Università degli Studi di Salerno
Dipartimento di Ingegneria Civile
Laurea Magistrale in Ingegneria
per l’Ambiente ed
il Territorio
Corso di Frane
ANNO ACCADEMICO 2014-2015
ESERCITAZIONE n° 6
Analisi di un caso di studio
descritto in un articolo scientifico in
lingua inglese
Docente:
Prof. Ing. Michele Calvello
Studente:
Porfido Luca Matr: 0622500158
Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca
Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
INTRODUZIONE ALLA PROBLEMATICA AFFRONTATA
Il seguente lavoro consiste in un’analisi critica di un caso studio descritto nell’articolo
intitolato :
“Mappatura rapida di un
evento franoso: la frana di
Montescaglioso del 3 dicembre
2013, Italia”,
Autori
A. Manconi et al
pubblicato il 25 luglio 2014 sulla rivista scientifica
NHESS (Natural Hazards and Earth System Sciences)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
AMBITO TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO
L’articolo tratta dell’utilizzo di dati satellitari SAR per ottenere una mappatura veloce di
un evento franoso.
SAR è l'abbreviazione di Synthetic Aperture Radar (Radar ad Apertura Sintetica). Si tratta
di una speciale tecnica radar che consente di ottenere immagini ad alta risoluzione da
grande distanza, ad esempio dallo spazio.
Il radar invia impulsi verso la scena
osservata, registra il segnale retrodiffuso
e deriva l’informazione sulla distanza dei
diversi bersagli al suolo nella scena dal
calcolo del ritardo temporale tra segnale
inviato ed eco ricevuto .
(Curlander & McDonough, 1991)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
AMBITO TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO
Un evoluzione della tecnica SAR è rappresentata dall’Interferometria Differenziale SAR
(DInSAR), una tecnica avanzata in cui si fanno “interferire” due immagini acquisite
•
da posizioni leggermente differenti (baseline spaziale)
•
in tempi diversi (baseline temporale)
per ottenere immagini 2D della
superficie
terreste
misurandone
anche la topografia1.
Se, nel tempo di rivisitazione il
sensore, per uno stesso bersaglio,
misura un variazione rispetto a prima
nel segnale vuol dire che è avvenuta
una certa deformazione al suolo che,
a seconda della sua intensità verrà
rappresentata su una mappa con dei
pixel colorati con gradazioni che
vanno dal rosso (allontanamenti) al
blu (avvicinamenti)
1(Massonnet
et al. 1995)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ILLUSTRAZIONE DEL CASO DI STUDIO
Il caso di studio presentato nell’articolo oggetto di analisi è quello di grande frana che ha
colpito il comune di Montescaglioso, in provincia di Matera (Basilicata), il 3 dicembre
2013 che ha causato la distruzione
• una strada principale
e ha coinvolto
• alcuni magazzini
• un supermercato
• alcune case private
La causa innescante del fenomeno
analizzato è da ricondurre alla
forte pioggia.
Nel breve arco di tempo di due mesi, il valore di pioggia cumulata,
a seguito di due eventi molto gravosi, ha superato il 70% della
precipitazione media annua
La frana è stata classificata come rapida2, e sono stati stimati vari parametri come la
velocità media (0,5- 1 m/min) la lunghezza dell’asta principale, l’area di frana ecc ecc.
2(classifica
di Cruden e Varnes , 1996)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI MAPPATURA INIZIALE
In primo luogo, il lavoro scientifico sviluppato dagli autori si è concentrato nel soddisfare
la richiesta del Dipartimento della Protezione Civile Nazionale (DPC), che consisteva nella
preparazione:
• di una mappa inventario preliminare
della frana
Analisi geomorfologica
iniziale
• di una caratterizzazione della nuova frana
di Montescaglioso nel contesto delle
frane preesistenti nell'area di studio
Interpretazione visiva di sette serie di 30 fotografie
aeree stereoscopiche, in bianco e nero, scattate dal
1947 al 2003 , ottenute dal catalogo on-line di
fotografie aeree3
Dopo averle stampate e ingrandite, le foto sono
state analizzate con uno specchio a "doppia visione
stereoscopica " (Guzzetti et al. , 2012)
3Istituto
Geografico Militare Italiano ( IGMI, http://www.igmi.org/voli/ )
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI MAPPATURA INIZIALE
Il risultato ottenuto è mostrato nella seguente immagine dov’è possibile individuare:
• In verde una frana grande e molto antica , in gran parte soggetta a processi di
erosione ;
• In viola scuro un
numero di più
piccole e più recenti
frane ,
principalmente
scorrimenti
traslazionali e flussi,
con le relative
masse spostate in
viola più chiaro ;
• con il tratto nero
numerose e più
piccole scarpate di
frana;
• con il contorno arancione la nuova frana del 3 dicembre 2013.
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI MAPPATURA INIZIALE
Gli autori hanno effettuato anche indagini sul campo, integrate ad analisi visiva di
fotografie terresti post-evento e fotografie scattate durante voli in elicottero con
l’obiettivo di valutare le conseguenze principali della frana del 3 dicembre 2013
compilando una mappa della deformazioni superficiali della zona frana
4(Parise
, 2003 , e riferimenti)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR
Dopo la prima fase di monitoraggio e rilievo con tecniche “tradizionali”, principalmente
visive e di campo, gli autori sono passati ad utilizzare tecniche di telerilevamento con
immagini satellitari
Il lavoro è stato svolto su una serie d’immagini CSK5 , messe a disposizione dall’Agenzia
Spaziale Italiana (ASI),di cui:
31 scattate (orbita ascendente)
(periodo 30/1/2012 - 18/12/2013)
12 scattate (orbita discendente)
(periodo 21/3/2012 - 12/12/2013)
In ognuno dei due insiemi d’ immagini era presente un‘ immagine post- evento.
5(Satellite
COSMO-SkyMed)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR
Il passaggio successivo è stato quello di effettuare una tradizionale analisi DInSAR che ha
prodotto risultati insoddisfacenti per gli autori, che hanno individuato nell’eccessiva
frangia di rumore, legata al modello di rapido movimento deformativo della frana, la
causa principale di questo scarso risultato.
Area della
frana
La coerenza spaziale non è conservata a causa dell’entità degli spostamenti superficiali,
con conseguente perdita completa di coerenza del segnale in DInSAR nelle zone colpite
da più grandi deformazioni.
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR
A questo punto è stata applicata la la tecnica “Pixel Offset” (PO) alle coppie di immagini
pre e post-evento, ascendenti e discendenti, caratterizzate dal minimo valore di baseline
spaziale ( rispettivamente 155m e 40m).
Per queste coppie di dati , è stato sfruttato il software ROI_PAC6, prendendo in
considerazione una finestra corrispondente a 64 × 64 pixel ed è stata eseguita la tecnica
PO applicando, inoltre, un filtro di pulizia spaziale per ridurre disturbi ad alta frequenza.
Combinando le misure PO ottenute sfruttando le orbite ascendenti e discendenti CSK, gli
autori sono riusciti a determinare il modello di deformazione tridimensionale della frana.
6(Rosen
et al. , 2004) )
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR
Tramite controllo visivo, gli autori hanno determinato che gli spostamenti di terra hanno:
• una componente dominante SSW, con valori superiori a 10 m per gran parte della
zona di deposito, e localmente anche superiori a 20 m;
• Valori di subsidenza significativa nelle zone colpite dai danni più grandi;
• è stato rilevato un sollevamento isolato di 5m vicino alla zona di accumulo.
• Sono state identificate anche due grandi scarpate di frana ( una nella zona del
supermercato e l’atra vicino allo spartiacque).
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR
Utilizzando il metodo © 3DA7 è stata redatta la mappa 3D della deformazione
superficiale.
I colori mostrano la grandezza del
campo di deformazione 3D e le frecce
indicano la direzione di movimento
(versori) derivata dall'analisi PO nel
piano E-W e N-S .
Il campo di deformazione mostra due
direzioni principali di movimento:
• una direzione SSW dominante
causata dalla frana principale;
• una direzione SSE secondaria
causata da una frana parassitaria ,
sanciti dal l'ellisse blu tratteggiata
7(Allasia
et al. , 2013)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI
L’obiettivo del seguente elaborato è quello di effettuare un’analisi critica del lavoro
appena descritto, con particolare riferimento ai dati di monitoraggio.
Ricordiamo che per monitoraggio s’intende: “La tecnica di rilevazione periodica e
sistematica, mediante appositi strumenti, allo scopo di controllare, in modo assiduo,
ravvicinato e analitico la situazione o l'andamento di un fenomeno o di sistemi anche
complessi”
MONITORAGGIO
PROGRAMMAZIONE
• In certi contesti la programmazione è la prima fase ed essere avviata, eventualmente
corretta con i primi monitoraggi;
• in altri contesti la prima fase ad essere avviata è il monitoraggio, che serve a costituire
il primo, a volte unico, panorama di riferimento in cui rilevare i dati significativi sul
contesto interessato per poi avviare la programmazione.
Questo caso studio ricade proprio nella seconda categoria di contesti ed è stato scelto
per:
• l’interessante tecnica innovativa utilizzata
• le enormi potenzialità di applicabilità di tale tecnica, integrata eventualmente con
altre innovative o classiche, ad altri casi di fenomeni franosi analoghi e non, e allo
studio dell’evoluzione tridimensionale di un singolo evento.
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI
La tecnica "pixel offset" (PO), che fornisce la geometria tridimensionale degli spostamenti
del terreno, permette, come dimostrato, di sopperire ai limiti della tecnica DInSAR;
Limiti della tecnica DInSAR applicata alle immagini dei satelliti ERS-1/2 dell’ESA
• La banda C in cui operavano, incapace di penetrare la coltre vegetata quindi
inutilizzabile in aree densamente ricche di piante,
• Tempi di rivisitazione (35 giorni) che consentivano di ricavare informazioni solo su
fenomeni da estremamente lenti a molto lenti
• Necessità di versanti caratterizzati da pendenze tali da garantire una buona visibilità
rispetto alla particolare geometria di acquisizione del sensore
Limiti della tecnica DInSAR applicata alle immagini dei satelliti COSMO-SkyMed
Nonostante si sia passati all’utilizzo delle immagini CSK (satelliti operanti in banda X e non
più in banda C, tempi di rivisitazione da 35 a 8 giorni) alcuni limiti di questa tecnica sono
comunque rimasti, almeno per quanto riguarda lo studio dei fenomeni a cinematica
rapida.
8(Cascini
et al 2007)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI
La tecnica PO mostrata nell’articolo ha beneficiato, sicuramente, della prima fase di
ricostruzione storica dell’evoluzione dell’intero versante con la determinazione del
contesto delle frane preesistenti in cui era inserita la nuova frana;
Questa operazione effettuata con molta cura e precisione ed è stata ben spiegata e
illustrata dagli autori.
Indubbiamente una conoscenza così puntuale della situazione antecedente al fenomeno
ha dato maggiore consapevolezza della bontà e della credibilità dei risultati ottenuti
essendo quest’ultimi in accordo con le grandezze e i meccanismi di deformazione
riconosciuti e mappati in campo con metodi “classici”.
Durante la lettura dell’articolo è evidente l’enfatizzazione da parte degli autori del fatto
che:
1) sfruttando la tecnica PO, le mappe di deformazione 3D sono state consegnate alle
autorità di protezione civile meno di 24 ore dopo aver ricevuto le immagini SAR
2) È la prima volta che è stato applicato questo approccio per la rapida mappatura dello
spostamento superficiale 3D di frane a cinematica rapida;
Dalle ricerche effettuate in letteratura questa seconda tesi non può essere smentita e
quindi risulta potenzialmente vera
8(Cascini
et al 2007)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI
Nel lavoro sviluppato dagli autori non appare però del tutto chiara una problematica
importante.
Essi individuano i due fattori principali, da cui dipende l'applicazione della tecnica PO:
Disponibilità delle immagini SAR
Tempo di elaborazione della tecnica
(che dipende dalla configurazione del satellite e al
piano di acquisizione predefinita)
(di cui si fa un enorme vanto come
estremamente rapido)
ma non ne chiariscono del tutto i limiti !!!
• la tecnica PO può essere sempre utilizzata per i casi in cui il
risultato di una DInSAR sono insoddisfacenti oppure
rappresenta la soluzione del solo caso in esame o dei casi
analoghi ?
• Se la risposta è che non può essere utilizzata in tutti i casi, quali
sono i vincoli nel suo utilizzo? Dipendono solo dalla baseline
spaziale e/o temporale?
?
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI
Una possibile soluzione per agire sulla disponibilità delle immagini SAR potrebbe essere
quella di abbinare la tecnica PO a una tecnica che sfrutta dei diffusori permanenti
(Permanent Scatterer, PSInSAR)9.
È basata su l’individuazione, attraverso uno studio
statistico delle immagini, di un insieme di punti
particolarmente adatti alla stima dei movimenti del suolo
in cui posizionare i PS .
Si tratta di uno strumento di monitoraggio senza eguali per
accuratezza, densità spaziale di punti di misura e competitività
economica
Soluzione alternativa, da abbinare sempre alla tecnica PO, potrebbe essere quella
rappresentata dalla tecnica GB-SAR (Ground Based - Synthetic Aperture Radar) 10.
Il GB-SAR è una tecnica di telerilevamento da terra e
non richiede necessariamente l’accesso diretto al sito
quindi risulta un’ottima tecnica da applicare nei casi
in cui l’evento franoso abbia fortemente danneggiato
o comunque compromesso le vie d’accesso all’area
colpita
9
10
Tecnica messa a punto dal Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Milano
Progetto europeo GALAHAD - Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni dell’Università di Firenze
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI
Infine sarebbe stato interessante se gli autori avessero proposto o quantomeno avessero
accennato alla possibilità di abbinare la tecnica utilizzata a metodi di previsione del
collasso basati sulla misura degli spostamenti.
Esistono in letteratura modelli empirici di previsione11
prevedono la velocità di spostamento futura
estrapolando (secondo varie funzioni) i dati pregressi.
C’è da dire però, che i pendii che evolvono verso la
rottura possono comunque attraversare fasi di vita
stazionarie in cui è impossibile prevedere se e quando
il movimento diventerà accelerato in maniera tale da
portare al collasso.
11(Saito,
1965; Voight, 1988)
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
CONCLUSIONI
La combinazione di una rapida cartografia geomorfologica, delle misure rapide di
deformazione 3D e l'interpretazione combinata dei risultati ottenuti sfruttando i dati di
telerilevamento, con metodi classici e nuovi (presentati in questo lavoro) è stato
essenziale:
• per il sostegno delle autorità di protezione civile durante l'emergenza;
• per la progettazione della rete di monitoraggio topografico installato nella zona.
Le nuove tecniche di misura eseguite a distanza, infatti, consentono di affrontare il
problema conoscitivo per gradi;
• Approccio generale
misure su vasta scala
Individuazione area instabile e la sua
interazione con le aree circostanti
• Approccio locale
misure su vasta di dettaglio
lo spessore, la velocità di movimento
del corpo frana ecc.
Localizzazione precisa l’evento e studio
della sua evoluzione.
Questo approccio metodologico consente di dimensionare un sistema di monitoraggio
più puntuale e più efficiente, a volte anche più economico.
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
CONCLUSIONI
In questa logica, i dati SAR hanno un significativo vantaggio rispetto ad altre tecniche di
telerilevamento (soprattutto rispetto a tecniche basate su dati ottici multispettrali)
perché possono essere acquisiti in tutte le condizioni atmosferiche , durante il giorno e la
notte.
Per questi motivi la tecnica di mappatura rapida 3D proposta in quest’articolo potrebbe
rientrare a pieno titolo nei sistemi avanzati di mappatura ed allerta presentati, lo scorso
settembre12, dall'Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica (Irpi) del CNR
(Consiglio Nazionale delle Ricerche)
Le future integrazioni di informazioni ottenute sfruttando le analisi classiche e le
immagini SAR (attraverso DInSAR, tecniche PO o altre tecniche proposte in questo
elaborato) potrebbero aprire nuovi scenari per l'analisi di frane sia a cinematica lenta che
rapida caratterizzate da complessità spaziali e/o eterogeneità temporale del campo di
deformazione
12International
Association of Engineering Geology and the Environment
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Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese
CONCLUSIONI
Grazie per l’attenzione