Ldb 25 strumenti gis e webgis_2014-05-23 lopilato - 3 nuove tecnologie per il monitoraggio geotecnico-strutturale

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
______________________________________________________________________________
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)
____________________________________________________________________________________________________________

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
Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale
Il Piano di Telerilevamento Ambientale
2

• 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)
3

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
4

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 2010
5

ERS (1992-2000)
6
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)
7
ENVISAT Ascendente
< -9.0
-5.0 - -3.0
-3.0 - -1.0
1.0 - 3.0
5.0 - 7.0
Velocità media
(mm/anno)
-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 Ambientale
8
-8.99 - -7.00
Velocità media
(mm/anno)
< -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 - -5.00
1992-2000 ERS ASC
Estrazione
acqua
Estrazione
gas
Piattaforme
offshore

Esempi di utilizzo PS da dati ERS e ENVISAT
ROMA Centro-Nord
9
• Via Fabiola
• Ponte Matteotti
• Chiesa S. Lucia
mm/anno

Esempi di utilizzo PS
ROMA – Via Fabiola
10
v = 0 mm/anno
Coherenza = 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
Spostamento(mm)
Data delle immagini
PT 345
v = -20 mm/anno
Coherenza = 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 27/03/03Spostamento(mm)
Data delle immagini
PT 378
PT 345
PT 378

ROMA –Via Fabiola
11

ROMA – Chiesa di S.Lucia (Via Teulada)
12
PT 2274
PT 2190
v = -6 mm/anno
Coherenza = 0,82
-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
Spostamento(mm)
Data delle immagini
PT 2274
v = - 4 mm/anno
Coherenza = 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
Spostamento(mm)
Data delle immagini
PT 2190

ROMA – Chiesa di S.Lucia (Via Teulada)
13

ROMA – Ponte Matteotti
14
v = -2 mm/anno
Coherenza = 0,85
-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
Spostamento(mm) Data delle immagini
PT 543
PT 543

ROMA – Ponte Matteotti
15

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
16
ERS ENVISAT
1992 2003 2010
COSMO-SkyMed

Piano di copertura COSMO-SkyMed
del 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 capacità
uniche:
– 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
17

Piano di copertura COSMO-SkyMed
del territorio italiano
18
Geometria ascendente Geometria discendente

Aree sperimentali COSMO-SkyMed
19
• 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 18/10/2012
Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano
di Telerilevamento Ambientale
20
• 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 di
uno specifico servizio di
controllo del fenomeno,
utilizzando dati di
livellazione
• Anni 2000 utilizzo anche
dati radar interferometrici
e GNSS
• Pianificazione di una serie
di rilievi GNSS sull’area di
Bologna su una superficie
di circa 165 km2
• Distribuzione spaziale delle
due reti GNSS
– etichette gialle rete
comunale
– etichette rosse rete
regionale
• Il nucleo urbano della città di Bologna giace sulla conoide alluvionale del fiume
Reno, principale fonte di approvvigionamento idrico per la provincia bolognese
• I prelievi sotterranei, superando le capacità di ricarica della falda, comportano
un progressivo abbassamento della pressione piezometrica, che si manifesta in
superficie con la subsidenza del suolo
SAIE - Bologna 18/10/2012
21

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 e
frane complesse
– aree di affioramento dei complessi carbonatici, con le caratteristiche frane di
crollo/ribaltamento
• L’analisi e la validazione delle elaborazioni di tipo interferometrico-differenziale
con dati CSK si è basata su procedure geologico-applicative, al fine di fornire
informazioni di dettaglio sulle potenzialità del sistema radar CSK nello studio
dei movimenti del terreno nelle aree a rischio idrogeologico del territorio
italiano
• Verifica dei caratteri salienti della franosità (tipologia, stato di attività) di due
aree campione ricadenti nei territori comunali di Bolognetta/Misilmeri e
Monreale (Palermo)
• Per l’analisi sono stati utilizzati:
– dati vettoriali, inerenti la tipologia e lo stato di attività dei dissesti censiti ed
aggiornati del vigente Piano Stralcio per l’Assetto Idrogeologico (PAI – anno di
redazione: 2006)
– cartografia del Progetto C.A.R.G disponibile tramite servizi WMS dal Portale del
Servizio Geologico d'Italia
– ortofoto, carta tecnica regionale e modello digitale del terreno tramite servizi WMS
disponibili dal Portale della Regione Sicilia
22

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 radiazione
elettromagnetica
– polarizzazione
– risoluzione
– cambiamenti della scena osservata nei diversi periodi analizzati
23

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
24

Processamento dati COSMO-SkyMed
Bologna
• 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
25
Satellite Geometria Numero PS
Numero celle con
almeno un PS
Copertura (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
26
• 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.
27
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)
28
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
29
• 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
30

Comparazione e validazione risultati –
Bologna
31
• Confronto fra le misure di velocità media ottenute tramite sistema

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1

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