Monitoraggio del territorio tramite tecniche di telerilavamento avanzate
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Monitoraggio del dissesto del territorio
Tramite tecniche di telerilevamento avanzato
Davide Notti: [email protected]
Alessandria 10/01/2017
- 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
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
Ottico Ottico
RadarRadar
1992 1995 2001 2002 2006ERS1 – ERS2 Sentinel-1
RADARSAT-1 RADARSAT-2
ALOS-PALSAR
TerraSAR-X
1998
Cosmo-Skymed
2007 2008
-
I Satelliti SAR
2010
ENVISAT
2014
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
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
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
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+Φ APS+ΦNOISE
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
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 AlgoritmiSBAS, CPT, SqueeSAR,
PSInSAR, SPN
Interferometria SAR Differenziale - Le Tecniche
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. Point Ref. Point VEL = 0 VEL = 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
1. Acquisizione di dati su territori molto ampi
Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi
Es. Regione Es. Regione PiemontePiemonte
ARPA – Piemonte.
Copertura completa con i dati ERS, dati Radarsat Alpi e Langhe
Monitoraggio tramite tecniche PSI - Vantaggi
Progetto PST: copertura completa territorio nazionale (7 Milioni di €)
1. Acquisizione di dati su territori molto ampi
2. Costi contenuti per rispetto ad altri strumenti di monitoraggio su terreno3. 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
a) Per mancanza di bersagli
Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti
Mancanza di PS
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
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 slo
pe
Vel L
.O.S
Parziale soluzione:
Monitoraggio tramite tecniche PSI – Limiti
Ove disponibili l’utilizzo delle 2 geometrie di acquisizione riduce
questi problemi
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 !
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
CProcessing del dato
Decisioni delle autorità, ulteriori studi
> 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
Tecniche PSI -Applicate alle FRANE
CASI DI STUDIO - Piemonte – Liguria e Spagna
GRANGE SISES MONTALDO
DI COSOLA
ALPE BARANCA
MendaticaMendatica
Marina del Este
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 = DeformazioneGravitativaProfonda diVersante
É una movimento molto lento del versante molte esteso e profondo
DGPV – Alpe Baranca - Fobello (VC)
DATI CSKM- pcn
Frane casi di studio - Piemonte
DGPV – Alpe Baranca - Fobello (VC)
Movimenti fino a 3/4 cm/anno
Area poco antropizzata
Pre 2000 Post 2000
Frane casi di studio - Piemonte
DGPV – Alpe Baranca - Fobello (VC)
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)
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
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
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)
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 RISKNATAzione B2SISTEMA INFORMATIVO FRANE IN PIEMONTEScheda descrittiva di dettaglio III livello di approfondimentoComune di Cabella Ligurelocalità Montaldo ed Aie di Cosola
Dal 1987 Alcuni milioni di Euro per monitoraggio e
manutenzione
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
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
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)
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)
Marina del Este – (Andalusia , Spagna )
Un esempio si cattiva urbanizzazione!
Frane casi di studio -
Spagna
Tecniche PSI -Applicate alle Subsidenze
CASI DI STUDIO - Piemonte – Turchia e Spagna
Pontecurone
Otura
Konya
Subsidenze casi di studio - Pontecurone (AL)
Oscillazioni del terreno legate alle variazioni del livello piezometrico legato soprattutto a falde confinate in pressione
Rapido aumento della popolazione e del consumo di acqua:
> Sfruttamento eccessivo della risorse idriche
Subsidenze casi di studio - Otura, Granada (Spagna)
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
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
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
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…..
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
Modellare le aree soggette ad inondazione o frane con DTM di precisione
IL LIDAR - Applicazioni
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
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
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)
● 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
> 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
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
GIS open source
Servizi WMS /WFS / WCS Immagini Google
Moduli di Saga e Grass GISDatabase - PostGIS
Per Approfondire
Per approfondire tecniche InSARhttp://www.risknet-alcotra.org/rna/allegati/risknat-b2-c2-manuale-interfero-ar-
parte-i-v-6-12-shrunk_1028.pdf
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