Tecniche di acquisizione dati mediante UAV (unmanned aerial vehicle) per il monitoraggio del...

Tesi di laurea in

GEOGRAFIA URBANA

Relatore :

Prof . Car la Giovannini

Cor re latore :

Prof . Marco Dubbin i

Presentata da:

G iacomo Uguccioni

TECNICHE DI

ACQUISIZIONE DATI

MEDIANTE UAV -UNMANNED AERIAL VEHICLE -

PER IL MONITORAGGIO

DEL DISSESTO

IDROGEOLOGICO:

IL CASO DI STUDIO DELLA

FRANA DI CAPRIGLIO (PR)

PRIMAVERA 2013:

EMERGENZA DA DISSESTO IDROGEOLOGICO

IN EMILIA -ROMAGNA

• Valori pluviometrici attesi:

80-125 mm

• Valori pluviometrici registrati:

oltre 250 mm MO RE PR PC

oltre 450 mm crinale appenninico

• Variazioni percentuali rispetto

alla climatologia del periodo:

tra +150% e +200%

• Marzo 2013:

valori pluviometrici RE, PR, PC:

+300%

«gran par te del terr i tor io è stato colpito da numerosi event i a l luvional i e da dissest i d i natura idraul ica e idrogeologica»

« ta l i fenomeni hanno determinato una grave s i tuazione di per icolo per l ’ incolumità del le persone, comportando, t ra l ’a l t ro , lo sgombero di d iversi immobil i pubbl ic i e pr ivat i »

«detta s i tuazione di emergenza, per intensità ed estensione, non è fronteggiabi le con mezzi e poter i ordinar i»

P i a n o d e i p r i m i i n t e r v e n t i u r g e n t i d i p r o t e z i o n e c i v i l e i n c o n s e g u e n z a d e l l e e c c e z i o n a l i a v v e r s i t à a t m o s f e r i c h e v e r i f i c a t e s i n e i m e s i d i m a r z o , a p r i l e e m a g g i o 2 0 1 3 n e i C o m u n i d e l t e r r i t o r i o d e l l a R e g i o n e E m i l i a - R o m a g n a .

PRIMAVERA 2013:

EMERGENZA DA DISSESTO IDROGEOLOGICO

IN EMILIA -ROMAGNA

• 500 segnalazioni

di natura idraulica

• 1500 segnalazioni

di dissesti di versante

• 43 abitazioni danneggiate

• 130 persone evacuate

• 36 edifici att ività produttive

• 56 interruzioni di strade

• 138 località isolate

• 3 ponti crol lati

Vulnerabilità, Valore

D = V ∙ E

Pericolosità

R = H ∙ E ∙ V

Rischio: prodotto delle dimensioni del danno atteso per la probabilità di accadimento.

Il calcolo o la stima dei danni quantificabili al sistema insediativo è correlato al grado di territorializzazione e urbanizzazione raggiunto nell’area soggetta a dissesto.

La proliferazione insediativa è un fattore che interviene esponenzialmente sul valore degli elementi a rischio, sulla loro vulnerabilità e sulla pericolosità.

LA DEFINIZIONE FORMALE

DI RISCHIO AMBIENTALE

Istantanee di una sinergia ultramillenaria di

dinamiche geologiche, geomorfologiche e

pedologiche che concorrono a plasmare l’immagine

della superficie terrestre, durante la sua continua

evoluzione.

Clima e meteorologia estrema: dinamiche di genesi e

dinamiche di riattivazione; concause di origine

esogena per i pericoli di erosione, di inondazione, di

frana.

Clima e meteorologia estrema: lo studio del regime

delle piogge, comprensione delle modalità

pluviometriche; calcolo di frequenza; stima di

risposta idrologica del bacino e del versante .

DISSESTO IDROGEOLOGICO

Appennino Emiliano-Romagnolo

Morfologia accidentata, espansione e sollevamento;

intensa erosione: 10% del territorio oltre la soglia di

tolleranza per erosione superficiale, favorita dalla

conformazione geologica e dalle caratteristiche di

piovosità del clima mediterraneo.

Le frane costituiscono per diffusione e quantità una

caratteristica peculiare del paesaggio di collina e

montagna, in massima parte ascrivibile alle naturali

dinamiche di evoluzione geomorfologica.

FRANE IN APPENNINO

Combinazione di fattori geologici e fattori meteorologici

Intervento determinante di fattori antropici di azione e non-azione

Necessità di tecniche di indagine sito -specifiche

Modellizzazione previsionale e interventi non strutturali

FRANE IN APPENNINO

• Diverse Frane > 4 km

• Più di 4000 superano i 10 ettari

• Oltre 100 frane superano 1 Kmq

• Dim. media attive è 1,83 ha

• Dim. media quiescenti 5,63 ha

• 50% frane < 1 ha (5.5% area tot)

• 90% frane < 8 ha (40% area tot)

• 95% frane < 12 ha (50% area tot)

• 1% frane > 45 ha (20% area tot)

FRANE IN APPENNINO

Indice di franosità provinciale +

Indice di franosità comunale =

Provenienza geografica delle

segnalazioni di dissesto registrate

nella primavera 2013

Riattivazioni

Cartografia del dissesto: lo stato di attività della frana

FRANE IN APPENNINO

FRANE IN APPENNINO

LO STATO DI ATTIVITA’

CASO DI STUDIO:

LA FRANA DI CAPRIGLIO

Piano territoriale di

coordinamento provinciale

(variante generale 2007 di

aggiornamento del dissesto).

Indice di franosità:

maggiore di 40% nei

Comuni della fascia

medio-montana;

maggiore di 35%

per la maggior parte

del territorio

CASO DI STUDIO: LA FRANA DI CAPRIGLIO

CARTA GEOLOGICA REGIONALE 1:10000

frane attive

a1d-colamento

a1b-scivolamento

colore rosso a

Capriglio

depositi di frana

quiescente

a2d-colamento

a2g-complessa

lungo la valle del

torrente Bardea.

Capriglio


PIANO TERRITORIALE DI COORDINAMENTO

PROVINCIALE


ASSETTO GEOLOGICO

Affioramento: Flysch di Monte Caio

Caratterizzato da elevata fratturazione

Formazione di falde detritiche gravitative

che «ospitano» falde idriche superficiali o

profonde con riduzione della coesione interna.

CASO DI STUDIO:


• 5-6 aprile 2013: scorrimento roto-

traslativo in corona a 100 m da

Capriglio

• Colata di terra, roccia e detriti

• 6-14 aprile raggiunge l’alveo del

Bardea

• Velocità, fluidità e plasticizzazione dei

detriti da apporto idrico

• Velocità della colata molto elevata

• 12-13 aprile: attivazione in blocco del

versante di Pianestolla, a circa 200 m

dall’abitato

• Versante pesantemente imbibito dagli

apporti meteorici; frana causata dallo

scalzamento al piede del versante,

scaturito dalla pesante compressione

esercitata dalla colata di materiale

viscoso proveniente da Capriglio.

CASO DI STUDIO:


CASO DI STUDIO:


Lunghezza: 3 km

Larghezza massima: 400 m

Larghezza media: 200 m

Dislivello: 500 m

Località: Pratolungo

Località Antrìa

CASO DI STUDIO:


CASO DI STUDIO:


Layers attivi

• Carta Geologica

Regionale

• Foto aeree STB

• Vettoriale

Perimetro Frana

Giugno 2013


LE NECESSITA’ DEL SERVIZIO TECNICO DI BACINO

• Cartografia

aggiornata

• Riferimenti

topografici

• Idrografia

principale

• Idrografia

minore

• Opere di

drenaggio

• Modelli di

riferimento

• Calcolo

volumetrico

Acquisizione di fotogrammi digitali tramite

fotocamera Canon EOS 550D calibrata in laboratorio e

installata su UAV ESAFLY A2500

Processamento immediato dei dati acquisiti ,

creazione del modello tridimensionale tramite software

che util izza algoritmi Structure From Motion

Acquisizione punti fotogrammetrici d’appoggio (PFA ) sul terreno, a margine dell ’area a rischio: posizionamento relativo tramite strumentazione GPS geodetica

Georeferenziazione del modello da cui esportare i prodotti

Creazione di prodotti cartografici e topografici ad altissima risoluzione geometrica, con disponibil ità alla gestione e all ’analisi in ambiente GIS

METODOLOGIA DI ACQUISIZIONE DATI

CAS O D I S TU D IO : LA F RANA D I CAP RIGL IO

UAV/RPAS ESAFLY A2500

- UAV (Nomenclatura diffusa in ambiente scientifico)

Unmanned Aerial Vehicle

- RPAS (Nomenclatura ufficiale ENAC)

Remotely Piloted Aircraft System

ESAFLY A2500

Peso massimo con batterie:

3,300 kg.

Peso massimo al decollo:

5,800 kg.

Pilotaggio automatico:

Sistema GPS per mantenere la rotta

impostata tramite waypoints.

Sistema inerziale accelerometrico e

magnetometrico per mantenere il

controllo d’assetto. Altimetro

barometrico per mantenere costante

la quota di volo. Telemetria

disponibile in real time.

Disponibilità dei dati GPX di rotta

per informazioni di localizzazione

assoluta, elevazione e timing GPS.

CAS O D I S TU D IO : LA F RANA D I CAP RIGL IO

PIANIFICAZIONE DI VOLO

Visualizzazione in tempo

reale di telemetria e

posizionamento assoluto

del velivolo.

La Ground Control Station è il sistema integrato di

controllo, supervisione e pianificazione del volo:

il software in dotazione permette il tracciamento della

rotta di volo impostata sulla cartografia tramite waypoint.


ACQUISIZIONE DATI

Canon EOS 550D Sensore: 22,3 mm x 14,9 mm

Focal: 26.82 mm

Fotogramma:

5190 pixel x 3468 pixel

Dim. pixel: 0.004296724 mm

Rilievo: 08.03.2014

Primo volo: 269 immagini digitali

Frequenza: 2 Hz

Durata volo: 4 minuti

Quota di volo: 50 m

Risoluzione geometrica del modello

che verrà generato dai fotogrammi digitali:

Dim. pixel a terra: 0.008 m

Risoluzione subcentimetrica del modello


PUNTI FOTOGRAMMETRICI D’APPOGGIO

Datum geodetico: ITRF2008

Datum altimetrico: ellissoide GRS80

Coord. cartografiche: UTM, fuso 32N

GPS geodetico: L1/L2 Topcon GB500 - Rapido-statico: 4 min

Posizionamento relativo rispetto al vertice GPS PR077

(Rete di Raffittimento Primario della Rete Geodetica

Fondamentale Nazionale IGM95)


GEOREFERENZIAZIONE DEL MODELLO

LA CREAZIONE DEL MODELLO 3D DELLA

NICCHIA DI DISTACCO DI CAPRIGLIO

Point cloud

Mesh

Texture

CREAZIONE DEL MODELLO 3D

GEOREFERENZIATO

LA CREAZIONE DEL MODELLO 3D DELLA

NICCHIA DI DISTACCO DI CAPRIGLIO

Superfici triangolari multiple che concorrono a formare la superficie geometrica tridimensionale

del modello della nicchia di distacco, generata dall’unione di tutti i fotogrammi digitali acquisiti durante il volo

fotogrammetrico effettuato con il mezzo a pilotaggio remoto. Su tale modello, sarà possibile generare una

corretta texturizzazione per esportare una ortofoto rigorosamente georeferenziata; si notino infatti i punti

fotogrammetrici d’appoggio posti a margine della nicchia di distacco.

Software: Agisoft Photoscan

ANALISI DEI DATI OTTENUTI

L’acquisizione dei dati tramite mezzi a pi lotaggio remoto è possibi le in qualsiasi momento del la gestione del r ischio

Sopral luoghi veloci , possibi l i tà di programmare periodicità d’ intervento

Ottima versati l i tà tecnologica del le strutture (vel ivol i ) e dei supporti (sensorist ica) per un’ampia flessibi l i tà di indagine, anche in base al le esigenze di una corretta complementarietà tra diverse tecniche sul lo stesso episodio di dissesto

Elaborazione funzionale e commisurata al la fase di gestione del r ischio

Dissesto idrogeologico: l ’obiett ivo di un sistema di monitoraggio intensivo per l ’ indagine e l ’analisi di un fenomeno di dissesto è quello di poter misurare nel tempo le variazioni minime delle grandezze fisiche che lo caratterizzano

Risultati soddisfacenti in breve tempo

Prodotti car tografici e topografici ottenuti con un procedimento altamente special izzato e standardizzato a seconda delle necessità r ichieste

Strumento di analisi di t ipo geometrico e quantitativo del fenomeno

Modell izzazione tridimensionale accessibi le e fruibi le perché georeferenziata

Modell izzazione funzionale ad elaborazioni di modell i previsionali

Ottima capacità di visualizzazione

ANALISI DELLA METODOLOGIA

A genz ia Regionale d i Protez ione C iv i le - Regione Emil ia -Romagna. Piano dei pr imi in ter vent i urgent i d i Protezione Civ i le in conseguenza del le eccez ional i avversi tà atmosfer iche ver i f icatesi ne i mesi d i marzo, apr i le e maggio 2013 nei Comuni de l ter r i tor io de l la Regione Emi l ia -Romagna.

Att i de l Comune d i T i zzano Val Parma. Relazione su i grav iss imi fenomeni d i d issesto idrogeologico dovut i a l mal tempo nei mesi d i marzo -apr i le 2013 ver i f icatesi su l ter r i tor io de l Comune d i T izzano Va l Parma .

Ber tacchini , E leonora; Castagnett i , Cr is t ina; Capra, A lessandro; Dubbini , Marco ; Boni , Emanuele . (2010) Monitoraggio “near rea l t ime” d i r ischio f rane: un GIS per la ges t ione del l ’emergenza.

Dubbini , Marco (2014) . Relaz ione Bel luno Sorapiss : Anal is i d i dat i 3D acquis i t i mediante UAV (Unmanned Aer ia l Vehic le) in ambito d i d issesto idrogeologico: la f rana del Monte Sorapiss (BL) . Presentazione presso Prefettura d i Bel luno in data 22 gennaio 2014.

Dubbini , Marco. (2013) L’ut i l i zzo d i mezzi UAS (Unmanned Ai rcraf t Sys tem) nel la Geomatica. Presentaz ione presso Univers i tà d i Palermo.

Far inel l i , Franco. (1992) I segni de l mondo. Immagine car tograf ica e d iscorso geograf ico in età moderna . F i renze. La Nuova I ta l ia

Gozza, G . ; P izz io lo , M. (2006) Anal is i de l d issesto da f rana in Emi l ia Romagna .

Mancini , F. ; Dubbin i , M. ; Gat te l l i , M. ; Stecchi , F. ; Fabbr i , S . ; Gabbianel l i , G . Us ing Unmanned Aer ial Vehic les (UAV) for H igh -Resolut ion Reconstruct ion of Topography: The St ructure f rom Mot ion Approach on Coasta l Env i ronments . Remote Sens. 2013, 5 , 6880 -6898.

Ber t i , Mat teo (2013) La problematica def in iz ione del le f rane qu iescent i in Appennino. Presentazione in occas ione d i SAIE 2013, Bologna.

BIBLIOGRAFIA

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