Guida alla valutazione e all impiego della tecnologia GBInSAR LiSALab nel monitoraggio dei dissesti idrogeologici

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1 Guida alla valutazione e all impiego della tecnologia GBInSAR LiSALab nel monitoraggio dei dissesti idrogeologici Powered by Ellegi srl Rev. 3 1

2 Ellegi Srl Piazza Velasca, 5 I MILANO MI Italia Sede operativa Via XX Settembre, 34 I LEGNANO MI Italia Tel Fax info@lisalab.com Copyright, Ellegi srl,

3 INDICE INDICE 3 GLOSSARIO 4 INTRODUZIONE 6 1. I sistemi di monitoraggio 7 Definizione e scopi delle attività di monitoraggio 7 Pianificazione e realizzazione di un sistema di monitoraggio 10 Finalità 11 Progettazione di un sistema di monitoraggio La tecnologia LiSALab ed il sistema GBInSAR LiSALab 15 Il sistema GBInSAR LiSALab 19 I risultati 21 Installazione del sistema 25 Modalità di funzionamento operativo 26 Parametri di misura e caratteristiche dell immagine SAR 26 Le prestazioni caratteristiche del sistema GBInSAR LiSALab 28 Vantaggi 28 Svantaggi 29 Cosa è in grado di monitorare la tecnologia LiSALab? 30 Con che scala, con che frequenza e con che durata il sistema GBInSAR LiSALab è in grado di eseguire misure? 31 Finalità dell impiego della tecnologia LiSALab 34 Esempi di applicazione Il processo di autovalutazione dell impiego della tecnologia LiSALab per il monitoraggio di un dissesto 41 Fase 1: Preparazione 41 Fase 2: Valutazione 42 Fase 3: Definizione delle modalità operative e dei dati da ottenere Implementazione delle opere e servizi necessarie al monitoraggio con tecnologia LiSALab 44 Opere accessorie 47 Servizi accessori 48 Documenti tecnico-amministrativi 48 AVVERTENZE 49 3

4 GLOSSARIO Ampiezza radiometrica Livello d intensità di energia raggiante. Azimut Direzione parallela al binario. CCR Centro di Ricerca della Comunità Europea. Range Direzione perpendicolare al binario. Le distanze lungo questa direzione sono calcolate sfruttando l informazione di tempo di volo e tenendo in considerazione il fatto che le onde elettromagnetiche si propagano con velocità pari a quella della luce (3E8 m/s ca.). Frequenza Numero di volte in cui un fenomeno periodico si ripete nell'unità di tempo Immagine in potenza, Immagine in fase Ogni pixel di un immagine complessa rappresenta una quota parte della regione (cella o pixel) nella quale si sono focalizzati i dati grezzi. Ad esso e associata un informazione relativa al segnale retrodiffuso da tutto ciò che è contenuto nella cella; si hanno quindi a disposizione due tipi di rappresentazione per la stessa immagine, in potenza e in fase. La prima fornisce un indicazione sulla quantità di segnale retrodiffuso mentre la seconda sulla fase dello stesso. Interferogramma Immagine complessa risultante dal prodotto coniugato tra due immagini complesse. Rappresentata in fase essa fornisce l informazione relativa ai cambiamenti avvenuti nell arco temporale trascorso tra l acquisizione della prima immagine e la seconda. Linea di vista (LOS) Congiungente immaginaria tra il sensore GBInSAR LiSALab ed un punto sito nella zona d interesse. LiSA Linear Synthetic Aperture radar. Sensore radar interferometrico con piattaforma basata a terra (GBInSAR) studiato e sviluppato inizialmente al Centro di Ricerca della Comunità Europea di Ispra in grado di fornire mappe dettagliate di movimenti e deformazioni. LiSALab (tecnologia) Tecnologia sviluppata e derivata dalla Ellegi srl dalla originaria tecnologia LiSA e dal sensore GBInSAR LiSALab. Appartiene esclusivamente alla Ellegi srl. 4

5 Mappe di spostamento Rappresentazione del corrispondente interferogramma ma con le differenze di fase trasformate in differenza di distanze e misurate in mm. Microonde Onde elettromagnetiche di lunghezza compresa fra 1mm e 300mm. Rapporto segnale rumore Nelle specifiche delle apparecchiature elettroniche il termine è spesso abbreviato in 'S/N ratio'. Si tratta del rapporto fra il segnale utile e il rumore di fondo. Retrodiffusione Fenomeno per cui un onda elettromagnetica, battendo su una superficie scabra non assorbente né trasparente o attraversando un mezzo eterogeneo, viene rinviata nella direzione di provenienza Riflettività Proprietà caratteristica adimensionale di un materiale di riflettere tutta l'energia incidente non assorbita. Si parla di riflettività spettrale quando ci si riferisce ad un particolare intervallo di lunghezza d'onda dell'energia incidente Risoluzione spaziale Nel caso specifico dei radar rappresenta la dimensione minima della cella discriminabile. Due oggetti di dimensioni ridotte rispetto a quelle della cella discriminabile devono perciò appartenere a celle differenti per essere distinguibili. SAR Synthetic Aperture Radar. Particolare configurazione dei sistemi radar in cui la dimensione dell antenna viene simulata molto maggiore di quella fisica attraverso il campionamento dei segnali dell antenna mentre questa è in movimento. Questa tecnica serve ad ottenere una risoluzione maggiore. Scatterometro Lo scatterometro è un radar in grado di misurare le capacità che hanno gli oggetti di re-diffondere all indietro (back-scattering) l energia elettromagnetica che incide su di essi. 5

6 INTRODUZIONE Il presente documento è un primo strumento di riferimento per tutti i Tecnici, i Liberi Professionisti e gli Esperti per valutare l impiego della tecnologia dell interferometria radar da terra ed in particolare con riferimento alla tecnologia LiSALab ( & ) per lo studio, il controllo ed il monitoraggio dei dissesti idrogeologici. Questo documento si prefigge, infatti, di analizzare l applicazione di questa tecnologia innovativa, ma già ampiamente utilizzata con esiti positivi da numerosi Enti, approfondendone le peculiarità, i limiti, i vantaggi e gli ambiti ed i casi in cui si può applicare con successo. La prima parte della guida, introduttiva e propedeutica, è liberamente ispirata alla pubblicazione Monitoraggio linee guida per il controllo dei fenomeni franosi, a cura di Gregorio Mannucci e Adalberto Notarpietro, realizzato da IREALP, ed ha l obbiettivo di introdurre concetti, definizioni e obiettivi di un sistema di monitoraggio. Questa prima parte è basilare per far comprendere al Lettore che, in ogni caso, la tecnologia LiSALab ed il sistema GBInSAR LiSALab devono essere sempre utilizzati ed impiegati all interno di un processo dinamico e complesso quale è il monitoraggio di un dissesto. Questo processo, affinché sia efficace, richiede l impiego e l integrazione di numerosi strumenti e tecnologie per poter ottenere informazioni dettagliate sui fenomeni che si vogliono indagare e sulla loro eventuale evoluzione. E sempre un errore valutare l impiego di una tecnologia senza tenere presente i risultati e gli obiettivi che si vogliono perseguire. Spesso a causa di mode passeggere, dell euforia del momento per determinate tecnologie particolarmente innovative e/o della mancanza della definizione dei bisogni informativi che si volevano soddisfare, sono state impiegate tecnologie e strumenti in situazioni che non erano pertinenti o che non erano adatte agli scopi, causando innanzitutto una perdita di efficienza ed efficacia nel perseguire gli obiettivi voluti ed un inutile spreco di risorse. Nella seconda parte di questa guida saranno descritte la tecnologia LiSALab ed il sistema GBInSAR LiSALab, evidenziandone in particolare le peculiarità, i risultati, i limiti, i vantaggi e l adattabilità a particolari fenomeni, anche attraverso la presentazione di casi pratici od esempi. La terza parte fornirà al Lettore una guida metodologica per poter eseguire autonomamente (ed in base alle proprie esigenze) una prima valutazione dell applicabilità e della realizzabilità di un monitoraggio con la tecnologia LiSALab. Infine, nel caso che la valutazione dell applicabilità della tecnologia LiSALab abbia dato esito positivo, l ultima parte fornirà informazioni pratiche sugli aspetti che è necessario prevedere e/o prendere in considerazione e cosa è necessario richiedere all eventuale fornitore di tale tecnologia. La tecnologia LiSA nasce nel Centro Ricerche della Commissione Europea di Ispra (CCR) sulla base dei risultati di dieci anni di ricerca svolta sui radar ad apertura sintetica (SAR). Dalle esperienze condotte dapprima in laboratorio, nella camera anecoica situata presso lo stesso centro di ricerca, e successivamente sul campo, è emerso che i sistemi SAR interferometrici con piattaforma posizionata al suolo rappresentano un valido strumento nel monitoraggio sia dei dissesti idrogeologici, sia dei cedimenti e delle deformazioni di strutture. Avendo sviluppato un apposito sistema GBInSAR, conosciuto come 6

7 GBInSAR LiSALab, ed essendo il sensore giunto nel 2002 ad una maturità tale da consentirne un uso commerciale e non riuscendo più, altresì, a soddisfare le continue richieste di intervento che giungevano da parte degli operatori del settore dei controlli non distruttivi, il CCR ha assegnato alla Ellegi Srl una licenza per l utilizzo commerciale della tecnologia LiSA. La Ellegi Srl ha quindi sviluppato e migliorato nel tempo sia la tecnologia originaria LiSA che il sensore GBInSAR LiSALab, generando così la tecnologia LiSALab ( & ), che è detenuta in esclusiva da Ellegi srl. Il sistema GBInSAR LiSALab è un sistema radar ad apertura sintetica mobile e posizionato a terra, avente capacità interferometriche. Tale strumentazione è stata espressamente realizzata per effettuare misure in ambiente esterno per il monitoraggio delle deformazioni strutturali e dei pericoli naturali. Si avverte che quanto illustrato di seguito si riferisce alla tecnologia LiSALab ( & ) ed al sistema GBInSAR LiSALab, e non ad altre tecnologie o strumentazioni similari, ed è destinato ad essere utilizzato soltanto da professionisti esperti. Esso non può in alcun caso sostituire le conoscenze professionali dell utilizzatore. Le persone che utilizzano tale tecnologia, dati ed informazioni sono responsabili della supervisione, della gestione e del controllo dei medesimi. Tale responsabilità comprende la scelta degli usi appropriati di tali tecnologia, dati ed informazioni, al fine di conseguire i risultati voluti. Gli utilizzatori della tecnologia, dei dati e delle informazioni sono altresì responsabili per la valutazione dell idoneità di procedure indipendenti volte ad esaminare l affidabilità e l accuratezza delle eventuali interpretazioni ed utilizzi. 1. I sistemi di monitoraggio Definizione e scopi delle attività di monitoraggio Il termine monitoraggio è di derivazione inglese (da monitor, dispositivo di controllo) ed è utilizzato per indicare funzioni, o meglio processi, anche complessi, di controllo di un certo fenomeno o di una attività. In generale il controllo non si esplica con la semplice acquisizione di alcuni parametri, ma con l attivazione di un processo articolato nelle fasi qui di seguito descritte. 1. Un analisi dei parametri da controllare, orientata specificatamente a valutare la dinamica degli stessi, ovvero alla identificazione dei tempi con cui un certo parametro evolve o subisce variazioni significative. 2. Una valutazione dei metodi e dei mezzi che possono essere utilizzati per la misura dei parametri di interesse; nel caso di sistemi di monitoraggio in telemisura (quindi in tempo reale o quasi reale con trasmissione automatica dei dati) la valutazione è incentrata sulla scelta dei sensori e del sistema di acquisizione e trasmissione dei dati, il tutto finalizzato all ottimizzazione funzionale del sistema. 3. Una progettazione della rete di acquisizione dei dati e dei supporti hardware e software necessari alla loro memorizzazione, organizzazione ed estrazione. 7

8 4. L attivazione di un sistema di validazione dei dati, più o meno automatizzato, inteso come il processo che consenta di valutare la rappresentatività dei dati acquisiti, eliminando i dati anomali; la prima e più importante validazione dei dati dipende da una buona progettazione del sistema di monitoraggio in tutte le sue componenti e della sua manutenzione. 5. La definizione di procedure di analisi e di sintesi sull intero complesso dei dati disponibili (quindi non solo quelli acquisiti direttamente) indirizzate ad operare valutazioni circa l andamento spaziotemporale dei parametri di interesse. 6. La predisposizione di rapporti tecnici, eventualmente differenziati per contenuti e loro approfondimento, destinati a creare informazione specifica, corretta e commisurata all interesse e alla competenza del destinatario. Questa schematica articolazione delle fasi processuali può costituire una sorta di check list preprogettuale da utilizzare nel momento in cui debba essere definita una nuova rete di monitoraggio compatibilmente con la finalità e l ambito in cui si va ad operare. Di seguito focalizzeremo la nostra attenzione alle attività di monitoraggio specificatamente implementate per il controllo dei rischi idrogeologici, con particolare riferimento ai fenomeni franosi. Il monitoraggio di questi fenomeni è generalmente un intervento non strutturale di mitigazione del rischio, ovvero è un modo di operare che permette di approfondire la conoscenza del fenomeno finalizzata alla definizione delle azioni che possono ridurre gli effetti indotti. Non sempre, però, è possibile agire in questo modo, soprattutto quando le cause del rischio sono troppo estese o non sufficientemente conosciute, per cui il ricorso a sistemi di monitoraggio deve portare principalmente all approfondimento delle conoscenze, ma anche alla definizione di procedure per la mitigazione del rischio. Nel caso dei dissesti, che per tipologia, tempi di evoluzione, dimensioni ed effetti richiedono valutazioni tecnico-gestionali normalmente complesse, i sistemi di monitoraggio richiedono una progettazione specifica in relazione al fenomeno in questione. Una rete di monitoraggio deve sempre derivare da una attività progettuale che trova continui positivi riscontri nelle verifiche geologiche, geotecniche, impiantistiche, informatiche, gestionali, ma anche normative e autorizzative. Il monitoraggio dei dissesti è attuato principalmente attraverso l utilizzo di strumentazione di tipo geotecnico più o meno sofisticata, quasi sempre connessa e/o integrata a sensori di tipo termopluviometrici e idrologici. Di importanza non secondaria sono i controlli di tipo topografico che impiegano strumentazione di tipo tradizionale, come ad esempio il classico teodolite-distanziometro, o i ricevitori satellitari GPS. In forte sviluppo sono poi alcune tecniche innovative di rilevamento degli spostamenti del suolo, sia da satellite sia da terra, come ad esempio la tecnologia LisaLab ed in sensore GBInSAR LiSALab, che consentono di analizzare l evoluzione nel tempo di intere aree non limitando le misure a pochi punti, come invece accade nell impiego della strumentazione geotecnica o topografica. Ogni strumento presenta vantaggi e svantaggi in funzione dell applicazione richiesta, oltre a limiti di applicazione legati a fattori locali o di costo. Le risposte che un sistema di monitoraggio può dare nello studio di un dissesto sono molteplici, quali: a) la comprensione dei meccanismi in atto; 8

9 b) l area e la profondità interessata; c) l interazione dei diversi fattori che incidono sul dissesto (ad esempio piogge, temperatura, sismi, intervento antropico); d) l efficacia delle eventuali opere di stabilizzazione/consolidamento realizzate, senza dimenticare una sempre più auspicabile funzione di previsione, di supporto alle decisioni o alla vera e propria attivazione di piani di emergenza. Spetta al tecnico definire a quali di questi quesiti vuole dare risposta attraverso la messa in opera di un sistema di monitoraggio, ma capita che molto spesso la posa di strumentazione di monitoraggio sia effettuata in condizioni di emergenza, a seguito di eventi nuovi o riattivati: in tali condizioni, considerata proprio la finalità emergenziale, i tempi di progettazione e di realizzazione del sistema sono necessariamente ridotti, ma ciò non deve essere motivo sufficiente per non valutare efficacemente le possibili scelte. Ad esempio, installare inizialmente poca strumentazione in punti strategici può dare risultati in breve tempo sui quali poi effettuare valutazioni ulteriori, necessarie per giudicare se e come infittire i controlli. Tale modo di operare, oltre a permettere valutazioni e decisioni basate su dati oggettivi, ottimizza l impiego delle risorse evitando approcci strumentali troppo massicci. Le attività di monitoraggio in generale interessano: i. frane più o meno grandi, in tutte le loro diverse tipologie; ii. opere di consolidamento delle frane; iii. strutture antropiche (dighe, edifici, viadotti, ponti, interi abitati) interessate da dissesti; iv. movimenti del suolo dovuti a fenomeni diversi dai precedenti (quali ad esempio sinkhole o voragini catastrofiche). Nel caso più comune le attività di controllo interessano i fenomeni di instabilità di pendio, per i quali è necessario fare un cenno alla loro estrema variabilità e per lo meno alla definizione più comunemente adottata nelle classificazioni tecniche. Si intende per frana un fenomeno di instabilità in cui una massa di materiale (roccia, terreno, rinterri, rifiuti, ecc.) che costituisce un pendio (naturale o artificiale, in condizioni subaeree o subacquee del pendio), si muove lungo lo stesso, in genere con spostamento verso il basso e verso l esterno del pendio sotto l azione della forza di gravità. La definizione di frana comprende movimenti per crollo, ribaltamento, scorrimento, espandimento, colamento, flusso o creep in ammassi rocciosi. Spesso in uno stesso dissesto sono presenti fenomenologie diversificate. Viceversa, non sono compresi i fenomeni di creep superficiale nel suolo di copertura, (tipo reptazione), i fenomeni erosivi, la subsidenza, i processi di formazione del pendio in climi artici e tropicali, nonché le valanghe di neve e ghiaccio. Tuttavia, questi processi possono essere oggetto di attività di monitoraggio con diversi fini, ovvero conoscitivi, di prevenzione, di stabilizzazione o di mitigazione. Un ulteriore diversificazione può essere proposta tra movimento in massa e trasporto in massa. Un movimento di versante che si realizzi sotto l influenza della gravità e senza un vero mezzo di trasporto è 9

10 detto movimento in massa, mentre per trasporto in massa si intende il caso di materiale trasportato in un mezzo in movimento (acqua, aria, ghiaccio). Questa differenziazione può divenire rilevante in alcuni casi di realizzazione di reti di monitoraggio, in quanto sia le variabili da misurare che le modalità di esecuzione e di impiego dei risultati possono essere fortemente differenti, richiedendo di fatto la scelta di uno strumento piuttosto che un altro. In buona sostanza, la conoscenza dei fattori predisponenti ed innescanti, ed il tipo di evoluzione possibile per un certo fenomeno franoso, sono indispensabili ai fini: A. dell individuazione dei parametri di maggior rilevanza; B. della scelta della strumentazione da installare; C. delle modalità di esecuzione delle misure; D. della definizione della suscettibilità del territorio a franare, per la valutazione del rischio. Va inoltre ricordato che la possibilità di operare delle scelte di tipo progettuale, pianificatorio e mitigatorio richiede la disponibilità di informazioni distribuite opportunamente sia nello spazio che nel tempo, e che serie di dati storici troppo limitate non possono consentire interpretazioni fondate dei fenomeni in atto. Il monitoraggio e le valutazioni della stabilità mirano a identificare i parametri geologici e geomeccanici, il tipo di materiali e gli aspetti ambientali che possono influenzare un certo problema o progetto, nonché a comprendere la frequenza (di occorrenza, riattivazione, ecc.), la dimensione e la natura dei problemi stessi. In ogni caso gli elementi principali desunti dal monitoraggio che guidano nelle conseguenti attività di progettazione sono la velocità della frana ed il materiale coinvolto. Pianificazione e realizzazione di un sistema di monitoraggio Per realizzare un efficace sistema di monitoraggio è necessario dividere le attività in tre fasi distinte e successive. FASE 1 - inquadramento dei fenomeni. Questa è la fase in cui si individua l oggetto del monitoraggio attraverso una serie di operazioni che vedono spesso coinvolti anche soggetti non particolarmente esperti del settore (uffici tecnici comunali), ma con conoscenza diretta del territorio e quindi in grado di reperire materiale utile in tempi brevi. Ciò risulta particolarmente utile in caso di monitoraggi di emergenza. Questa fase deve portare alla redazione di una scheda di inquadramento, contenente tutte le informazioni necessarie alle successive fasi di approfondimento e realizzazione del progetto di monitoraggio vero e proprio. In sintesi i contenuti della scheda devono rispondere ai comuni quesiti: - cosa monitorare; - con che scala; - con quale frequenza e per che durata; - con quali costi e risultati. 10

11 FASE 2 - affinamento delle conoscenze e progettazione. In questa seconda fase entra in gioco un referente tecnico specialista (geologo-ingegnere) per condurre un analisi critica di quanto individuato nel corso della prima fase, ed effettuare i primi rilievi e misure in sito, nonché un approfondimento geologico funzionale all impostazione vera e propria del monitoraggio. Il prodotto finale di questa fase sarà una relazione geologica-geotecnica preliminare, con eventuali indicazioni relative all effettuazione di indagini o misure particolari. In questa fase vengono sovente già attivate delle prime forme di monitoraggi speditivi (ad esempio dei movimenti superficiali) per comprendere meglio il reale stato di attività del fenomeno e la sua estensione. Ciò consente di determinare l entità di eventuali ulteriori rilievi e indagini (geognostiche e di laboratorio), al termine delle quali si arriverà ad una progettazione definitiva-esecutiva. FASE 3 - realizzazione della rete di monitoraggio. E la fase finale che comporta l installazione ed il mantenimento in esercizio di una vera e propria rete di monitoraggio. Preventivamente anticipata da indagini preliminari definite nel corso delle fasi precedenti e finalizzate ad esempio a confermare i risultati della relazione geologica-geotecnica. Si tratta essenzialmente di rilievi diretti e di indagini geognostiche i cui risultati consentono di definire: - quali sono i parametri da misurare; - dove e come misurarli. La massima attenzione in questa fase deve essere posta nella scelta e nel posizionamento degli strumenti ed in seguito nella continuità del funzionamento e nel mantenimento delle reti di monitoraggio ai fini della caratterizzazione di fenomeni di instabilità di versante. Finalità Il monitoraggio applicato ai fenomeni di instabilità di versante va inteso come una fonte di informazioni per comprenderne l estensione e la potenzialità e per stimare quindi il pericolo connesso. La pianificazione, la progettazione, il funzionamento ed il mantenimento di una rete di monitoraggio devono comunque essere realizzati tenendo presente una serie di passaggi logici. In particolare è necessario definire la finalità del sistema di monitoraggio che si sta progettando. Ad esempio le finalità tipiche di un tale sistema possono essere la: - determinazione della profondità, forma, estensione della massa in movimento e distribuzione di pressioni e sforzi finalizzate al calcolo dei parametri di resistenza, all esecuzione di verifiche di stabilità e alla progettazione di eventuali opere di stabilizzazione; - determinazione degli spostamenti in area di frana; - stima del campo di velocità e sua interrelazione con fattori esterni quali piogge o temperatura; - determinazione di soglie critiche; - valutazione del comportamento di pendii in seguito all esecuzione di opere; - verifica dell efficacia di contromisure atte a controllare il fenomeno. 11

12 Dopo la definizione delle finalità vi sono le attività di pianificazione, che si concretizzano nella definizione delle tipologie delle misure necessarie, nella scelta dello strumento più adatto e nella definizione del numero e distribuzione di strumenti nell area indagata. Ciò comprende anche la definizione della frequenza delle letture, la durata delle attività di acquisizione e le modalità di analisi e di presentazione dei dati. La tipologia di misure che può essere realizzata, a scopi di studio della stabilità dei versanti e di eventuale progettazione di opere di contenimento, può variare oltre che sulla base degli interessi specifici, anche in funzione della tipologia di materiali coinvolti nel problema o alle condizioni logistiche. Per le misure di superficie è possibile per esempio pensare a misure topografiche classiche, all impiego di sistemi GPS e DGPS, di estensimetri superficiali, fessurimetri e inclinometri superficiali o anche della tecnologia GBInSAR LiSALab o del SAR satellitare. L adeguatezza delle verifiche di stabilità è associata strettamente all affidabilità dei risultati delle prove e dei parametri acquisiti, alla cinematica del fenomeno e alle condizioni piezometriche. Il monitoraggio costituisce un valido strumento di controllo che risulta però poco utile se non è correlato ed integrato dalle conoscenze geologiche. Nel contempo le conoscenze geologiche e idrogeologiche sono migliorabili tramite i risultati del monitoraggio. Il monitoraggio aiuta nell individuazione di un movimento prima che questo divenga evidente per morfologia, nella delimitazione dell area coinvolta, nell indagine sul tipo di meccanismo, includendo la superficie di scivolamento, le zone di creep ed i campi di velocità, ed infine nella valutazione della pericolosità del movimento. Progettazione di un sistema di monitoraggio L elemento di base per la definizione del sistema di monitoraggio è rappresentato dall individuazione dei parametri da monitorare, ovvero delle grandezze che si ritengono significative per raggiungere gli scopi dell attività (misura del movimento franoso e delle cause che lo provocano). I parametri sono generalmente raggruppati in due tipologie: parametri diretti: ovvero grandezze che descrivono in modo diretto il comportamento del fenomeno franoso, movimenti verticali ed orizzontali, deformazioni, rotazioni; parametri indiretti: ovvero grandezze che rappresentano le condizioni al contorno del fenomeno franoso o che devono essere analizzate in correlazione con altre grandezze per fornire valutazioni utilizzabili dal progettista (pressioni neutre, livelli di falda, parametri meteorologici, idrologia, sismicità ecc.). La progettazione di un sistema di monitoraggio deve prendere avvio da alcuni elementi di base che orientano le scelte successive. In particolare possono essere assunti come elementi primari lo scopo, la frequenza delle letture e la finalità del sistema. Lo scopo per cui viene realizzato il sistema di monitoraggio può essere in via preliminare e generale suddiviso in: 12

13 a) Protezione Civile commisurata alla dinamica temporale del fenomeno; b) sicurezza di infrastrutture, opere ed impianti; c) studio. Nel caso di un sistema rivolto a finalità di Protezione Civile, si preferiranno le misure dei parametri di più immediato impatto sulla sicurezza delle popolazioni e delle infrastrutture e che permettano tempi di intervento ridotti. Il sistema dovrà quindi privilegiare la strumentazione da installare in superficie e dovrà essere configurato in modo tale da permettere facili riconfigurazioni, modifiche e implementazioni, in funzione dell evoluzione dei fenomeni. E fondamentale l affidabilità della strumentazione. Nel caso di sistema rivolto a garantire la sicurezza di infrastrutture, opere ed impianti si privilegeranno le misure dei parametri che possono fornire un segnale di allerta o di allarme sia sulla frana che sulle opere stesse. Il sistema dovrà quindi comprendere sia strumentazione geotecnica o geomeccanica che strumentazione per il monitoraggio strutturale e si dovrà valutare in modo approfondito la problematica delle soglie di allarme e della loro evidenza. Anche in questo caso è fondamentale l affidabilità della strumentazione. Nel caso di sistema pensato con finalità di studio, si dovranno seguire le risultanze degli studi preliminari e le finalità dello studio. Si dovrà porre attenzione alla significatività e criticità delle misure. In genere in questo caso si utilizzano strumenti con caratteristiche metrologiche tali da garantire un alta precisione delle misure. La definizione della frequenza di rilievo dei parametri sarà effettuata in funzione di: a) scopi del monitoraggio; b) responsabilità connesse all analisi delle misure; c) evoluzione dei fenomeni; d) periodi di osservazione. In funzione degli scopi del monitoraggio la frequenza delle letture potrà essere elevata per sistemi a scopo di Protezione Civile e sicurezza delle infrastrutture, opere e impianti. Per frequenza elevata si intende, a titolo puramente indicativo, una frequenza pari ad una lettura ogni 2 ore, modificabile fino a minuti in casi particolari o in condizioni di allarme. Per sistemi finalizzati allo studio, la frequenza può essere molto variabile. La scelta è funzione delle finalità dello studio e della specificità dei fenomeni monitorati. In funzione delle responsabilità connesse al sistema di monitoraggio, ovvero alla necessità di attivare particolari azioni di messa in sicurezza di un area, di sgombero di zone abitate o di interruzione di impianti e servizi primari, la frequenza potrà essere quasi continua, ovvero pari a circa una misura ogni 15 minuti, qualora vi siano allarmi da attivare, e scendere fino a una misura ogni 4 6 ore quando non vi siano particolari necessità di attivazione di allarmi o allertamenti. In genere è sconsigliabile scendere sotto queste frequenze in quanto si perderebbero le informazioni circa gli effetti giorno-notte, soprattutto con particolare riguardo all osservazione degli effetti della variazione della temperatura sul fenomeno osservato. 13

14 L evoluzione dei fenomeni può guidare nella definizione della frequenza di lettura. Se si considerano, ad esempio, gli effetti stagionali, si può ipotizzare che la frequenza di lettura possa essere bassa (ogni 6 12 ore) nel periodo invernale di gelo, quando i movimenti generalmente si riducono, oppure elevata (una lettura ogni 30 minuti) ad esempio nel periodo delle piogge. Per i parametri meteo climatici è consigliabile mantenere un acquisizione standardizzata che può variare da un ora a 15 minuti. E da considerare comunque la natura dei fenomeni monitorati che possono avere evoluzione rapida (ad esempio le frane in roccia) e che quindi richiedono una frequenza di misura elevata, o lenta (ad esempio le frane di rotazione in terreni) che hanno evoluzione generalmente lenta. Anche la durata del periodo di osservazione condiziona la frequenza di lettura considerando, ad esempio per sistemi di lunga durata, gli effetti stagionali o, per sistemi di durata limitata (ad esempio durante l esecuzione di lavori nell area di frana), la necessità di attivare allarmi. Quale indicazione generale, si dovrà comunque verificare sempre la possibilità di utilizzare sistemi che permettano un ampia variabilità della frequenza di acquisizione, non essendo sempre possibile definire a priori quale sia la frequenza necessaria o ottimale. Inoltre può essere molto utile disporre di sistemi che permettano di modificare automaticamente o manualmente la frequenza in caso di avvenimenti particolari (ad esempio al superamento di prefissate soglie). Qualora siano previsti segnali di allarme, si dovranno privilegiare quei sistemi che, pur utilizzando frequenze di lettura medie o basse (ogni 4-6 ore) consentono di tenere sotto controllo determinati canali di misura con frequenza molto elevata, a fine di segnalare quanto più precocemente possibile il superamento dei valori di soglia. La definizione della tipologia del sistema di monitoraggio può essere: a) manuale; b) automatica (con trasmissione o con raccolta manuale); c) mista; d) con utenti e centri remoti. E uno dei requisiti fondamentali dei sistemi di monitoraggio anche perché comporta ricadute di tipo economico rilevanti. Per sistemi manuali si intendono sistemi nei quali la lettura degli strumenti deve essere eseguita da un operatore che si reca presso il punto di misura, non necessariamente corrispondente ai punti in cui è installato lo strumento, ed esegue la misura utilizzando uno strumento idoneo (centralina o sonda di misura). Sono utilizzati quando la tipologia ed il numero degli strumenti installati, nonché le condizioni al contorno (difficoltà di realizzare i collegamenti), la frequenza di lettura, e le disponibilità economiche siano tali da sconsigliare l installazione di sistemi automatici. I sistemi automatici sono i sistemi in cui è possibile, mediante l utilizzo di particolari apparecchiature di lettura e sistemi di collegamento e trasmissione dati, eseguire la misura della strumentazione installata in modo automatico, ovvero, senza la necessità di intervento da parte di un operatore. Sono indicati per sistemi di dimensioni rilevanti, quando i punti di misura siano in aree difficilmente raggiungibili o rischiose; quando la frequenza di lettura richiesta sia elevata e quindi non permetta di eseguire misure manuali; quando si debbano attivare segnalazioni di allarme o, ancora, quando sia necessario che più utenti remoti siano costantemente aggiornati sull evoluzione dei fenomeni. E possibile anche realizzare sistemi che acquisiscono i dati in modo automatico ma necessitano di uno scarico manuale degli stessi, in quanto si impiegano unità di acquisizione autonome remote non 14

15 collegabili a centri di raccolta dati. In questo caso è necessario che un operatore raggiunga il punto di installazione dell unità remota (che può raccogliere dati di più strumenti) e scarichi i dati utilizzando, in genere, un computer portatile con idonei programmi di comunicazione con le unità di acquisizione. I sistemi misti comprendono parte di strumentazione a lettura manuale e parte a lettura automatica. Si utilizzano quando, in sistemi automatici vi sia necessità di utilizzare anche strumenti che non consentono letture automatiche, oppure quando il sistema viene suddiviso, per comodità di gestione, in sottosistemi in parte automatici ed in parte manuali, o ancora quando, in sistemi manuali, vi siano strumenti che necessitano di essere letti con frequenza elevata, ma i dati non devono essere resi disponibili in tempo reale, per cui in sistemi manuali si inseriscono unità di acquisizione automatiche remote. I sistemi collegati ad utenti o centri remoti sono sistemi automatici nei quali è prevista la possibilità di realizzare un collegamento remoto con Centri od Utenti cui competono responsabilità dirette od indirette connesse con i dati rilevati dal sistema di monitoraggio. Il collegamento può essere realizzato secondo varie tecniche (telefonia fissa, telefonia mobile, reti radio, reti LAN, reti wireless, collegamento satellitare, ecc.) che verranno scelte in funzione degli utenti, delle condizioni logistiche e delle implicazioni economiche, tenendo presente l eventuale necessità che gli Utenti Remoti possano o meno operare sul sistema in fase di gestione per modifiche, riconfigurazioni, implementazioni, ecc. E da sottolineare come le linee guida fornite siano da intendersi come indicative, data la varietà e la complessità delle situazioni che si devono affrontare, per cui ogni sistema deve rispondere a specifiche e differenti necessità che possono indurre a scelte diverse e comunque a modificare anche pesantemente le indicazioni fornite. In particolare si fa presente che per quanto riguarda le voci grado di affidabilità, problemi di installazione/gestione e costi, esse sono da considerare principalmente dal punto di vista strumentale con i significati di seguito descritti. I. Grado di affidabilità: ovvero la capacità di un sistema di svolgere il compito per cui è stato progettato per il periodo di tempo previsto. Questa affidabilità non è da confondersi con l affidabilità delle misure che implica valutazioni su tutta la catena di misura nonché, per le misure manuali, sulla capacità dell operatore. II. Problemi di installazione e gestione: si fa ancora riferimento a situazioni-tipo per cui la valutazione corretta può essere fatta solamente a fronte della conoscenza delle specificità del sistema in esame. III. Costi: ci si riferisce ai costi di acquisto dei componenti, manutenzione dei componenti o del servizio chiavi in mano. 2. La tecnologia LiSALab ed il sistema GBInSAR LiSALab Come visto nel capitolo precedente, un sistema impiegato per il controllo dei pericoli naturali e delle loro conseguenze sulle infrastrutture civili, deve rispondere ad alcuni requisiti che ne garantiscano l efficienza, soprattutto in situazioni di crisi quali: 15

16 - l affidabilità: il sistema deve produrre informazioni significative e immediatamente utilizzabili in modo da ridurre al minimo le incertezze nell interpretazione dei dati e nella comprensione degli effetti associati all evoluzione del fenomeno; - la robustezza e l utilizzabilità in ogni condizione meteorologica, climatica ed ambientale, in modo da ridurre al minimo onerose operazioni di manutenzione e da evitare l interruzione del funzionamento proprio nei momenti critici in cui i dati sono più necessari; - la flessibilità e la maneggevolezza, in modo da poter essere predisposto rapidamente all approssimarsi di condizioni potenzialmente rischiose o per controllarne l evoluzione nel caso l evento sia già accaduto; - la prontezza nel produrre informazioni in tempo reale, immediatamente utilizzabili per l interpretazione e la definizione degli scenari. Un sensore che, dalla sua introduzione e dai successivi sviluppi avvenuti negli anni, ha mostrato di possedere tali caratteristiche è il radar. Il radar è un sensore attivo che invia impulsi elettromagnetici a microonde verso la scena osservata, registra coerentemente il segnale retrodiffuso e deriva l informazione sulla distanza dei diversi oggetti presenti nella scena dal calcolo del ritardo temporale tra segnale inviato ed eco ricevute. Il radar è uno strumento che trova un largo ed ottimale impiego nelle applicazioni di telerilevamento, ovvero nelle applicazioni nella quale le informazioni e le misure siano ottenute per via puramente remota senza la necessita di accedere o avvicinarsi all oggetto da misurare. Nelle attività finalizzate all osservazione dell ambiente nelle quali l oggetto di studio è una scena complessa, è generalmente desiderabile distinguere quanti più dettagli è possibile, pertanto diviene fondamentale la capacità del sistema utilizzato di collocare esattamente i diversi oggetti nello spazio e di discriminare fra oggetti vicini. Tale caratteristica viene identificata come risoluzione spaziale. È noto che per un sistema radar avente un antenna reale la sua risoluzione spaziale dipende dalle dimensioni dell antenna in rapporto alla lunghezza d onda della radiazione utilizzata. Poiché le onde elettromagnetiche comunemente utilizzate nei sistemi radar hanno lunghezze approssimativamente comprese tra il metro e il centimetro l aumento delle risoluzione spaziale comporta la realizzazione di antenne molto grandi, con grandezze cha variano conseguentemente dal metro a qualche decina di metri. Per molte applicazioni, in particolare per quelle in cui è desiderabile avere dei sistemi facilmente trasportabili e compatti, tale soluzione appare assolutamente impraticabile sia dal punto di vista dei costi e della complessità del sistema che per la sua scarsa flessibilità ed operatività. In questo tipo di applicazioni una valida alternativa è rappresentata dalla tecnica SAR (Radar ad Apertura Sintetica), che è appunto utilizzata per ottenere immagini radar ad elevata risoluzione spaziale. Il sensore, costituito da un sistema radar classico, in questo caso si muove lungo una direzione usualmente rettilinea puntando in direzione perpendicolare rispetto a quella di movimento ed effettuando misure radar ad opportuni intervalli spaziali come schematizzato in Figura 1. E essenziale che le misure effettuate siano coerenti, vale a dire che abbiano un comune riferimento di fase come se fossero emesse in contemporanea da un unica sorgente. A tali condizioni il successivo trattamento dell insieme dei dati 16

17 raccolti consente di produrre un immagine con risoluzione spaziale approssimativamente pari a quella ottenibile con un antenna reale di dimensione uguale alla lunghezza del segmento percorso dal sensore. Figura 1. Principio di funzionamento del Radar ad Apertura Sintetica (SAR) ed esempio di immagini. (Fonte internet) Il termine apertura sintetica presente nell acronimo SAR indica appunto quel segmento, lungo la traiettoria di movimento, in cui si raccoglie ad opportuni intervalli spaziali l energia riflessa dallo scenario per formare l immagine radar dello stesso. Una caratteristica importante della tecnica SAR è che il trattamento dei dati può essere effettuato in modo tale da ottenere come risultato un immagine complessa. Ogni cella di risoluzione (pixel), corrispondente ad una determinata porzione della scena osservata, sarà pertanto caratterizzata non solo da un ampiezza radiometrica, che esprime la riflettività dell oggetto, ma anche da una fase che dipende dalla distanza sensore-oggetto e dalle caratteristiche dielettriche di quest ultimo. Le tecniche interferometriche sono delle tecniche che vengono applicate alle immagini SAR per estrarne l informazione di posizione contenuta e quindi misurare gli eventuali spostamenti che hanno avuto luogo nella scena in esame. 17

18 L interferometria differenziale applicata alle immagini SAR consente, attraverso il confronto tra le fasi di due acquisizioni separate temporalmente ed acquiste con gli stessi parametri, di ricavare una terza immagine chiamata interferogramma. L interferogramma contiene, per i vari pixel della scena in esame, l informazione quantitativa sullo spostamento eventualmente avvenuto nell intervallo trascorso tra le due acquisizioni originarie e lungo la linea di vista (LOS) del sistema di antenne. L interferometria differenziale permette di misurare spostamenti dell ordine della lunghezza d onda della radiazione utilizzata con accuratezze pari ad una piccola frazione della stessa. Figura 2. Esempio di interferogramma relativo alla coppia di immagini SAR satellitari del satellite ERS. È chiaramente visibile il susseguirsi delle frange di interferenza. Una frangia intera, che va dal blu all azzurro, corrisponde a 2,8 centimetri di spostamento. Fonte sito internet INGV Catania. La differenza di fase elettromagnetica presente nei prodotti di un sistema radar interferometrico purtroppo possiede sempre valori compresi fra -?, e +???e pertanto le immagini risultanti dall analisi contengono in generale numerose frange di interferenza che caratterizzano una ambiguità tipica delle immagini SAR, detta ambiguità di fase. Tale ambiguità può essere parzialmente risolta quando lo spostamento relativo corrispondente ad ogni pixel non supera la mezza lunghezza d onda. D altra parte tale criterio deve applicarsi a pixel adiacenti. In altre parole, spostamenti anche di molte lunghezze d onda sono correttamente misurabili purché abbiano una distribuzione spaziale sufficientemente morbida da riguardare un certo numero di pixel. Una delle applicazioni principali dell interferometria differenziale è nel campo del monitoraggio dei rischi ambientali ed in particolare di tutti quei fenomeni che inducono movimenti del terreno. 18

19 La tecnica SAR interferometrica può essere applicata con sensori montati su piattaforme satellitari, su piattaforme aviotrasportate o basate a terra, con risoluzioni spaziali che vanno dai 5-25 m dei satelliti attualmente operativi, agli 1-3 m dei più avanzati sistemi aviotrasportati, mentre per i sistemi basati a terra la risoluzione è funzione della distanza dell area in esame dallo strumento. Tipicamente sono ottenibili risoluzioni centimetriche a qualche decina di metri e metriche a qualche chilometro di distanza. I sistemi SAR da terra, comunemente denominati Ground Based Interferometric SAR (GBInSAR), grazie alla loro elevata flessibilità in termini di risoluzione spaziale, copertura temporale dello scenario oggetto di studio, geometria di osservazione, frequenza di osservazione e flessibilità operativa si prestano bene alla misura delle deformazioni indotte da movimenti di versante.. I sistemi SAR basati a terra sono costituiti in generale da una componente a microonde, che genera il segnale, lo trasmette e riceve il segnale retrodiffuso dallo scenario osservato, e da una componente meccanica, che produce il movimento necessario a realizzare l apertura sintetica. Le modalità con cui è impresso il movimento alla parte che genera il segnale radar per ottenere l apertura sintetica dipendono dalla lunghezza d onda del segnale utilizzato, dalla geometria di osservazione dello scenario, e quindi dal tipo di fenomeno che si osserva, e dalle caratteristiche che si richiedono all immagine SAR generata dal sistema, in particolare dalla risoluzione spaziale che si desidera ottenere. Un particolare sviluppo della tecnologia GBInSAR è costituito dalla tecnologia GBInSAR LiSALab, che è stata sviluppata dal Centro Comune Ricerche (CCR) di Ispra della Commissione Europea. In seguito ad anni di attività di ricerca sulle tecniche interferometriche SAR è stato realizzato un sistema mobile con piattaforma terrestre avente capacità interferometriche e conosciuto specificatamente come LiSA. La Ellegi Srl è licenziataria esclusiva della tecnologia GBInSAR LiSALab ed ha sviluppato e sta continuamente sviluppando il sensore originario GBInSAR LiSALab, producendo un evoluzione specifica dello stesso. Non solo, ma la Ellegi srl impegna grandi risorse per migliorare costantemente i software di acquisizione, elaborazione, visualizzazione ed analisi dei dati acquisiti che costituiscono la tecnologia LiSALab, al fine di migliorare le performance ed incrementare l efficienza e l efficacia nelle attività di monitoraggio delle deformazioni sul campo. Il sistema GBInSAR LiSALab Il sistema GBInSAR LiSALab può essere suddiviso in due parti principali, la componente a microonde e quella meccanica. La parte a microonde del sistema è costituita da uno scatterometro ad onda continua ed a scansione di frequenza che agisce anche da sintetizzatore del segnale a microonde inviato all antenna trasmittente. Una seconda antenna, identica alla prima, è quindi utilizzata per ricevere il segnale retrodiffuso e convogliarlo all opportuno ingresso che provvede alla misura vera e propria. L antenna sintetica è realizzata muovendo il sistema delle due antenne lungo una traiettoria rettilinea mediante un sistema meccanico che costituisce l elemento principale della parte meccanica. La parte meccanica è completata dal supporto delle due antenne, che ne consente il corretto puntamento. 19

20 L intero sistema è dotato di una logica interna che si incarica di effettuare misure in automatico anche per lunghi periodi. Il metodo che solitamente si utilizza per l acquisizione dei dati grezzi, è quello di posizionare il sistema ad opportuni intervalli spaziali lungo la traiettoria definita dal binario. Ad ogni passo si effettua una misura radar. Il sistema GBInSAR LiSALab può osservare aree contenute all interno di un cono simmetrico il cui angolo minimo di apertura al vertice può variare dai 30 ai 60 a seconda della particolare applicazione. Le antenne sono orientabili in elevazione in modo continuo per poter individuare la posizione migliore per illuminare adeguatamente l area indagata. La lunghezza dell apertura sintetica può essere anch essa definita in base alla particolare applicazione, comprendo aperture da 1 a 4 m. Questo parametro influisce sulle dimensioni generali del sistema in quanto determina la lunghezza del posizionatore lineare e quindi definisce gli ingombri di massima del sistema e la facilità di traspostabilità. Aperture fino a 3 m garantiscono in generale una facile trasportabilità del sistema, posizionatori lineari di dimensioni superiori sono adatti solo a sistemi permanenti. Il sistema GBInSAR LiSALab lavora a 220/110 VAC e 50/60 Hz e richiede una potenza di assorbimento di energia elettrica massima pari a circa 0,15 kw; esso è inoltre munito di un alimentatore ausiliario che ne assicura il funzionamento da circa 20 minuti a 2 ore nel caso venisse a mancare l erogazione dell alimentazione. Il peso complessivo del sistema comprensivo di tutti gli accessori è di circa 95Kg, ma grazie alla possibilità di scomporlo in più componenti è possibile movimentarlo manualmente, il peso massimo del singolo componente è inferiore ai 40 Kg. Le immagini grezze acquisite dal sistema GBInSAR LiSALab sono poi elaborate da appositi pacchetti software per produrre le immagini SAR, calcolare gli interferogrammi ed ottenere, infine, le mappe di spostamento relative all area osservata. Ellegi srl, Figura 3. Il sistema GBInSAR LiSALab installato sul campo. 20

21 I risultati L interferometria differenziale GBInSAR LiSALab consente, attraverso il confronto tra le fasi del segnale di due acquisizioni separate temporalmente, ma acquisite dallo stesso luogo e con gli stessi parametri di misura, di ricavare per i vari pixel che formano lo scenario osservato lo spostamento, lungo la direzione della linea di vista (LOS) del sistema, avvenuto durante l intervallo trascorso. Ogni volta che si applica l interferometria differenziale GBInSAR per misurare gli spostamenti, il prodotto finale può essere ricondotto a mappe di spostamento (o mappe di deformazione) che in generale possiedono le seguenti caratteristiche: (1) Gli spostamenti misurati si riferiscono alla componente dello spostamento reale proiettata lungo la direzione di vista (LOS) del sistema SAR e sono relativi all intervallo di tempo compreso tra le due acquisizioni utilizzate per produrre la mappa di spostamento. Il dato rilevato possiede segno negativo se la distanza misurata si riduce, positivo se la distanza dal sensore aumenta; (2) La risoluzione spaziale delle mappe di deformazione è uguale a quella delle immagini SAR di partenza, ma tale risoluzione può degradarsi se vengono applicate delle medie spaziali durante le operazioni di elaborazione dei dati; (3) La precisione nel misurare degli spostamenti è pari ad una frazione della lunghezza d onda elettromagnetica. Solitamente si arriva a valori inferiori al millimetro. Immagine 0 T 0 Immagine n T 0 +n?t Interferogramma, Presenta gli spostamenti lungo il LOS avvenuti in n?t Figura 4: Schema concettuale di produzione di un interferogramma a partire da due immagini SAR acquisite in tempi differenti T0 e To+? T, le immagini a sinistra sono immagini in potenza. 21

22 Pertanto in generale, visto che il sistema misura la proiezione dello spostamento reale che interessa il punto osservato lungo il LOS, più il LOS e lo spostamento reale sono paralleli maggiore sarà la componente dello spostamento reale misurata dal radar; se lo spostamento reale diretto come il LOS, allora la misura del sistema GBInSAR coincide con lo spostamento reale, se invece lo spostamento reale è perpendicolare al LOS, il sistema GBInSAR LiSALab misura spostamenti nulli. Tale concetto è spiegato in Figura 5, in cui nella prima immagine a sinistra la direzione del LOS e dello Spostamento reale sono coincidenti, pertanto in questo caso lo spostamento misurato dal sistema GBInSAR LiSALab coincide con lo spostamento reale. Nell immagine al centro, invece, lo spostamento reale avviene in una direzione differente da quella del LOS, il sistema GBInSAR LiSALab in questo caso misura solo la componente dello spostamento reale proiettata lungo il LOS (vettore verde), che ha valori in modulo inferiori allo spostamento reale. L ultima figura a destra invece mostra un caso in cui lo spostamento è perfettamente perpendicolare al LOS e pertanto il sistema GBInSAR LiSALab misura spostamenti nulli. E evidente, quindi, che da misure GBInSAR LiSALab ottenute da un unico punto di osservazione non si è in grado di ricavare il vettore di spostamento reale. Per poterlo ricavare è necessario avere almeno due misure GBInSAR LiSALab acquisite nello stesso intervallo di tempo (od almeno similare) e da due differenti punti di osservazione. In questo modo si hanno due proiezioni dello spostamento reale lungo due diversi LOS tali per cui è possibile ricavare il vettore reale di spostamento. Nelle usuali applicazioni questa condizione è generalmente difficile da ottenere, anche se non impossibile, in quanto richiederebbe l utilizzo di due sensori GBInSAR LiSALab che acquisiscano in contemporanea. Figura 5: Esempi di geometrie degli spostamenti e di posizionamento del sensore GBInSAR LiSALab. Inoltre, le immagini direttamente ottenute dal sistema GBInSAR LiSALab sono immagini in due dimensioni di un oggetto generalmente tridimensionale e sono riferite ad un sistema di coordinate proprio del sistema. Il sistema di coordinate locali LiSA è centrato sulla mezzeria del binario del sistema GBInSAR LiSALab (0,0,0) i cui assi sono l uno perpendicolare (asse Y) e l altro parallelo (asse X) all asse del binario stesso. Il terzo asse (asse Z) è normale al piano formato dai due assi precedenti. L asse perpendicolare al binario (asse Y) è usualmente chiamato Range, l asse parallelo al binario è chiamato Azimut. r è la linea di 22

23 vista (o LOS) ed è la linea immaginaria che unisce il centro del sistema ad uno specifico punto osservato P, localizzato nell area osservata. Direzione range Direzione azimutale Figura 6: sistema di riferimento locale GBInSAR LiSALab L immagine in due dimensioni di uno scenario tridimensionale e pertanto affetta da deformazioni di cui si deve tenere conto nell interpretazione dei risultati. Tali deformazioni sono simili a quelle riscontrate nei sistemi SAR con piattaforma satellitare e quindi riconducibili ai seguenti effetti: 1. Foreshortening: si verifica quando la pendenza del terreno tende ad essere perpendicolare alla congiungente sensore-bersaglio; in questi casi il contributo di più punti si concentra in poche celle producendo pixel molto luminosi nell immagine di ampiezza. Nel casi di impiego del sistema GBInSAR questo fenomeno è tipico nelle pareti ad andamento sub-verticale; 2. Layover: si concretizza in una distorsione dell immagine tale per cui alcuni oggetti vengono focalizzati in posizioni sovrapposte od addirittura ribaltate. 3. Shadowing: si verifica quando alcune zone non possono essere illuminate dall impulso radar perché schermate da altri oggetti posti tra il sensore e l area appunto in ombra. Avendo a disposizione un modello digitale (DEM) dell area osservata l immagine risultante può essere georiferita a tale DEM riassorbendo direttamente le deformazioni.. Sul DEM in generale possono essere georiferite anche CTR, ortofoto ed altre tipologie di dati che possono servire a comprendere meglio i risultati ottenuti. Le analisi in tre dimensioni rendono possibili il passaggio da coordinate locali LiSA a sistemi geografici di coordinate, quali ad esempio il GCS WGS84, ED50 o affini. La georeferenziazione in tre dimensioni dei dati acquisiti dal sistema GBInSAR LiSALab rende più immediata la localizzazione delle aree affette da movimento in quanto: 23

24 1. le immagini in tre dimensioni non risultano più affette da distorsioni tipiche delle immagini radar in coodinate LiSA locali; 2. si utilizza un sistema di riferimento universale esterno e non più locale (sistema LiSA), questo rende più facile il confronto con i dati acquisiti dalla rete di rilevamento esterne; e 3. questo tipo di restituzione dei risultati rende più facilmente comprensibile anche ai non addetti ai lavori l interpretazione dei risultati. Passo 1 Acquisizione delle immagini SAR dello scenario osservato con sistema GBInSAR LiSA e loro elaborazione Passo 2 Analisi interferometrica per ottenere mappe di spostamento in due dimensioni in coordinate locali LiSA Passo 3 Georeferenziazione mappe di spostamento in due dimensioni sul DEM DEM dell area osservata in un sistema di coordinate geografiche con adeguata risoluzione spaziale Passo 4 Visualizzazione delle mappe di spostamento in tre dimensioni in coordinate geografiche (ad esempio WGS84) Figura 7: Rappresentazione schematica del processo di elaborazione delle immagini in 2D e successiva georeferenziazione 3D. Sulle immagini acquisite dal sistema GBInSAR LiSALab è possibile effettuare anche analisi su serie storiche. 24

25 Con queste analisi si possono visualizzare gli spostamenti lungo il LOS di punti appartenenti allo scenario osservato nel tempo e calcolarne le velocità e/o le accelerazioni. Spostamenti lungo il LOS [mm] -100,0-300,0-500,0-700,0-900,0-1100,0-1300,0-1500,0-1700,0-1900,0-2100,0-2300,0-2500,0-2700,0-2900,0-3100,0-3300,0-3500,0-3700,0-3900,0-4100,0-4300,0-4500,0-4700,0-4900,0-5100,0-5300,0-5500,0-5700,0 02/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Tempo [gg/mm Ora.minuti] Point 01 Point 02 Figura 8: Esempio di analisi storica di tipo quantitativo degli spostamenti lungo il LOS dei punti P01 e P 02 per un intervallo compreso dal 2 Aprile 2008 al 4 Settembre Installazione del sistema Tenendo conto della topografia locale, delle caratteristiche dell area oggetto di indagine e del fenomeno da monitorare, l installazione del sistema deve tener conto dei seguenti requisiti fondamentali:?? una buona visuale della zona da monitorare;?? la postazione deve essere in un punto assolutamente stabile e non soggetto a sua volta a movimenti;?? una distanza media dall area da monitorare non eccessiva, per non deteriorare eccessivamente la risoluzione spaziale;?? avere la migliore linea di osservazione (LOS) possibile del fenomeno;?? essere compatibile con l angolo di apertura del lobo principale delle antenne da utilizzare;?? accessibilità e facilità di installazione dal punto di vista logistico. L installazione deve poi avvenire su un supporto stabile, con particolari accorgimenti per garantire, quando necessario, il riposizionamento periodico per la ripetizione nel tempo delle misure. 25

26 Modalità di funzionamento operativo Il sistema GBInSAR LiSALab può essere impiegato in singole campagne della durata di giorni o settimane, in cui acquisisce in continuo le immagini radar. Sul posto od in sede si procederà quindi alla elaborazione dei dati acquisiti per ottenere le immagini radar e poterne eseguire la successiva analisi interferometrica. Dalla differenza delle immagini acquisite all interno della medesima campagna è possibile ricostruire l evoluzione nel tempo e nello spazio degli spostamenti misurati. In alternativa, il sistema GBInSAR LiSALab può essere utilizzato periodicamente per eseguire delle campagne di misura separate temporalmente. Per ogni nuova campagna si produrrà una immagine di riferimento che verrà confrontata con le immagini di riferimento delle campagne precedenti. Dalla differenza delle immagini acquisite nelle varie campagne verrà ricostruita l evoluzione nel tempo e nello spazio della deformazione dall area oggetto di indagine. Infine, nei casi più impegnativi e delicati, il sistema GBInSAR LiSALab può essere impiegato permanentemente nel monitorare in maniera continua lo stato di deformazione del particolare fenomeno con l elaborazione, l analisi e la trasmissione dei risultati in tempo (quasi) reale. Parametri di misura e caratteristiche dell immagine SAR Le proprietà dell immagine SAR acquisite per mezzo della tecnica GBInSAR LiSALab, ed in particolare la risoluzione spaziale, sono legate ai parametri di misura scelti, alle caratteristiche dell installazione e alla distanza del sensore dalla scena osservata. Le risoluzioni in range (distanza) ed azimut (direzione parallela al movimento del sensore) sono definite, rispettivamente, dalle due seguenti relazioni: c? r? 2B? r x cr? 2Lf c L estensione totale del tratto percorso lungo il binario dalle antenne (L) e la frequenza centrale del segnale trasmesso (f c ) influiscono in maniera inversamente proporzionale sulla dimensione longitudinale (azimut) della cella di risoluzione, mentre la larghezza della banda di frequenze trasmessa (B) ha effetto solo sulla seconda dimensione (range), sempre in modo inversamente proporzionale. E bene anche sottolineare che, diversamente dalla tecnica SAR tradizionale, la risoluzione non solo dipende dalla distanza ma ha anche una dipendenza con la posizione in azimut della cella rispetto alla collocazione del sensore. Per dare al lettore una prima valutazione sulle dimensioni delle celle di risoluzione ottenibili dal sistema GBInSAR LiSALab abbiamo predisposto due grafici. Il primo presenta la dimensione della cella di risoluzione in range in funzione della banda del segnale elettromagnetico emessa. In generale si ricorda che viene utilizzata una banda di 100 MHz. Il secondo grafico presenta la dimensione della cella di risoluzione in direzione azimut in funzione della distanza ma anche dell apertura lineare utilizzata. 26

27 Poiché l apertura lineare influenza direttamente la lunghezza dei binari utilizzati e quindi la trasportabilità del sistema in aree impervie, abbiamo predisposto quattro grafici in funzione di quattro aperture lineari differenti, ovvero 1 m, 1,5 m, 2m e 2,7m Risoluzione in Range [m] Larghezza di banda del segnale emesso [MHz] Risoluzione in Azimut [m] Distanza [m] Apertura lineare 1 m Apertura lineare 1,5 m Apertura lineare 2 m Apertura lineare 2,7 m Figura 9: Grafici per ottenere una prima valutazione sulle dimensioni delle celle di risoluzione ottenibili dal sistema GBInSAR LiSALab. In alto: Il grafico presenta la dimensione della cella di risoluzione in range in funzione della banda del segnale elettromagnetico emessa. In basso: Il grafico presenta la dimensione della cella di risoluzione in direzione azimut in funzione della distanza e dell apertura lineare utilizzata, per differenti aperture, ovvero 1 m, 1,5 m, 2m e 2,7m. 27

28 Le prestazioni caratteristiche del sistema GBInSAR LiSALab Le prestazioni caratteristiche sistema GBInSAR LiSALab sono le seguenti: - Distanza minima dell area da misurare: 10 m - Distanza massima dell area da misurare, nella usuale configurazione: m in casi particolari, fino a m - Accuratezza delle misure: in caso di elevata coerenza spaziale e temporale, distanze limitate, fino a 1,5 2,5 Km e con assenza o limitata presenza di vegetazione (ad esempio monitoraggio di pareti rocciose, manufatti e dighe) in caso di bassa coerenza spaziale e temporale, distanze elevate, da 3 a 4 Km e con presenza di vegetazione al contorno - Precisione delle misure (1s): in caso di elevata coerenza spaziale e temporale, distanze limitate, fino a 1,5 2,5 Km e con assenza o limitata presenza di vegetazione (ad esempio monitoraggio di pareti rocciose, manufatti e dighe) in caso di bassa coerenza spaziale e temporale, distanze elevate, da 3 a 4 Km e con presenza di vegetazione al contorno ±0,1 mm ±0,3 mm ±0,3 mm ±0,7 mm - Precisione nel posizionamento degli oggetti in coordinate LiSA 2D: In Range In Azimut, variabile con la distanza, stima compresa tra ±1 m ±1 m ±3 m - Precisione nella georeferenziazione degli oggetti in coordinate geografiche 3D: Variabile e funzione della precisione: i. del DEM dell area osservata nel sistema di riferimento geografico desiderato; ii. del rilievo delle coordinate del punto di installazione del sistema GBInSAR LiSALab nel sistema di riferimento geografico del DEM; iii. del rilievo della direzione nello spazio dell apertura lineare del sistema. Vantaggi I vantaggi principali di questa tecnologia per la misura delle deformazioni del terreno risiedono nella versatilità ed adattabilità dei parametri di misura del sistema GBInSAR LiSALab, che possono essere modificati in funzione dell evento oggetto di studio, e della rapidità con cui è possibile installare il sistema (limitata a poche decine di minuti) ed avere i primi dati di misura, caratteristica estremamente utile in situazioni di emergenza o di elevato pericolo. 28

29 Il sistema GBInSAR LiSALab è in grado di generare mappe di spostamento georeferenziate che riescono a coprire qualche Km quadrato di superficie e può essere utilizzato sia per il monitoraggio stand alone che per testare, progettare od implementare reti di sensori tradizionali. Il sistema GBInSAR LiSALab funziona totalmente in remoto e presenta un assoluta indipendenza da punti di riferimento presenti nello scenario di misura, ciò significa che non si deve accedere all area instabile né posizionare su di essa alcuna strumentazione, a vantaggio della sicurezza degli operatori. Con la tecnologia LiSALab è possibile eseguire le misure anche in totale assenza di luce o in presenza di nebbia ed in condizioni climatiche avverse; è inoltre possibile avere i risultati preliminari sul campo già pochi minuti dopo aver effettuato le misure con una precisione delle misurazioni effettuate nell ordine dei decimi di millimetro, precisione spesso convalidata dal confronto con sensoristica tradizionale che ha mostrato un perfetto accordo tra i risultati. Svantaggi L utilizzatore finale delle informazioni fornite dalla tecnologia LiSALab e dal sensore GBInSAR LiSALab deve possedere una sensibilità nell interpretazione dei risultati, in quanto il dato GBInSAR misura la proiezione degli spostamenti reali lungo il LOS, e per questo motivo i risultati rappresentano solo uno degli elementi che concorrono alla comprensione ed alla caratterizzazione del fenomeno. Con tale tecnologia si rileva solo una componente dello spostamento reale, a seconda dell orientazione reciproca del LOS rispetto al vettore reale di spostamento possono infatti essere rilevati valori prossimi allo spostamento reale in caso di coincidenza delle due direzioni o nulli in caso di ortogonalità. La variazione degli spostamenti misurati dalla tecnologia LiSALab può essere influenzata anche dalla distribuzione dell orientazione dei LOS sull area osservata, pertanto uno spostamento omogeneo potrebbe essere rilevato come differenziale a causa delle diverse orientazioni e proiezioni di questo lungo il LOS. Non tutto il territorio si presta all applicazione di tale tecnologia. Le aree vegetate presentano fenomeni di decorrelazione che non rendono possibile la corretta misurazione degli spostamenti, mentre nelle regioni innevate si potrebbe misurare la variazione del livello della copertura del manto nevoso e non il movimento del terreno sottostante. Lo stesso discorso può essere fatto per il monitoraggio di pendii vegetati, ma con anche una distribuzione di strutture antropiche su di essi. In questi casi il monitoraggio è in linea di principio possibile andando a misurare gli spostamenti delle strutture, che al contrario delle aree vegetate presentano generalmente una buona risposta al segnale radar, ma non è sempre vero che il movimento della struttura rilevato dal sistema sia rappresentativo del movimento del terreno sottostante. Fenomeni con dinamiche elevate, ovvero con velocità superiori in generale a 600 mm/giorno, non sono misurabili a causa della elevata decorrelazione sulle immagini radar causata dal movimento. Sono però noti casi in cui sono stati misurati correttamente spostamenti con velocità fino a 800mm/h, ma ciò è avvenuto sotto particolari condizioni che non sempre sono sempre riscontrabili. 29

30 Fenomeni che avvengono e che si esauriscono all interno del tempo di acquisizione di una singola immagine, tipicamente pari a circa 10 minuti, non sono misurabili, anche se spesso se ne possono rilevare le conseguenze. Ad esempio il distacco improvviso di una roccia non è rilevabile durante il suo accadimento ma è talvolta possibile individuare la posizione da cui essa si è staccata. La mancanza di dati di archivio non rende possibile lo studio dell evoluzione storica degli eventi che hanno caratterizzato un certo fenomeno. L archivio dei dati ha inizio dal momento in cui iniziano le acquisizioni del sistema GBInSAR LiSALab. La elevata quantità di dati prodotta da questa tecnologia richiede politiche e strutture di raccolta, salvataggio ed elaborazione dati idonee al loro successivo trattamento. Cosa è in grado di monitorare la tecnologia LiSALab? Ad oggi la tecnologia LiSALab è stata utilizzata a supporto di reti di monitoraggio con strumenti tradizionali, sia già installate ed operanti che in fase di installazione. I risultati ottenuti hanno fornito utili indicazioni per ottimizzare la distribuzione di sensori tradizionali sul corpo di frana. La tecnologia LiSALab è utilizzata per individuare nello scenario osservato quelle aree che sono caratterizzate da spostamenti significativi, mapparne i cambiamenti morfologici e/o cinematici e pertanto permettere l individuazione e la perimetrazione delle aree più a rischio. Grazie alla velocità ed alla facilità di installazione il sistema GBInSAR LiSALab unito alla tecnologia LiSALab sono efficacemente utilizzati in situazioni di emergenza, quando un evento critico è ritenuto imminente od è appena avvenuto. Sono anche particolarmente indicati per il monitoraggio continuo del campo degli spostamenti in tutti quei casi in cui sono a rischio elementi di particolare rilevanza socio economica o culturale, quali centri abitati, vie di comunicazione o beni culturali. Si è dimostrata utile anche per la validazione dei modelli teorici di deformazione di frane e strutture. Essa è stata impiegata efficacemente nel monitoraggio di varie tipologie di frane, di differenti dimensioni, materiali (terra e/o roccia) e dinamiche (crollo, ribaltamento, scorrimento, espandimento, e creep in ammassi rocciosi). Le attività di monitoraggio hanno anche dimostrato la validità di questa tecnologia anche nel caso di strutture antropiche quali dighe, edifici, viadotti, ponti, od interi abitati per misurarne le deformazioni indotte da carichi esterni oppure da frane. In tali occasioni, e specialmente per frane molto lente, si è stati in grado di ottenere una misura degli spostamenti anche in aree molto vegetate andando a misurare i movimenti che interessavano le strutture immerse al loro interno. Infine si è stati in grado di misurare i movimenti del suolo dovuti a fenomeni diversi, quali ad esempio quelli causati da sinkhole o da errate operazioni di coltivazione di cave. Negli esempi al termine del presente capitolo sono presentati alcuni casi di applicazione della tecnologia, con una descrizione del fenomeno analizzato, delle caratteristiche della misura, e dei risultati forniti. 30

31 Con che scala, con che frequenza e con che durata il sistema GBInSAR LiSALab è in grado di eseguire misure? Il sistema GBInSAR LiSALab, indipendentemente dall apertura sintetica impiegata, è in grado di osservare solo le aree contenute all interno del cono di emissione delle antenne. In generale, si utilizzano delle antenne a tromba (detta anche a trombino, o, utilizzando la terminologia inglese, Horn antennas). Tali antenne sono particolarmente capaci di concentrare il campo elettromagnetico emesso o ricevuto in una data direzione all interno di un cono simmetrico il cui angolo minimo di apertura al vertice può variare dai 30 ai 60. L area che costituisce l intersezione di questo cono radiante e lo scenario osservato è l area che può essere misurata dal sistema, a meno delle eventuali regioni incoerenti, vegetate e/o in ombra. L estensione di tale area varia quindi con la distanza dal sensore e, per dare al lettore la possibilità di valutare approssimativamente l eventuale estensione in azimut della regione in grado di essere vista dal sistema in funzione della distanza del punto che si vuole osservare, è presentato in Figura 10 un grafico semplificato. Questo grafico permette di valutare approssimativamente l estensione totale dell area osservabile dal sistema in direzione azimutale in funzione della distanza media della regione che si vuole osservare Estensione in azimut dell'area osservabile [m] Distanza media dal sistema dell'area da osservare [m] Figura 10: Grafico per ottenere una valutazione approssimativa delle dimensioni in azimut dell area osservata dal sistema in funzione della distanza media della regione che si vuole osservare. La frequenza delle misure ottenibile utilizzando la tecnologia LiSALab è molto variabile, infatti essa è un parametro che può essere scelto liberamente in funzione della tipologia e della velocità del fenomeno che 31

32 si analizza, della sua velocità e delle finalità proprie del sistema di monitoraggio che si vuole implementare. Infatti, la frequenza di misura deve essere tale da garantire che le misure non risentano del fenomeno dell ambiguità di fase. Più è veloce il fenomeno da monitorare, maggiore dovrà essere la frequenza di misura. Il limite superiore delle frequenza di misura è costituito dal tempo necessario per ottenere una singola immagine percorrendo l intera apertura sintetica selezionata. Ad esempio, per aperture di 2 metri le acquisizioni avvengono in circa 5 minuti mentre per aperture di 3 metri l immagine viene tipicamente ottenuta in circa 8 minuti, questi sono tempi medi perché in particolari configurazioni per una corsa di 3 m l immagine può essere ottenuta, anche, in circa 3 minuti. La figura seguente riporta lo schema di classificazione delle frane in base alle velocità dei movimenti proposto di Hungr e modificato da Crosta, su tale schema è stato individuato l area di operatività ordinaria della tecnologia LiSALab. 32

33 0,04 mm/s Applicabilità straordinaria Applicabilità ordinaria 219 m/anno Figura 11: schema di classificazione delle frane in base alle velocità dei movimenti, su tale schema è stato individuato l area di operatività ordinaria della tecnologia LiSALab.. In generale, si riescono a misurare agevolmente fenomeni caratterizzati da velocità fino a 219 m/anno, mentre in casi particolari ed in determinate condizioni il sistema GBInSAR LiSALab è riuscito a misurare adeguatamente fenomeni con velocità fino a 0,04 m/s. Per l analisi di movimenti estremamente lenti, come ad esempio i fenomeni DPGV, che sono caratterizzati da movimenti di pochi millimetri l anno su vaste aree, è possibile pensare ad una frequenza di acquisizione con periodi di 3-6 mesi. Per lo studio di fenomeni più veloci si può ridurre questo periodo ad acquisizioni orarie od anche inferiori. 33

34 La durata dell acquisizione è strettamente correlata alla finalità del monitoraggio, ad esempio per monitoraggi di protezione civile la durata delle misure è generalmente permanente o comunque multiannuale; nel caso dei monitoraggi di sicurezza di infrastrutture, la durata può essere connessa al perdurare del pericolo o delle attività che possono causare dissesto. Nei casi di studio, invece, la durata può essere limitata a giorni o a settimane, ovvero il tempo necessario per acquisire le informazioni necessarie per poter analizzare il fenomeno. Accade talvolta, in presenza di spostamenti di pochi mm all anno o nel caso di osservazione delle pareti rocciose, che le misure avvengano secondo la modalità periodica, in tal caso all interno della singola campagna di acquisizione le misure hanno durata continua e limitata a qualche giorno, mentre la della frequenza con la quale saranno ripetute tali campagne ha invece una durata pseudo-annuale, ad esempio 5 misure di quattro giorni da effettuarsi nel giro di due anni. Finalità dell impiego della tecnologia LiSALab La tecnologia LiSALab, unita all impiego del sistema GBInSAR LiSALab, può essere impiegata efficacemente per le seguenti finalità: - Protezione civile; - Sicurezza di infrastrutture, opere ed impianti; - Studio. Per le finalità di Protezione Civile è necessario che il sistema GBInSAR LiSALab sia installato permanentemente in sito, che acquisisca in modo continuo e che sia in grado di fornire i dati acquisiti in tempo quasi reale anche ad utenti remoti. Per tali applicazioni è necessario, quindi, predisporre di un sistema di trasferimento dati efficiente. Per le finalità di sicurezza di infrastrutture, opere ed impianti, il sistema GBInSAR LiSALab può essere installato permanentemente oppure periodicamente in sito. In funzione del fenomeno, della sua velocità, ed in base al grado di sicurezza che si vuole raggiungere con le attività di monitoraggio, l acquisizione può avvenire anche in modo continuo e con trasmissione dei dati in tempo reale. I dati sono inviati a soggetti remoti in grado di trasformarli in informazioni. Generalmente in tali applicazioni può essere predisposto un sistema di trasferimento dati misto o semiautomatico. Infine, per le finalità di studio il sistema è tipicamente installato in sito per un periodo di tempo sufficiente ad acquisire i dati e le informazioni necessari ai fini del particolare studio. L analisi dei dati può avvenire anche off-line, pertanto la strumentazione in queste attività generalmente acquisisce e conserva i dati al suo inteno. I dati sono successivamente elaborati in sede al termine della campagna di misura. 34

35 /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ L1P 1 L1P 2 L1P 3 L1P 4 L1P 5 L1P 6 L1P 7 L1P 8 11/06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ /06/ L 2 P 1 L 2 P 2 L 2 P 3 L 2 P 4 L 2 P 5 L 2 P 6 L 2 P 7 L 2 P 8 11/06/ Esempi di applicazione Di seguito è riportata una galleria di esempi di situazioni in cui sono state applicate la tecnologia LiSALab ed il sistema GBInSAR LiSALab. Tale galleria vuole offrire al lettore una fonte di informazioni che gli garantisca la possibilità di trovare spunti e delucidazioni su applicazioni di tale tecnologia avvenute con successo. La lista degli esempi successivi non ha presunzioni di completezza. Fenomeno Frana in terra Distanza minima 20 m Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Distanza massima 720 m Durata 15 giorni Frequenza misura 9 minuti Studio Analisi delle mappe di deformazione in 2D Analisi delle mappe di deformazione in 3D Serie storiche degli spostamenti in due sezioni Line 1 Week 2 Line 2 Week 2 Cumulated displacements [mm] Cumulated displcements [mm 35

36 Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Scivolamento in roccia, velocità fino a 26 mm/h Distanza minima 800 m Distanza massima 1800 m Durata permanente Frequenza misura variabile fino al limite di 15 minuti Studio e sicurezza Rete di trasmissione dati in tempo reale presente Analisi in tempo quasi reale ed invio ad utenti remoti delle mappe di deformazione in 3D Analisi in tempo quasi reale serie storiche degli spostamenti e velocità in punti particolari ed invio ad utenti remoti, definizione di soglie di allarme Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti DPGV, velocità fino a 30 mm/anno Distanza minima 1800 m Distanza massima 3800 m Durata permanente per 12 mesi Frequenza misura 1 al mese Studio, validazione studi ed osservazioni geologiche Analisi mappe di deformazione in 3D per confronto con studi geologici SPOSTAMENTI CUMULATI [mm] DAL 08 Lug 2006 al 24 Lug 2007 Vista prospettica Sp ost a m en ti lu ng o il Lo s 36

37 Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Crollo in roccia, intervento in emergenza Distanza minima 600 m Distanza massima 1000 m Durata continua per 4 mesi continuo e controllo dopo 1 anno Frequenza misura 15 minuti Rete di trasmissione dati in tempo reale presente Protezione Civile, dopo crollo richiesta l analisi di eventuali movimenti indotti da operazioni di disgaggio con microcatriche e controllo della sicurezza della sottostante autostrada per mantenerla aperta al traffico Analisi mappe di deformazione in 2D ed invio ad utenti remoti Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Ribaltamento in roccia, velocità fino a 9 mm/mese Distanza minima 1300 m Distanza massima 2100 m Durata periodica 8 misure in 24 mesi, una misura ogni 3-4 mesi. Studio Analisi mappe di deformazione in 3D Analisi e confronto di misure puntuali con rete topografica esistente SPOSTAMENTO LUNGO IL LOS [mm] 37

38 Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Scivolamento in roccia, velocità fino a 8 mm/mese Distanza minima 1800 m Distanza massima 4100 m Durata continua per 4 mesi Frequenza misura 25 minuti Studio per identificare le regioni in movimento e ottimizzare la distribuzione dei sensori tradizionali Analisi mappe di deformazione in 3D Confronto misure con strumentazione tradizionale Si noti che nelle aree vegetate non è possibile avere dati diffusi a causa dei fenomeni di decorrelazione che le caratterizzano. I dati presentati nelle aree vegetate si riferiscono a rocce affioranti. Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Frana causata da scavo tunnel, velocità fino a 4,8 mm/mese Distanza minima 350 m Distanza massima 1100 m Durata permanente e continua per 18 mesi Frequenza misura giornaliera Sicurezza, per valutare l efficacia dei lavori di stabilizzazione sulla frana attiva Analisi mappe di deformazione in 3D Analisi serie temporali di spostamento e velocità per verificare l efficacia delle opere di stabilizzazione e fornire eventuali allarmi dal superamento di determinate soglie Pur essendo un area particolarmente vegetata le indagini GBInSAR LiSALab sono state eseguite sulle strutture antropiche di cui si voleva valutare il livello di stabilità Average Displacements [mm Average Speed [mm/mese] 6,0 2,0-2,0-6,0-10,0-14,0-18,0-22,0-26,0 Spostamenti Medi Misurati e Modulo Velocità Medie Calcolate (loc. Strà) 4,6 4,8 3,7 0,5 1,6 2,2 2,9 2,8 3,0 1,9 1,8 3,1 1,5 1,4 1,8 2,5 3,3 1,0 1,4 2,5 1,7 1,0 1,3 0,3 1,1 0,5 1,0 0,6 0,8 0,6 1,7 1,9 3,1 2,5 1,9 1,2 1,3 1,1 0,9 1,5 2,3 0,9-0,8-2,1-2,5-0,6-1,3-1,6-3,2-3,6-0,9-3,9-1,5-4,7-5,6-2,5-3,5-7,0-4,8-8,2-9,1-9,7-7,0-10,3-10,7-11,2-8,5-11,9-9,4-12,8-10,0-13,1-11,3-12,7 06/08/ /08/ /09/ /09/ /09/ /10/ /10/ /11/ /11/ /12/ /12/ /12/ /01/ /01/2006 Date [dd/mm/yyyy] 04/02/ /02/ /03/ ,8-16,4-17,6-18,3-19,0-19,4-20,2-21,3-22,6-23,1 15/03/ /03/ /04/ /04/ /05/ /05/ /06/ /06/ /06/ /07/

39 0,00-2,00-4,00-6,00-8,00-10,00-12,00-14,00-16,00-18,00-20,00-0,05-0,15-0,25-0,35 Spostamenti cumualti nel tempo delle varie regioni analizzate Tempo [giorno ora:minuti] Velocità medie di spostamenti misurate in intervalli costanti di circa 6 ore 0,0 1 0, 0 2 0, 0 3 0, 0 40,0 5 0, 0 60,0 70,0 Intervallo [ore] Regione 1 Regione 2 Regione 3 Regione 1 Regione 2 Regione 3 Fenomeno Frana in cava di porfido, velocità fino a 8mm/giorno Distanza minima 25 m Parametri caratteristici della misura Distanza massima 475 m Durata continua per 4 giorni Frequenza misura 6 ore Scopo della misura Risultati forniti Studio per verificare la validità del modello geologico Analisi mappe di deformazione in 3D Analisi serie temporali di spostamento e velocità Spostamento [mm] Regione 1 Spostamenti Regione 2 27/10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ /10/ Regione 3 Velocità medie Velocità media di spostamento [mm Analisi quantitativa degli spostamenti e delle velocità misurate in 3 regioni distribuite sul fronte di frana Fenomeno Frana causata da piogge, intervento in emergenza, velocità fino a 30 mm/ora Distanza minima 200 m Distanza massima 900 m Parametri caratteristici della misura Durata continua per 3 mesi Frequenza misura 10 minuti Rete di trasmissione dati in tempo reale presente Scopo della misura Risultati forniti Protezione civile, analizzare l evoluzione del fenomeno post collasso Analisi mappe di deformazione in 3D in near real time con invio risultati a utenti remoti Mappe di deformazione acquisiti (dall alto al basso per righe) nei mesi di Gennaio, Febbraio e Marzo 2003, nell intervallo di tempo di 1, 2 e 3 giorni sul corpo di frana (da sinistra a destra per colonne). 39

40 Fenomeno Parametri caratteristici della misura Scopo della misura Risultati forniti Sinkhole, fenomeno improvviso con precursori caratterizzati da deformazioni superficiali Distanza minima 500 m Distanza massima 2500 m Durata permanente Frequenza misura 15 minuti Rete di trasmissione dati in tempo reale presente Protezione civile Analisi mappe di deformazione in 3D con trasmissione dati a utenti remoti 40

41 3. Il processo di autovalutazione dell impiego della tecnologia LiSALab per il monitoraggio di un dissesto Presentiamo di seguito uno schema di processo di autovalutazione utile per valutare l applicabilità della tecnologia LiSALab per il monitoraggio di un dissesto. Lo schema è stato pensato per essere impiegato come una check list di attività e controlli che devono essere svolti in rigorosa successione e con dei punti di controllo con esito GO o NO GO. Qualora un controllo fornisca un esito negativo (NO GO) allora è molto probabile che la tecnologia LiSALab non sia particolarmente adatta. Ricordiamo che questa è una standardizzazione ed esemplificazione di un processo più complicato, pertanto si suggerisce sempre di consultare un esperto della tecnologia per ottenere una valutazione corretta. L ultima fase della check list proposta è finalizzata a definire quali debbano essere le modalità operative più idonee e i risultati da richiedere per una eventuale fornitura. Il processo è stato diviso in tre fasi, Preparazione, Valutazione e Definizione delle modalità operative e dei dati da ottenere, da eseguirsi in rigoroso ordine cronologico. Fase 1: Preparazione Il Professionista interessato alla valutazione dell impiego della tecnologia LiSALab per il monitoraggio di un dissesto deve predisporre preventivamente la seguente scheda del fenomeno da analizzare: Ubicazione: Tipologia di - Crollo movimento: - Ribaltamento - Scivolamento - Colamenti o flussi Tipo di materiale Velocità di movimento: coinvolto: Dimensioni: Lunghezza: Stato: - Attiva Larghezza: - Sospesa Estensione aerale: - Riattivata Quota coronamento m. s.m: - Inattiva Quota piede m.s.m. Copertura: - Non vegetata Cause Destabilizzanti: - Fattori litologici, strutturali, - Vegetata morfologici - Parzialmente vegetata Per primo - Fattori idrogeologici e metoclimatici - Strutture antropiche inquadramento - Fattori connessi all uso del suolo o antropici Condizioni Cartografia: climatiche: Direzione del Documentazione movimento: fotografica: Dati Storici e studi Interazione con Popolazione, fabbricati ed precedenti: ambiente: infrastrutture coinvolte 41

42 Compilata la scheda ed ottenuti i dati richiesti passa alla fase successiva. Fase 2: Valutazione In base ai dati ed alle informazioni acquiste nella fase 1, nella fase 2 si segue un percorrso logico finalizzato alla valutazione della possibile applicabilità della tecnologia LiSALab al fenomeno da monitorare. Per procedere cercare di dare una risposta alle seguenti domande, ed in base alle risposte a ciascun quesito procedere alla domanda successiva in caso di GO o fermarsi con un esito negativo della valutazione complessiva nel caso di NO GO. 1. Analisi dell area da monitorare Verificare il tipo di copertura dell area oggetto di indagine, o meglio le porzioni che presumibilmente ci si aspetta in movimento: - se la copertura è prevalentemente costituita roccia, massi, terra, o presenta strutture antropiche stabili (manufatti in cemento o laterizio) distribuite omogeneamente e di adeguate dimensioni ovvero coprano superfici superiori a 600m 2 GO passare al punto successivo - se la copertura è prevalentemente costituita da vegetazione, alberi, prato e presenta solo disomogenee e piccole porzioni di aree non vegetate o antropizzate NO GO la tecnologia GBInSAR LiSALab non è applicabile 2. Analisi delle aree non vegetate presenti: - se dall analisi dei dati raccolti nella fase 1 il fenomeno ha un comportamento con deformazioni e spostamenti continui nel tempo o che avvengano con modalità tali da preservare tra le acquisizioni la struttura geometrica della superficie da osservare GO passare al punto successivo; - se il fenomeno ha un comportamento di tipo impulsivo o caotico, ovvero caratterizzato ad esempio da crolli improvvisi o improvvise frane superficiali che causano notevoli variazioni della geometria superficiale dell area osservata NO GO la tecnologia GBInSAR LiSALab in questo caso sarebbe solo in grado di individuare le aree che hanno subito questi fenomeni ma non è in grado di fornire informazioni sugli spostamenti; 3. Individuazione del punto di installazione: - se possibile individuare potenziale un punto di installazione che abbia queste caratteristiche: o Sia accessibile agevolmente e in un luogo stabile; o sia tale per cui è possibile pensare di costruire il basamento del sistema GBInSAR LiSALab e l allacciamento alle connessioni accessorie; o Offra una visione ampia della area da osservare senza generare evidenti zone d ombra o effetti distorsivi nelle immagini radar della stessa; o Offra un LOS nei punti di interesse il più prossimo alla direzione aspettata di movimento; 42

43 o Non sia troppo distante dall area osservata, entro i m; o La probabile dimensione in azimut dell immagine radar sia maggiore dell estensione stimata delle regioni in movimento; GO l analisi preliminare di applicabilità della tecnologia LiSALab al fenomeno ha avuto esito positivo e passare alla fase 3; - se la maggior parte delle caratteristiche sopramenzionate non è presente NO GO. La tecnologia GBInSAR LiSALab non è applicabile, ma sarebbe necessario valutare un altro possibile punto di installazione. Fase 3: Definizione delle modalità operative e dei dati da ottenere A seconda della finalità per cui è richiesto il monitoraggio e delle velocità del fenomeno è possibile definire preliminarmente quali dati richiedere. Finalità di Studio Le velocità del fenomeno determinano la modalità operativa, in generale velocità superiori a 0,2 mm/giorno sono sufficienti per eseguire una sola campagna di misura della durata che varia da qualche giorno a qualche settimana. In questo caso è possibile utilizzare i dati in due dimensioni per verificare la bontà di un modello geologico, oppure per identificare le aree in movimento. Se le velocità invece sono inferiori è allora preferibile pianificare una serie di misure separate temporalmente di qualche mese ed a copertura di un lungo intervallo di tempo. In questo secondo caso, poiché le misure durano anche anni, oltre all analisi in 2D può essere richiesta anche la georeferneziazione in 3D e l analisi delle serie temporali. Finalità di sicurezza In genere in questo caso le modalità operative sono legate alla possibile evoluzione dal fenomeno piuttosto che alla sua velocità. Ad esempio, è possibile prevedere monitoraggi continui di pareti rocciose interessate da lavori per valutare l influenza di questi sulla stabilità delle stesso, oppure monitoraggi periodici (generalmente nella stagione più calda e più fredda) per osservare se vi siano deformazioni di estese aree della parete come precursori di fenomeni di tipo istantaneo, quali crolli. Nel caso di opere di consolidamento, possono essere necessari dei monitoraggi continui per la durata delle attività con anche la definizione di soglie di allarme su spostamenti e velocità. In questo caso, potrebbe essere necessario un collegamento per il trasferimento dei dati e l analisi on-line degli stessi. La restituzione dei dati è generalmente in due dimensioni e con serie temporali di determinati punti. 43

44 Protezione Civile In questo tipo di attività la modalità operativa prevede l installazione di un sistema GBInSAR LiSALab dedicato a permanente, con frequenza variabile della acquisizione delle misure e trasferimento dei dati in tempo reale (relativamente ai tempi propri di acquisizione del sistema GBInSAR) i dati sono quindi elaborati e trasformati in informazioni in tempo quasi reale, Le informazioni in generale sotto forma di sequenze di mappe di deformazione e/o serie temporali degli spostamenti di alcuni punti sono inviate o visualizzate da utenti remoti. Quando è disponibile un DEM adeguato i risultati sono sempre elaborati in 3D. 4. Implementazione delle opere e servizi necessarie al monitoraggio con tecnologia LiSALab Valutata positivamente la fattibilità del monitoraggio comprensiva della individuazione della possibile punto di misura è necessario predisporre la postazione di misura su cui verrà istallato il sistema GBInSAR LiSALab e le opere ed i servizi accessori. Il progetto della postazione di misura dovrà comprendere le specifiche di installazione dei vari accessori necessari al sistema GBInSAR: strumenti, collegamenti, sistema di trasferimento dati. Essi dovranno essere quanto più possibile completate da schemi e disegni per gli aspetti specifici che esulano dalla normalità. Particolare cura dovrà essere posta alla definizione delle specifiche di installazione dei collegamenti, che rappresentano uno degli anelli più deboli dell intera catena di misura, essendo esposti a notevoli possibilità di danneggiamento. In particolare nella definizione delle specifiche si dovrà tenere conto di aspetti connessi alla sicurezza nelle aree di lavoro, con particolare riguardo alle vigenti normative (L.626/94). Gli elementi da tenere in considerazione per le installazioni sono: a) Opere civili necessarie ed accessorie quali: perforazioni, scavi, rinterri, movimento terra, ancoraggio di blocchi e massi, realizzazione di manufatti in muratura, cls e c.a., realizzazione di linee elettriche. Infatti bisogna prevedere che la postazione di misura debba poter essere costruita in modo tale rispettare i vincoli di sorta (ambientali, normativi) presenti, ma al contempo la predisposizione del supporto del sistema in sito deve tener conto delle esigenze di efficacia ed efficienza delle misure. La soluzione migliore tra le varie tipologie di basamento del sistema GBInSAR LiSALab già sperimentate in questi anni sembrerebbe essere quella di una base costituita da due putrelle in acciaio o due pali in cemento che affondino a sufficienza nel terreno per garantirne l adeguata stabilità. Su ciascuno delle due putrelle o dei due pali, tramite due prigionieri, è fissata una trave ad H tipo HEB160 lunga 2,3 m su cui poi installare di volta in volta il sistema durante le varie campagne di misura. 44

45 In alternativa si può optare per una base costituita da un muro di cemento di circa 2,3m di lunghezza, 0,2m in larghezza e 0,35 m di altezza. In Figura 12 sono presentate le due diverse soluzioni già utilizzate in passato. Figura 12: sopra, esempio di basamento completamente metallico con trave ad H, in mezzo, in cemento, sotto esempo di basamenti misti cemento-acciaio con trave ad H. 45