimento. Ripetendo le misure di superficie nel tempo si ottiene la

variazione temporale della giacitura del piano che si sta monitorando. La proiezione

polare rappresenta simbolicamente il vettore di spostamento dell’ammasso roccioso

che è monitorato rispetto alle coordinate di riferimento geografiche (Nord

magnetico).

7. Gli estensimetri sono strumenti che misurano degli allungamenti e/o degli

accorciamenti valutando gli spostamenti nelle fessure. Sono strumenti a cui può

essere accoppiato un interruttore elettrico che chiude il circuito di una sirena di

allarme.

8. Le piastrine di deformazione graduate di plastica trasparente permettono la

sorveglianza delle fessure in un piano, per misurare l’apertura di crepe e fessure

nelle costruzioni.

9. I misuratori di sforzi o strain gauges sono celle di carico idrauliche o con resistenze

elettriche impiegate per misurare tensioni litostatiche, sforzi applicati dal terreno su

parti di strutture o sforzi applicati sul terreno. Le celle sono flessibili a liquido o

rigide a corda vibrante.

10. I metodi geodetici sono caratterizzati da misure di distanze e dislivelli ripetute nel

tempo, impiegando metodi topografici. Le livellazioni sono impiegate soprattutto

nelle zone di corona delle frane. Le triangolazioni con basi misurate, fuori dalla

zona in movimento, sono utili per lo studio dei corpi di frana in movimento lento.

La livellazione geometrica di precisione è un’operazione che consente di misurare

la differenza di quota o dislivello fra due o più punti della superficie fisica della terra.

In particolare tale metodo trova una sua ideale applicazione nella determinazione di

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variazioni di quota di capisaldi posti in aree suscettibili di assestamenti del suolo

che coinvolgono aree anche molto estese.

Per determinare il dislivello fra due punti A e B si ricorre al livello, uno strumento

capace di leggere le quote relative di due stadie graduate con codice a barre

rispetto ad un piano orizzontale di riferimento. La procedura da seguire è

caratterizzata dal mantenere perfettamente verticali le due stadie graduate in

corrispondenza dei due punti di cui si vuole misurare il dislivello ed eseguire la

misura con il livello facendo stazione in posizione equidistante da A e B (fig. 10). Si

collima dapprima la stadia posta in A e si esegue una prima lettura LA rispetto al

piano di riferimento; si ruota quindi il cannocchiale sino a collimare la stadia posta in

B e si esegue la lettura LB. Il dislivello sarà dato dalla seguente relazione:

�AB = LB - LA

Fig. 10: livellazione di due punti

Se il dislivello è tale da non consentire la visibilità di entrambe le stadie e la

distanza è superiore a quella massima caratteristica dello strumento, si eseguono

più battute di livellazione. In questo caso il dislivello è dato dalla seguente

espressione:

�AB = �1 + �2 + �3 + ……… �n

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Per verificare la bontà dei dati acquisiti si esegue la livellazione con misure in

andata e ritorno, ossia si esegue la livellazione lungo un percorso che si richiude sul

punto di partenza o ripetendo le misure in ordine inverso. In questo modo è

possibile stabilire se l’operazione di livellazione sia stata eseguita con l’accuratezza

necessaria, verificando che la somma dei dislivelli misurati sia nulla o in generale

con una tolleranza inferiore a quella massima ammissibile per lo strumento

utilizzato.

11. Le misure topografiche con GPS permettono di eseguire un monitoraggio delle

deformazioni superficiali tramite misure satellitari GPS. Si considerano un prefissato

numero di capisaldi GPS, il numero di satelliti visibili e il PDOP, Position Diluition of

Precision, che indica la bontà del dato acquisito in posizione (lat/lon). Queste

misure danno un contributo nel tempo infatti, definita una banca dati, permettono di

ricostruire il campo di deformazione della rete geodetica ubicata nei pressi di una

frana.

12. Il rilievo topografico lidar da elicottero è caratterizzato da un laser operante

nell’infrarosso che invia impulsi di luce ad una frequenza prefissata (fig. 12).

Gli impulsi laser vengono diretti verso uno specchio oscillante che riflette gli stessi

in senso ortogonale alla direzione di avanzamento dell’aeromobile dove l’intero

sistema è alloggiato.

La scansione del terreno deriva dalla combinazione dei due movimenti, quello di

oscillazione dello specchio e quello di avanzamento dell’aeromobile.

Il raggio laser una volta colpito il suolo viene riflesso e parte dell’energia incidente

sul terreno ritorna verso lo specchio che convoglia il segnale luminoso ad un

sistema di rilevamento che determina il tempo di ritorno dell’impulso.

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Dal tempo impiegato dalla luce a percorrere il tragitto relativo al punto di emissione

– riflessione – ricezione si determina la distanza fra lo specchio ed il punto di

riflessione al suolo.

Fig. 12 : Il sistema laser scan

L’intero sistema è montato rigidamente sull’aeromobile la cui posizione viene

determinata mediante GPS. Il calcolo della traiettoria del sistema avviene mediante

misure GPS differenziali cinematiche utilizzando almeno una stazione fissa

posizionata su di un punto noto entro 25 km dall’area del rilievo. L’elaborazione non

avviene in tempo reale. Una volta ricostruita la traiettoria mediante il GPS si

dispone di un punto noto all’incirca ogni 35 metri. A questo punto i dati di posizione

sono integrati con quelli inerziali che sono acquisiti ad una frequenza di 200 Hz. Alla

traiettoria GPS vengono pertanto associati i dati di orientamento del sistema ed

accelerometrici ottenuti dall’unità di misura inerziale (IMU). L’IMU è costituita da un

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terna di giroscopi al laser che consentono una precisione di 0.02 gradi in rollio e

beccheggio e 0.04 gradi in imbardata/direzione. Alla fine la traiettoria viene risolta

ogni 50 millisecondi (all’incirca ogni 0.17 m). Integrando tutti questi dati con quelli di

posizione istantanea dello specchio si determina la posizione nello spazio dei punti

che hanno riflesso il raggio laser e che saranno riferiti al sistema geodetico in cui

opera il GPS ovvero il WGS84. L’errore associato alla misura effettuata dall’IMU

determina in larga parte il livello di precisione del rilievo.

Il calcolo della traiettoria del sistema avviene mediante la combinazione fra un

sistema inerziale ed uno GPS. L’impiego del sistema inerziale, costituito da tre

giroscopi laser, consente di risolvere la posizione e l’assetto dell’aeromobile con

una frequenza di 200 Hz; mentre l'uso del GPS consente di annullare la deriva

dell'inerziale che è funzione del tempo. Il dato GPS permette inoltre di fissare in

maniera assoluta la posizione del sistema con una precisione centimetrica e

rispetto ad un sistema di riferimento globale (WGS84).

Fig. 13: Modello digitale del terreno

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In figura 13 è presentato un esempio di modello digitale tridimensionale del terreno

ricavato dall’elaborazione dei dati acquisiti con un rilievo topografico laserscan

elitrasportato LIDAR. Il modello mette in buona evidenza la presenza di una nicchia

di distacco della frana (linea tratteggiata nera) e ne ricostruisce il contorno (linea

rossa).

13. L’interferometria satellitare SAR è caratterizzata da radar ad apertura sintetica che

operano nell’ambito dei sensori di telerilevamento attivo che utilizzano le

microonde. Questo tipo di radar si distingue principalmente dai sistemi ad apertura

reale poiché permette di ottenere una migliore risoluzione nella direzione di azimut,

ossia lungo la traiettoria di volo dell’aereo o del satellite su cui è montata l’antenna

radar.

Un radar misura l’energia ed il tempo di ritorno di un segnale a microonde emesso

da un’antenna e ricevuto dalla stessa (radar monostatico), dopo che questo è stato

retroriflesso da un oggetto o da una superficie.

Per generare un’immagine radar sono trasmessi circa 1.500 impulsi per secondo

per 15 secondi verso un obiettivo, con una durata di ciascun impulso di 10−50

microsecondi. La lunghezza dell’antenna radar determina la risoluzione lungo la

direzione di azimut o traiettoria di volo del satellite. La risoluzione del sistema è

inversamente proporzionale alla lunghezza dell’antenna che, per ragioni strutturali e

di costo, deve per forza essere di dimensioni limitate. Mentre il satellite si muove

lungo l’orbita l’antenna radar illumina lo stesso punto al suolo da più angolazioni e si

può dimostrare che il contributo di energia riflessa dal punto si distribuisce lungo

un’iperbole. L’operazione di ricostruzione del contributo di energia fornito dal

singolo punto al suolo, ricollocandolo correttamente nella posizione di emanazione,

si chiama focalizzazione.

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Dopo la focalizzazione l’insieme dei segnali riflessi costituisce un’immagine SAR;

ogni elemento dalla matrice così ottenuta rappresenta l’ampiezza del segnale

retrodiffuso dal terreno per unità d’area. Convenzionalmente l’ampiezza del segnale

retrodiffuso viene rappresentata in una scala di toni di grigio. Al valore massimo di

ampiezza si assegna il colore bianco, a quello minimo il nero.

L’ampiezza del segnale retrodiffuso è legata a diversi fattori: i parametri

dell’osservazione radar (frequenza, polarizzazione, angolo di incidenza delle onde

emesse) ed i parametri della superficie riflettente (scabrezza, forma geometrica,

proprietà dielettriche).

La retrodiffusione di una certa area dipende quindi dalle dimensioni e dalle proprietà

dielettriche degli oggetti che riflettono l’energia in essa contenuti, varia inoltre con la

rugosità presente sulla superficie, dalla polarizzazione degli impulsi e dall’angolo di

osservazione. Oggetti la cui rugosità superficiale ha dimensioni

approssimativamente uguali alla lunghezza d’onda (o più grandi) appariranno chiari,

mentre oggetti più piccoli della lunghezza d’onda appariranno più scuri. Superfici

scabre risultano più luminose mentre superfici piatte, che riflettono poco o per

niente l’energia verso il radar, appariranno scure nell’immagine.

La vegetazione, che è normalmente e moderatamente irregolare alla scala della

maggior parte delle lunghezze d’onda radar, apparirà di un colore grigio o grigio

chiaro. Strade e autostrade sono superfici piatte ed appaiono scure. Edifici che non

presentano superfici piane normali alla direzione di vista dell’antenna appariranno in

grigio chiaro, come superfici molto scabre. Oggetti umidi appariranno luminosi ed

oggetti asciutti appariranno scuri. L’eccezione a questo è un corpo liscio d’acqua il

quale agisce come una superficie piatta e riflette via l’impulso.

Oltre alle suddette caratteristiche fisiche e geometriche degli oggetti, l’immagine

radar è soggetta a distorsioni legate alla particolare geometria di acquisizione del

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SAR. Infatti superfici inclinate verso il radar avranno una retrodiffusione più forte

rispetto a superfici che hanno una pendenza opposta e tenderanno ad apparire più

luminose nell’immagine. Alcune aree non illuminate dal radar, come il pendio

nascosto delle montagne, sono in ombra e quindi appariranno scure.

I sistemi radar SAR permettono l’acquisizione di immagini indipendentemente

dall’illuminazione solare e dalle condizioni meteorologiche dell’area.

Il segnale del SAR è di tipo complesso e le due componenti prendono il nome di

modulo e fase. Il modulo è quella porzione di segnale che è legata alla ampiezza

del segnale retrodiffuso, la fase è legata prevalentemente alla distanza del percorso

antenna – bersaglio – antenna.

Comparando la fase dell’impulso radar retroriflesso dal terreno fra due immagini

acquisite da un punto di vista leggermente differente (decine di metri) si possono

derivare dei modelli digitali del terreno per via interferometrica (fig. 14).

Fig. 14: Modelli digitali del terreno da sistemi radar SAR

Page 23: Monitoraggio delle Frane

In pratica, ogni singolo punto della scena viene ad essere illuminato da due punti

leggermente differenti.

Si possono così controllare vaste aree e misurare variazioni nella loro morfologia

dell’ordine dei centimetri con l’utilizzo di tecniche interferometriche differenziali.

Questa metodologia trova applicazione immediata nel controllo di movimenti franosi

o nella ricognizione di variazioni morfologiche generiche del terreno. Si evidenziano

però alcune limitazioni che riducono la possibilità di applicazione di questo tipo di

metodologia:

• la decorrelazione temporale, ossia acquisizioni successive non devono essere

troppo distanti fra loro nel tempo;

• la baseline normale: l’interferometria si basa sul fatto che ogni singolo punto

della scena viene visto dal satellite da un punto di vista leggermente diverso.

Poiché l’orbita del satellite non può essere mantenuta con un livello di

precisione millimetrico fra le varie acquisizioni, la distanza può variare da

pochi metri ad alcune centinaia di metri;

• gli artefatti meteorologici: il segnale inviato dal radar percorre una distanza di

circa 800 km prima di raggiungere il suolo ed essere riflesso. Il percorso del

segnale avviene per un lungo tratto nello spazio dove si propaga nel vuoto,

non appena si avvicina all’atmosfera terrestre la ionosfera e la troposfera lo

rallentano, ciò non modifica il modulo ma agisce quasi esclusivamente sulla

fase. Se si confrontano le fasi del segnale di due scene in cui lo stato della

troposfera sia variato significativamente si possono osservare delle variazioni

di quota o di movimento non reali che vengono definite artefatti e possono

essere erroneamente interpretati.

Page 24: Monitoraggio delle Frane

L’elaborazione di immagini radar SAR fornisce i seguenti risultati:

• immagini di intensità: basate su un numero digitale che descrive l’ampiezza

del segnale retrodiffuso da ogni singolo obbiettivo con una localizzazione

specifica all’interno della scena. L’immagine è fornita in bianco e nero, dove il

bianco indica le zone a maggior capacità di retrodiffusione, mentre il nero

quelle a minor capacità (fig.15);

Fig. 15: Immagine di intensità

• mappe di coerenza: segnalano molto bene la distribuzione di agglomerati

urbani e di specie vegetali all’interno di un’area. Un edificio, ad esempio, è

caratterizzato da alti valori di coerenza e appare bianco, mentre la

vegetazione è rilevata con bassi valori di coerenza e appare con tonalità di

grigio;

• prodotti multitemporali: sono basati su una procedura che permette di

catalogare i diversi oggetti presenti su un’area in esame utilizzando tre colori

di base (il rosso, il verde e il blu) per rappresentare in modo efficace tre diversi

Page 25: Monitoraggio delle Frane

elementi: le abitazioni e i terreni con scarsa vegetazione, le foreste, le tavole

d’acqua. Questo tipo di classificazione permette di ottenere una visione

generale delle caratteristiche del territorio esaminato, ma è limitata ad

immagini acquisite in un breve intervallo temporale, poiché le tre tipologie di

elementi sopracitate varia col cambiare delle stagioni;

• interferogrammi: sono un insieme di dati complessi, ricavati da due immagini

SAR, che forniscono informazioni su un oggetto a terra sfruttando la fase degli

impulsi retrodiffusi dall’oggetto stesso;

• velocità di spostamento del terreno: si ricava da opportune elaborazioni degli

interferogrammi e delle mappe di coerenza.