Sistemi di diagnostica mobile dell infrastruttura e del materiale rotabile

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1 SEMINARIO TECNICO Sistemi di diagnostica mobile dell infrastruttura e del materiale rotabile Monitoraggio degli edifici e analisi degli spostamenti superficiali del terreno lungo le linee ferroviarie mediante l uso di immagini satellitari Bologna Direzione Tecnica Standard Infrastruttura SO Ambiente e Geologia Ing. Valentina Ranucci

2 Come nasce il progetto Nell ambito delle attività di sviluppo di sistemi di diagnostica, finalizzati al controllo della sede ferroviaria, RFI ha valutato l opportunità di provare tecnologie innovative per monitorare lo stato di urbanizzazione e gli spostamenti superficiali del terreno nelle aree adiacenti l infrastruttura ferroviaria. 60 km 2

3 Fasi progettuali Area di Test Linea Battipaglia-Reggio Calabria Tratta LAMEZIA TERME ROSARNO (Via Mileto) Buffer: ±500 metri WP 1 IDENTIFICAZIONE DEGLI EDIFICATI DI NUOVA COSTRUZIONE lungo la tratta Lamezia Terme-Vibo V. WP 2 IDENTIFICAZIONE DEGLI EDIFICATI DI NUOVA COSTRUZIONE lungo la tratta Vibo Valentia-Rosarno e 60 km nel nodo di Palermo WP 3 ANALISI DEGLI SPOSTAMENTI SUPERFICIALI del terreno lungo la tratta Lamezia Terme-Vibo V. WP 4 Valutazione IMPEGNO TECNICO ED ECONOMICO per l estensione dei Servizi a scala nazionale 3

4 MONITORAGGIO EDIFICATI 60 km 4

5 Monitoraggio edificati FASE I FASE II FASE III Acquisizione immagini radar satellitari dall Agenzia Spaziale Italiana su tratta campione Analisi di change detection per la rapida identificazione di nuovi edificati o di macro variazioni di quelli esistenti e successiva verifica a campione. Associazione edificiattributi correlati al tracciato ferroviario 5

6 Monitoraggio edificati Fase I: Acquisizione immagini satellitari Area Test tratta LAMEZIA TERME ROSARNO (ca 60 km) Buffer ±500 metri a cavallo dell infrastruttura ferroviaria Data acquisizione immagini satellitari Maggio Dicembre 2014 (Lamezia T.-Vibo V.) Gennaio Gennaio 2015 (Vibo V-Rosarno) (Lamezia T.-Vibo V.) 50 immagini satellitari (Vibo V.-Rosarno) 39 immagini satellitari 6

7 Monitoraggio edificati Fase I: Acquisizione immagini satellitari Cosmo Sky-Med (COnstellation of small Satellites for Mediterranean basin Observation): costellazione di 4 satelliti per l osservazione della Terra dallo spazio, mediante un radar ad apertura sintetica (SAR-Synthetic Aperture Radar). Caratteristiche Satelliti Cosmo-SkyMed Lunghezza d onda: 3,12 cm Risoluzione al suolo: 3 m Tempo rivisitazione: 16 gg Esempio di immagine radar con evidenza dei diversi livelli di riflettività (quantità di campo elettromagnetico che un bersaglio al suolo illuminato dal segnale restituisce al radar stesso) in base alla tipologia di area. 7

8 Monitoraggio edificati Fase I: Acquisizione immagini satellitari Vantaggi nell utilizzo delle immagini radar satellitari: Elaborazione informazioni senza l installazione di strumentazione in sito Acquisizioni regolari e pianificabili Acquisizioni su larga scala Sistemi radar attivi all-weather Analisi statistiche robuste su più immagini 8

9 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Analisi di change detection: si basa sul confronto multitemporale di immagini radar satellitari acquisite su una determinata area, con l obiettivo di identificare le variazioni di riflettività corrispondenti a cambiamenti della copertura della superficie osservata dal sensore radar. E stato sviluppato un algoritmo automatico di Change Detection che, a partire da serie storiche di ampiezza SAR, permette di identificare i cambiamenti e l intervallo temporale in cui si sono verificati. Esempio di variazione di ampiezza in una serie storica di immagini SAR, con variazione significativa ampiezza all interno della serie stessa. Parametri di qualità utilizzati per selezionare le serie storiche con significative variazioni di ampiezza: tiene conto solo della variazione media di riflettività tiene conto anche del rumore della serie storica Sono state considerate rilevanti: - aree con cambiamenti di riflettività più estese di circa 5x5 m; - aree con significative variazioni di ampiezza (m 2 - m 1 >2) 9

10 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Dati consegnati in due tipologie di formati: - DATABASE PUNTI - DATABASE POLIGONI Individuati 166 poligoni e 1081 punti (nella fascia ±50 m lungo la tratta Lamezia T.-Vibo V.) 10

11 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Il servizio prodotto consente di visualizzare le aree identificate con l analisi di change detection in funzione della distanza dal tracciato ferroviario. 11

12 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Il servizio prodotto consente di visualizzare le aree identificate con l analisi di change detection anche in funzione dell anno in cui si è registrata la variazione. 12

13 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection PRE L area identificata dall algoritmo non corrisponde alla area planimetrica dell edificio oggetto di modifica, bensì all area della superficie riflettente verso il sensore radar, che corrisponde generalmente alle facciate degli edifici rivolte verso Est (geometria ascendente) e verso Ovest (geometria discendente). POST 13

14 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Dato ottico 2010 PRE La sovrapposizione delle aree identificate con l analisi di change detection (poligoni in figura) alle ortofoto 2010 e 2014, disponibili gratuitamente su google earth, mette in evidenza i cambiamenti che si sono verificati sulla superficie terrestre. Dato ottico 2014 POST 14

15 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Dato ottico 2010 PRE Dato ottico 2014 POST 15

16 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Dato ottico 2010 PRE Dato ottico 2014 POST 16

17 Monitoraggio edificati Fase II: Analisi di change detection Dato ottico 2010 PRE Dato ottico 2014 POST 17

18 Monitoraggio edificati Fase II: Verifica a campione Al fine di valutare l affidabilità dei servizi implementati, è stata prevista una verifica a campione delle aree identificate con l analisi di change detection sulle immagini radar mediante il confronto con le ortofoto multi-temporali. IN BLU I DATI OTTICI UTILIZZATI PER LA VERIFICA. 18

19 Monitoraggio edificati Fase II: Verifica a campione L area di verifica ricade nel comune di Pizzo Calabro (estensione di circa 2 kmq). 19

20 Monitoraggio edificati Fase II: Verifica a campione L analisi di validazione ha individuato 62 aree di change detection su 2 kmq, ciascuna classificata secondo le seguenti classi: VERIFICATO: Individuato cambiamento sul dato ottico corrispondente 70% NON VERIFICATO: Non individuato cambiamento sul dato ottico corrispondente NON APPLICABILE: Non individuato cambiamento sul dato ottico corrispondente (per es. cambiamento successivo alla data di acquisizione dell ultimo dato ottico disponibile) 20

21 Monitoraggio edificati Fase III: Associazione edificiattributi Il progetto prevede l associazione delle aree di change detection (poligoni) a una serie di informazioni correlate al tracciato ferroviario. PRODOTTO FINALE aree di cambiamento (formato shapefile) ATTRIBUTI ShapeFile EDIFICI - CODICE IDENTIFICATIVO - AREA POLIGONO - DISTANZA DAL TRACCIATO FERROVIARIO - ANNO DI VARIAZIONE - TRATTA - NUMERO BINARI 21

22 Monitoraggio edificati Fase III: Associazione edificiattributi Esempio di informazioni associate alle aree identificate con la change detection. Possibilità di integrare le informazioni contenute nel database con altre presenti negli archivi informativi aziendali (es.inrete2000). 22

23 ANALISI SPOSTAMENTI SUPERFICIALI 60 km 23

24 Analisi spostamenti superficiali FASE I FASE II FASE III Acquisizione immagini radar satellitari dall Agenzia Spaziale Italiana su tratta campione Analisi SqueeSAR per l individuazione delle velocità di spostamento dei punti di misura. Cross Section Analysis 24

25 Analisi spostamenti superficiali - Fase I: Acquisizione immagini satellitari Area Test tratta LAMEZIA TERME VIBO (ca 35 km) Buffer ±500 metri a cavallo dell infrastruttura ferroviaria Data acquisizione immagini Maggio 2011 Dicembre 2014 WP3 (Lamezia T.-Vibo V.) 50 immagini satellitari 25

26 Analisi spostamenti superficiali - Fase II: Analisi SqueeSAR Tecnica SqueeSAR: algoritmo interferometrico per la misura degli spostamenti superficiali. Sono stati individuati punti di misura (prevalentemente in corrispondenza delle infrastrutture): - PS (Permanent Scatterers): corrispondenti tipicamente a edifici e altri rilevati (bersagli che restituiscono un segnale di risposta elettromagnetica proprio di un solo pixel dell immagine radar o al più pochi pixel ad esso connessi); - DS (Distributed Scatterers): corrispondenti tipicamente a campi non coltivati, aree detritiche, aree omogenee con scarsa vegetazione (bersagli che restituiscono un segnale di risposta elettromagnetica pressocché identico per un gruppo di pixel). Per ciascun punto sono state calcolate, nell arco temporale : - velocità media annua di spostamento [mm/anno]; - serie storiche di spostamento. 26

27 Analisi spostamenti superficiali - Fase II: Analisi SqueeSAR Velocità media annua dei punti individuati da satellite La scala colori utilizzata per visualizzare le velocità identifica: - con i colori giallo, arancione e rosso allontanamenti dal sensore rilevati lungo la direzione sensore-bersaglio (linea di vista del sensore -Line Of Sight, LOS); - con il verde punti sostanzialmente stabili (valori di velocità compresi tra -1 e 1 mm/anno); - con varie tonalità di blu gli avvicinamenti al sensore sempre lungo la direzione sensorebersaglio. 27

28 Analisi spostamenti superficiali - Fase II: Analisi SqueeSAR Serie storiche spostamento-tempo [mm/anno] 28

29 Analisi spostamenti superficiali - Fase II: Analisi SqueeSAR Fenomeni franosi CLOSE UP 2: Pizzo Calabro CLOSE UP 2 Pizzo Calabro L analisi SqueeSAR mette in evidenza le aree più vulnerabili dal punto di vista idrogeologico. A valle dell analisi è possibile incrociare i risultati con i dati contenuti in altri database informativi disponibili, es.: - aree a pericolosità e a rischio frana contenute nei PIANI DI ASSETTO IDROGEOLOGICO; - Frane censite nel rapporto IFFI (Inventario dei Fenomeni Franosi in Italia). CLOSE UP 3: Vibo-Mileto CLOSE UP 3: Vibo-Mileto 29

30 Analisi spostamenti superficiali - Fase III: Cross Section Analysis Il progetto offre anche la possibilità di creare dei profili di spostamento lungo una sezione, mettendo in evidenza i cambiamenti repentini del campo di velocità, che possono corrispondere a discontinuità e fenomeni naturali. Comune di Pizzo Sezione lunga 400 m trasversale all asse ferroviario Linea rossa: ultima acquisizione satellitare (Dic. 2014) 30

31 Sintesi del Progetto 31

32 Grazie per l attenzione 32