L Utilizzo della tecnica PSInSAR come contributo per lo studio e l analisi dei processi deformativi in Piemonte

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1 L Utilizzo della tecnica PSInSAR come contributo per lo studio e l analisi dei processi deformativi in Piemonte La subsidenza in Emilia-Romagna Il monitoraggio tramite interferometria satellitare Esperienze a confronto Alessio Colombo, Anselmo Cucchi, Carlo Troisi

2 1. INTRODUZIONE E OBIETTIVI SCOPI DEL PROGETTO applicare e testare la tecnica PSInSAR a scala regionale Proporre un approccio metodologico a scala regionale e locale Monitorare grandi aree in deformazione a costi relativamente contenuti Sviluppare una lista di priorità dove poter concentrare gli sforzi per successive analisi di dettaglio km2 primi risultati relativi alla capacità e ai limiti della tecnica nell identificare e monitorare i fenomeni franosi in regione Piemonte in relazione alle diverse tipologie di movimento

3 L indagine è stata interamente finanziata da Arpa Piemonte L analisi e l interpretazione dei dati avvengono nell ambito di: Convenzione col Dipartimento della Protezione Civile Nazionale per attività tecnico scientifiche a supporto del Servizio nazionale della protezione civile ( ) Progetto interreg IIIb Spazio Alpino ClimChAlp, wp 6 Per alcune attività di analisi ed l interpretazione dei dati Arpa si avvale della collaborazione tecnica dell Università di Pavia e del Politecnico di Torino

4 Anno 2006: elaborazione di 614 immagini da piattaforme satellitari ERS relative al periodo passaggi Elaborazione effettuata dalla Telerilevamento Europa-TRE, spin-off del Politecnico di Milano

5 Copertura con orbita discendente Copertura con orbita ascendente L indagine ha individuato circa 2.2 milioni di Permanent Scatterers e copre circa km 2 N di Permanent Scatterers discendente SPSA : N di Permanent Scatterers ascendente SPSA : Densità media discendente SPSA Full : 80 PS/ km 2 Densità media ascendente SPSA : 24 PS/ km 2

6 Presentation of PS analysis Alphanumeric PS identification code Latitude Longitude PS reliability; it gives the probability of retracing the very same point within the analized hystoric series Average deformation velocity, in mm/a, which defines the variation of the distance (±), along the LOS between the satellite and the PS target. Hystorical series (normally available on a percentage of the PS) allows to evaluate the deformation history.

7 Sviluppo di una procedura per la definizione ex ante delle aree ove la tecnica PSinSAR possa essere applicata (Arpa); Predisposizione di linee di indirizzo per l utilizzo dei metodi interferometrici satellitari nel riconoscimento dei movimenti franosi e per la definizione del loro stato di attività (Arpa-UniPv); Confronto tra le risultanze derivanti dalla tecnica PSinSAR e quelle derivanti dalla rete regionale di controllo sui movimenti franosi gestita da Arpa (circa 300 frane controllate) (Arpa); Utilizzo della tecnica PSinSAR per analisi di strutture neotettoniche (Arpa); Utilizzo della tecnica PSinSAR come supporto per caratterizzazioni di tipo geotecnico (Arpa-PoliTo).

8 Valutazione aree monitorabili con tecnica PS: metodologia Obiettivo del lavoro è stato la definizione di una metodologia per la mappatura regionale preventiva delle aree che meglio si prestano ad essere investigate con la tecnica dei diffusori permanenti (Permanent Scatterers -PS-). Una valutazione a priori delle aree monitorabili risulta un valido strumento di analisi costi /benefici, applicabilità a scala regionale e completa integrazione in ambiente gis. L. Mallen, A.Colombo

9 PS: deformazioni prospettiche La modalità di acquisizione del satellite, non perpendicolare al suolo ma inclinato di un angolo di vista θ, da origine a delle deformazioni prospettiche che impediscono al radar la visibilità di alcune aree. layover: si verifica quando la pendenza del terreno è maggiore dell angolo θ; questo produce una forte distorsione dell immagine che impedisce la corretta interpretazione del segnale e ogni analisi quantitativa. shadowing: si verifica quando alcune zone non possono essere illuminate dall impulso radar perché schermate da altri oggetti; si producono quindi nell immagine di ampiezza aree molto scure (in ombra).

10 Individuazione delle aree in layover e shadowing mediante ri-proiezione del DTM secondo l orbita del radar e analisi di visibilità del satellite Il risultato è stato riconvertito in un raster con coordinate UTM ED50 e utilizzato come prima maschera da applicare al modello.

11 building What makes a PS? Guard-rails Trellis Bare rock faces Coarse debris, boulder fields

12 Voglio essere visto dai radar! Non voglio essere visto dai radar!

13 Mappatura degli elementi di origine antropica e naturale di possibile utilizzo come bersaglio visibile per il satellite. Classe I - ottima probabilità di individuare bersagli radar - Edifici e infrastrutture / Rocce esposte Classe II - buona probabilità di individuare bersagli radar - Praterie di montagna Classe III - limitata probabilità di individuare bersagli radar - Prati e seminativi / Frutteti. Classe IV - scarsa probabilità di individuare bersagli radar - Boschi Classe V probabilità nulla di identificare bersagli radar - Acque / Ghiacciai

14 Mosaicatura dei dataset utilizzati e classificazione del territorio in base alla probabilità di trovare bersagli radar. I due livelli creati sono stati mosaicati in un unico raster che è stato utilizzato per la classificazione del territorio in base alla probabilità di trovare o meno dei potenziali bersagli radar

15 Validazione della procedura mediante confronto con la copertura PS standard disponibile sull area campione

16 Attività in corso Predisposizione di specifiche linee guida per la validazione delle risultanze del metodo PS, preparazione degli opportuni metadati e documentazione necessaria per la gestione ed interpretazione del dato PS (Arpa-UniPv); Sviluppo di un sistema di analisi per il trattamento automatico del seminato PS capace di individuare e perimetrare ambiti con comportamento anomalo (Arpa- UniPv); Predisposizione di una base-dati geografica (sul modello di quello già sviluppato dalla Regione Lombardia) dei settori con comportamento anomalo (Arpa); Compilazione della base-dati per tutti i settori anomali di cui al punto precedente risultanti dall indagine PSinSAR dell intero territorio piemontese (circa 4000) (UniPv);

17 METODO VISUAL ANALYSIS hazard PSInSAR data GIS Areas with movements Preliminary interpretation Database dbradar Datailed interpretation monitoring models AUTOMATIC ANALYSIS Landslides Geology lithology IDENTIFICATION OF ANOMALOUS AREAS PRELIMINARY INTERPRETATION 1st step 2nd step 3th step DETAILED INTERPRETATION

18 Velocity threshold ortophotos PSInSAR data Topographic map planimetric Accuracy precision -2> vel LOS >+2 mm/yr Distance between PS deformation Ground-truth data (IGM levelling) 50m PS number Anomalous area 1st step > 3

19 2nd step Base-dati dei settori anomali

20 IDENTIFICAZIONE FENOMENI FRANOSI 1/3 del territorio risulta coperto da PS (esposizione dei versanti, acclività, presenza di vegetazione, ecc..) SPSA Movimenti continui lineari Movimenti da lenti a estremamente lenti 100% 90% 80% 70% 60% 50% estremamente lento molto lento Frane con almeno 1 PS: Alpi: 19% (9% >50PS/km2) Langhe-Monferrato: 8% 40% 30% 20% 10% 0% lento moderato rapido molto rapido estremamente rapido < 5E-10 5,E-08 5,E-06 5,E-04 5,E-02 5,E+00 >5 VEL m/s Appennino: 12% Percentuale frane classificate in funzione della loro velocità con almeno 1 PS

21 Grandi Frane Permanenti Fenomeni che si sviluppano nel tempo e nello spazio in modo permanente con dislocazione di tutta la massa o di parte di essa e spostamenti lenti e contenuti. (Ramasco et al. 2002) Estensione Superficiale > 0,2 km 2 Superfici di movimento profonde in roccia Velocità ridotte (da pochi millimetri ad alcuni centrimetri anno) Movimenti tendenzialmente regolari e lineari con delle accelerazioni localizzate nel tempo Possibilità di rilevare fenomeni secondari più superficiali ad essi interconnessi (crolli, ribaltamenti, debris flows, fenomeni istantanei in genere) n of landslides rot./trasl. slide slow flow complex DSGD

22 Grandi Frane Permanenti Problemi relativi allo studio e alla comprensione di questi fenomeni: Difficoltà nella caratterizzazione della loro geometria e dei campi di velocità Difficoltà nel comprendere a fondo i loro cinematismi La probabilità che si verifichi un evento parossistico che coinvolga l intero ammasso è molto bassa, ma le conseguenze di un evento del genere sarebbero disastrose (es. Val Pola, Vajont) Movimenti talmente lenti (quasistatico) che in taluni casi al di sotto dell errore strumentale di un monitoraggio tradizionale Sauze d Oulx landslide (21 km 2 ) in Susa Valley (Puma et al., 1989)

23 Alpi: DGPV Alpe Baranca (foto CNR Irpi TO) Primavera 2001

24 studio di dettaglio Tipologia di approccio A.Colombo, A. Cucchi Analisi della copertura dei dati PSINSAR sui siti monitorati; Analisi della strumentazione installata nel sito; Controllo dei siti monitorati su cui ricadono PS; Calcolo delle velocità di spostamento dagli spostamenti misurati dagli inclinometri Elaborazione delle velocità determinate dal PSINSAR; Comparazione quantitativa delle velocità. 300 siti monitorati 90 siti con copertura PSInSAR

25 Sito di Montaldo di Cosola comune di Cabella Ligure (AL) INCLINOMETRO S1 INCLINOMETRO S2

26 Utilizzo della tecnica per quanto attiene ai fenomeni franosi Vantaggi Riconoscimento di fenomeni prima ignoti; zonizzazione delle grandi frane in settori a comportamento differente; riconoscimento delle frane attive ; valutazione dei movimenti in aree complesse; valutazioni derivanti dal confronto con le risultanze dei sistemi di controllo convenzionali; Vaste aree indagabili a prezzi relativamente contenuti; possibilità di avere indicazioni a partire dal 1992; definizione delle DGPV (ovviamente se vi sono PS).

27 Utilizzo della tecnica per quanto attiene ai fenomeni franosi Limiti Non tutto il territorio si presta all applicazione del metodo, circa il 30 % del Piemonte è totalmente privo di PS; Il sistema può dare risultati molto modesti sui versanti esp.n e S; deformazioni lungo direzione LOS; valida solo per movimenti lenti (max. 5-6 cm/a); In ambiti appenninici i riflettori sono unicamente manufatti; deformazioni dovute a più cause; bassa densità; campo di velocità limitata e quasi lineare; l interpretazione non è cosa banale; poche società al mondo (< 10) possono effettuare le elaborazioni.

28 Sperimentazione di tecniche di analisi statistica in contesto spaziale applicata alla tecnica interferometrica dei Permanent Scatters (PSInSAR ) per studi neotettonici. Data la mole di dati ottenuti dalla tecnica PSInSAR e al fine di identificare elementi neotettonici sono state adottate tecniche di analisi geostatistiche e di analisi cluster con i seguenti obiettivi: 1) caratterizzazione del fenomeno in termini di autocorrelazione spaziale dei valori di velocità; 2) generazione di carte delle isocinetiche; 3) individuare le aree a comportamento omogeneo ed i rispettivi limiti quali probabili elementi tettonici di svincolo cinematico. L. Mallen, M. Morelli,G. Nicolò

29 Per rispondere alla necessità di individuare le aree a comportamento omogeneo a scala regionale è stata realizzata un analisi cluster, con la tecnica dell Hot spot. Questa tecnica permette di individuare anomalie locali, statisticamente significative, di una variabile spazialmente distribuita rispetto ad un valore atteso.

30 L applicazione delle tecniche di analisi statistica ha consentito di delineare i limiti degli areali caratterizzati da una connotazione omogenea in termini cinematici. E stato riscontrato che tali limiti assumono un andamento lineare spesso ben definito e confrontabile geometricamente con gli elementi tettonici regionali. Tali limiti possano essere interpretati come evidenze statistiche di strutture tettoniche che svincolano blocchi crostali a differente cinematismo la cui mobilità risulterebbe attuale.

31 Studio relativo a zone di subsidenza di pianura: utilizzo della BDG di ARPA Piemonte per l interpretazione di misure PSInSAR TM Politecnico di Torino

32 Area di interesse Zoom area anomala Area appartenente alla bassa Val Susa Zona interessata dall autostrada A32

33 Area di interesse Sovrapposizione Dati PS e carta litologica

34 Carraro et al., 2005

35 Dettaglio dei dati presenti nella BDG per l area in esame

36 Metodologia e sviluppi Analisi dei dati della BDG, individuati nell area di interesse, al fine di evidenziare un eventuale correlazione tra il fenomeno di subsidenza (dato SAR) e la natura dei geomateriali Esempio Effettuazione di stratigrafie trasversali all asse autostradale Analisi dei dati relativi alla deformabilità dei materiali

37 Grazie per l attenzione