Presentazione per il "9° corso di arte ed architettura" organizzato da Italia Nostra Alessandria e Ordine degli architetti. Una breve introduzione alle tecniche di monitoraggio tramite interferometria satellitare e LIDAR

1. Monitoraggio del dissesto del
territorio
Tramite tecniche di telerilevamento
avanzato
Davide Notti: davidenotti@gmail.com
Alessandria 10/01/2017

2. - 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

3. 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
OtticoOttico
RadarRadar

4. 1992 1995 2001 2002 2006
ERS1 – ERS2 Sentinel-1
RADARSAT-1 RADARSAT-2
ALOS-PALSAR
TerraSAR-X
1998
Cosmo-Skymed
2007 2008
-
I Satelliti SAR
2010
ENVISAT
2014

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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 +ΦAPS+ΦNOISE

9. 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

10. 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 Algoritmi
SBAS, CPT, SqueeSAR,
PSInSAR, SPN
Interferometria SAR Differenziale - Le Tecniche

11. 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. PointRef. Point
VEL = 0VEL = 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

12. 1. Acquisizione di dati su territori molto ampi
Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi
Es. RegioneEs. Regione
PiemontePiemonte
ARPA – Piemonte.
Copertura completa con i dati ERS, dati
Radarsat Alpi e Langhe

13. Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi
Progetto PST:
copertura completa
territorio nazionale
(7 Milioni di €)
1. Acquisizione di dati su territori molto ampi

14. 2. Costi contenuti per rispetto ad altri strumenti di monitoraggio su terreno
3. 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

15. a) Per mancanza di bersagli
Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti
Mancanza di PS

16. 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

17. 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 slope
VelL.O.S
Parziale soluzione:
Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti
Ove disponibili l’utilizzo delle 2
geometrie di acquisizione riduce
questi problemi

18. 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 !

19. 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
C
Processing del dato
Decisioni delle autorità, ulteriori studi

20. > 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

21. Tecniche PSI -Applicate alle FRANE
CASI DI STUDIO - Piemonte – Liguria e Spagna
GRANGE
SISES MONTALDO
DI COSOLA
ALPE BARANCA
MendaticaMendatica
Marina del Este

22. 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 =
Deformazione
Gravitativa
Profonda di
Versante
É una movimento molto
lento del versante molte
esteso e profondo
DGPV – Alpe Baranca- Fobello (VC)

23. DATI CSKM- pcn
Frane casi di studio - Piemonte
DGPV – Alpe Baranca- Fobello (VC)
Movimenti fino a 3/4
cm/anno
Area poco antropizzata

24. Pre 2000 Post 2000
Frane casi di studio - Piemonte
DGPV – Alpe Baranca- Fobello (VC)

25. 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)

26. 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

27. 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

28. 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)

29. 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 RISKNAT
Azione B2
SISTEMA INFORMATIVO FRANE
IN PIEMONTE
Scheda descrittiva di dettaglio III
livello di approfondimento
Comune di Cabella Ligure
località Montaldo ed Aie di
Cosola
Dal 1987 Alcuni milioni di Euro
per monitoraggio e
manutenzione

30. 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

31. 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

32. 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)

33. 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)

34. Marina del Este – (Andalusia , Spagna )
Un esempio si cattiva urbanizzazione!
Frane casi di studio -
Spagna

35. Tecniche PSI -Applicate alle Subsidenze
CASI DI STUDIO - Piemonte – Turchia e Spagna
Pontecurone
Otura
Konya

36. Subsidenze casi di studio - Pontecurone (AL)
Oscillazioni del terreno legate alle variazioni del livello
piezometrico legato soprattutto a falde confinate in pressione

37. Rapido aumento della popolazione e del
consumo di acqua:
> Sfruttamento eccessivo della risorse idriche
Subsidenze casi di studio - Otura, Granada (Spagna)

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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…..

42. 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

43. Modellare le aree soggette ad inondazione o frane con DTM di precisione
IL LIDAR - Applicazioni

44. 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

45. 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

46. 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)

47. ●
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

48. > 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

49. 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

50. GIS open source
Servizi WMS /WFS / WCS
Immagini Google
Moduli di Saga e Grass GIS
Database - PostGIS

51. Per Approfondire
Per approfondire tecniche InSAR
http://www.risknet-alcotra.org/rna/allegati/risknat-b2-c2-manuale-interfero-ar-
parte-i-v-6-12-shrunk_1028.pdf

52. 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