Monitoraggio frane mediante telerilevamento RADAR

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1 AMBIENTE Monitoraggio frane mediante telerilevamento RADAR Metodologia innovativa applicata in provincia di Benevento Adele Fusco*, Mariano Focareta**, Giovanni Cuozzo** Introduzione L Italia è un paese dove l esposizione al rischio da catastrofi idrogeologiche è particolarmente elevata. Le frane, estremamente diffuse sul territorio nazionale, sono le calamità naturali che si ripetono con maggiore frequenza e, dopo i terremoti, causano il maggior numero di vittime e di danni a centri abitati, infrastrutture, beni ambientali, storici e culturali. La diffusione dei dissesti di versante in molte aree italiane supera il 20% del territorio con elevato impatto economico oltre che sociale. Nel periodo si sono registrati: eventi che hanno coinvolto persone, causando morti e tra senzatetto ed evacuati. In figura 1 è stato rappresentato l indice di franosità ossia la misura del rapporto tra l area in frana rispetto all area totale per celle di dimensioni pari a 1km 2, [1], valutato sull intera nazione. Questo quadro generale, valido per il territorio nazionale, è confermato anche nella provincia di Benevento: recenti studi hanno censito oltre frane per una superficie totale di circa 350 km 2 pari a circa il 18% del territorio provinciale. L esigenza di monitorare tali fenomeni assume pertanto un importanza rilevante per tutte le istituzioni e gli enti coinvolti nella gestione e protezione del territorio, delle infrastrutture, dei centri urbani e dei suoi abitanti. Strategie miranti alla definizione di scenari di pericolosità e rischio da frana sono fondamentali per la risoluzione di problematiche di pianificazione territoriale, nonché per l attuazione di piani di prevenzione dei rischi. Negli ultimi anni la conoscenza ed il controllo del territorio hanno avuto un notevole sviluppo grazie all utilizzo di sistemi di monitoraggio che integrano informazioni derivanti da misure a terra e da dati di piattaforme satellitari. Il connubio tra questi due differenti punti di vista apre scenari fino a qualche anno fa inimmaginabili per la gestione del territorio. È in tale quadro che la Provincia di Benevento ha voluto procedere alla realizzazione di un sistema multiparametrico per il monitoraggio e la mitigazione del rischio idrogeologico, mediante il progetto, denominato REMO REte di MOnitoraggio. Nell ambito di questo progetto si è applicata una metodologia sperimentale volta alla definizione della pericolosità e rischio da frana in base al confronto tra dati a terra derivati da precedenti campagne di rilievo e dati satellitari provenienti da misure satellitari della piattaforma canadese Radarsat-1. * Responsabile area Data Management, MARSec ** Area Data Management, MARSec Metodologia classica con misure a terra La valutazione del rischio frane si basa su una serie di azioni indirizzate al riconoscimento e alla classificazione, attuati sia mediante rilievi indiretti che diretti. I primi si basano essenzialmente sulla fotointerpretazione di immagini ottiche ottenute da riprese aeree o rilievi satellitari. I rilievi diretti prevedono campagne di rilevamento geologico direttamente sul territorio. Il riconoscimento prevede la produzione di mappe tematiche in cui riportare, oltre che posizione e caratteristiche cinematiche dei fenomeni, anche informazioni relative allo stato di attività dei fenomeni [2]. Da queste azioni deriva quindi un quadro dettagliato dello stato della franosità di un certo territorio ad una certa data. Inoltre dalla conoscenza della distribuzione areale e dalle caratteristiche cinematiche ed evolutive dei fenomeni può derivare l esigenza di monitorare, con opportune strumentazioni, specifici fenomeni al fine di limitare il rischio per persone e cose. Il quadro conoscitivo così costruito presenta delle criticità legate sostanzialmente alla scala del rilievo ma soprattutto alla staticità temporale delle mappe prodotte. Infatti le varie carte delle frane sono un sorta di istantanea delle condizioni del territorio in un determinato istante. Ne consegue la necessità di un periodico aggiornamento delle informazioni e dei relativi prodotti. Per facilitare questo processo, negli ultimi anni, si è fatto ricorso a tecniche di telerilevamento che consentono di osservare vaste aree e ottenere informazioni sulla stabilità del territorio. Telerilevamento SAR e tecnica PS Il telerilevamento rappresenta uno strumento di grande utilità nell ambito del monitoraggio ambientale. Le tecniche di telerilevamento si propongono 6 - [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ]

2 come integrative delle classiche tecniche di misura in situ, permettendo di aumentare la qualità e la quantità delle informazioni disponibili per intraprendere delle efficaci azioni per la salvaguardia del territorio. Questo potenziamento delle informazioni disponibili, grazie all utilizzo dei dati satellitari, è reso possibile da una serie di aspetti: informazioni complementari fornite da tali dati rispetto a quelli a terra; possibilità di raccogliere con una sola acquisizione satellitare informazioni su ampie aree geografiche; possibilità di ottenere dati su zone difficili o impossibili da raggiungere con il monitoraggio a terra. La tecnica PS (Persistent Scatterers) è appunto una tecnologia che fa uso di dati satellitari e trova applicazione nel campo del monitoraggio ambientale fornendo misure di spostamento a partire da dati radar [3]. I dati utilizzati per le elaborazioni PS sono dati di tipo SAR (Synthetic Aperture Radar) [4]. Nel progetto REMO sono stati utilizzati dati provenienti dalla piattaforma satellitare RADARSAT-1 (vedi figura 2) dell Agenzia Spaziale Canadese, acquisiti in modalità Standard beam (circa 25 m di risoluzione) [5] nel periodo Il dato SAR si distingue dagli altri tipi di dati satellitari per due aspetti fondamentali: rilevamento dati alle frequenze delle microonde (anziché alle frequenze ottiche che sono molto sensibili alle condizioni atmosferiche); sensore attivo, ossia provvisto di una sorgente di illuminazione propria. Queste due caratteristiche consentono di acquisire dati in qualunque condizione meteorologica e anche di notte, non essendoci dipendenza dalla presenza di sorgenti di energia esterne. La misura delle deformazioni superficiali è una possibile applicazione del dato SAR. A tale scopo sono necessarie più acquisizioni satellitari (serie interfero- Figura 1 Indice di franosità calcolato per l intero territorio in base ai dati IFFI [1] Figura 2 Il satellite RADARSAT-1 [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ] - 7

3 AMBIENTE Figura 3 Geometria di acquisizione interferometrica in differenti istanti temporali e influenza sulla differenza di percorso nel segnale elettromagnetico Figura 4 PS e misura dello spostamento nella direzione satellite terra [2] Descrizione della metodologia I risultati principali forniti dalle elaborazioni Persistent Scatterers sono i seguenti: individuazione e localizzazione (latitudine e longitudine) dei bersagli radar permanenti nella serie storica (PS); stima delle velocità medie annue di spostamento dei PS (in mm/anno); stima delle serie storiche di spostamento dei PS rispetto a uno di essi assunto come riferimento; valore di coerenza dei PS (affidabilità della misura). L eccessivo numero di informazioni derivate dalle analisi con tecnica PS spesso rende difficile la lettura ed interpretazione dei dati (vedi figura 5). Questa difficoltà inoltre rende il dato poco confrontabile con i risultati ottenuti da rilievi a terra. È necessario dunque individuare una metodologia di analisi che possa semplificare l interpretazione del dato e che, soprattutto, renda le elaborazioni confrontabili con i dati attualmente disponibili e utilizzati per la pianificazione ambientale dagli enti preposti. Con questa necessità sono state effettuate una serie di elaborazioni volte ad una caratterizzazione areale del dato. Ciò significa che l attenzione è stata indirizzata verso caratteristiche medie su porzioni definite, piuttosto che sui singoli punti rilevati. Per unità di superficie pari ad 1 km 2 sono stati calcolati degli indicatori globali derivati da parametri caratterizzanti la qualità della misura e il numero di punti di misumetrica) relative alla stessa porzione della superficie terrestre, effettuate il più possibile dalla stessa posizione in istanti temporali distinti (vedi figura 3). Il confronto tra la differenza nel percorso del segnale elettromagnetico, legato a una misura di distanza, emesso dal sensore SAR nelle rivisitazioni dello stesso sito, porta ad ottenere informazioni sull evoluzione dei fenomeni di deformazione superficiale. Le tecniche che operano secondo questo principio sono dette tecniche di interferometria differenziale. In quest ambito si inserisce la tecnica PS che rappresenta una procedura per l identificazione e lo sfruttamento delle informazioni provenienti da riflettori stabili nel tempo nel loro segnale di risposta o firma radar. Tali riflettori stabili sono detti Persistent Scatterers e possono essere edifici, antenne, tralicci, blocchi di cemento, capannoni agricoli, rocce esposte, oppure realizzati artificialmente (Corner Reflector). Nella tecnica PS si utilizzano lunghe serie di dati SAR interferometrici per misurare movimenti dei PS nella direzione satellite terra (vedi figura 4). La selezione dei punti candidati ad essere PS viene fatta valutando un opportuno parametro detto coerenza che può essere considerato come un indicatore di qualità del punto sotto osservazione in relazione al suo utilizzo nelle tecniche interferometriche: più sarà alto il valore di coerenza e maggiore sarà l affidabilità delle informazioni sugli spostamenti ricavati su quel punto. Una volta individuati, dai PS possono essere ottenute misure accurate della distanza sensore-bersaglio con la possibilità di apprezzare spostamenti nell ordine della frazione di centimetro. Fra le varie applicazioni dei PS vi è il monitoraggio delle aree soggette a fenomeni franosi lenti. 8 - [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ]

4 ra all interno dell area considerata. Le elaborazioni areali hanno permesso il riconoscimento di aree di interesse nelle quali sono state condotte delle verifiche di sito e per le quali è stato messo a punto un metodo sperimentale per il calcolo della pericolosità e del rischio. Oltre alla base di dati associata alle elaborazioni PS ci si è avvalsi dei dati della Carta delle Frane della Provincia di Benevento (CF) [6] e dei rilievi del Progetto IFFI [1]. Figura 5 Distribuzione dei singoli PS sulla provincia di Benevento Elaborazioni areali Mediante elaborazioni areali si è confrontato il comportamento medio dei PS, in aree di dimensione opportuna, con la carta degli indici di franosità (IF) della Provincia di Benevento (vedi figura 6) [6] e la cartografia IFFI (Inventario Fenomeni Franosi in Italia) [1]. I risultati provenienti dalle elaborazioni satellitari (coerenza, numero di PS e velocità) sono stati rielaborati sulla medesima griglia dell IF, passando da valutazioni puntuali a valori mediati spazialmente, creando degli indicatori globali come indicato nella Tabella 1. Tabella 1 - Descrizione sintetica degli indicatori globali calcolati Indicatore globale Definizione dell indice Ch_PS (Coerenza media per singola cella) x (Numero di PS per singola cella) PS_V (Numero di PS per singola cella) x (Valore medio assoluto di velocità per singola cella) Ch_V (Coerenza media per singola cella) x (Valore medio assoluto di velocità per singola cella) Caratteristiche generali Unità di area per la valutazione dell indice: 1000 x 1000 m Valore minimo = 0 Valore massimo = 100 Incremento di scala = 10 Soglia di visualizzazione = 10 Tabella 2 - Aspetti peculiari delle elaborazioni sul territorio beneventano evidenziati dagli indici Indicatore globale Considerazioni Evidenzia le concentrazioni di PS con velocità significative PS_V Sono esaltati i centri urbani che si muovono secondo la linea di osservazione del satellite Evidenzia la qualità dei PS e le relative velocità Ch_PS Si rilevano sostanzialmente i centri urbani L indice non tiene conto dei movimenti Evidenzia le aree la qualità dei PS e le relative velocità Ch_V Non essendo correlate alla quantità dei PS il peso delle aree urbanizzate e molto ridotto L indice evidenzia settori della provincia altrimenti poco osservati Tabella 3 - Correlazione tra i risultati delle elaborazioni satellitari e l indice di franosità della Provincia di Benevento Indice di franosità vs Considerazioni Indicatore globale Per alcune aree la corrispondenza tra dato satellitare e a terra è alta Le aree a corrispondenza alta tra dato satellitare e a terra sono: Cerreto Sannita, Castelpagano, Circello, Campolattaro, Guardia Sanframondi, Ceppaloni, San Bartolomeo in Galdo IF vs PS_V L area del Fortore/Tammaro non presenta particolari addensamenti; questo è probabilmente dovuto alla scarsa presenza di PS (cioè manufatti) Le correlazioni sono alquanto limitate Le uniche aree correlabili sono: Cerreto Sannita, Guardia Sanframondi, San Bartolomeo in Galdo IF vs Ch_PS e Molinara Nel complesso si evidenzia come la quasi totalità degli addensamenti si concentri in settori non interessati da movimenti franosi La quasi totalità degli addensamenti sono sovrapponibili o correlabili ad aree ad alto indice di franosità Si distinguono chiaramente aree sovrapponibili alle celle a più alto indice di franosità IF vs Ch_V Si distinguono chiaramente aree poste nelle immediate vicinanze delle celle a più alto indice di franosità Queste disposizioni sono indicative, rispettivamente, di evidenza di movimenti attivi o di aree propense all innesco di frane [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ] - 9

5 AMBIENTE Figura 6 - Indice di Franosità della provincia di Benevento Figura 7 - Distribuzione dell indicatore globale Ch_Ps Figura 8 - Distribuzione dell indicatore globale Ps_V Figura 9 - Distribuzione dell indicatore globale Ch_V Dal calcolo dei diversi indicatori su tutta la provincia di Benevento sono state elaborate una serie di mappe tematiche utili alla rappresentazione dei diversi indicatori adatte per il confronto con l indice di franosità e con i dati dei rilievi IFFI (cfr. figure 7, 8 e 9). In Tabella 2 sono riportate le considerazioni più evidenti che si deducono dall analisi delle mappe generate per singolo indicatore. Le elaborazione areali sui singoli indicatori sono state confrontate con la carta IF per una ricerca di possibili corrispondenze. Nella Tabella 3 sono indicate le considerazioni più significative risultate da questo confronto. Da quanto riportato in tabella si deduce come l indicatore Ch_V presenti notevoli corrispondenze con la franosità reale. Secondariamente anche l indicatore PS_V presenta alcune corrispondenze. Da questo confronto sono stati selezionati i comuni in cui erano presenti aree con Ch_V>20. In queste aree si sono condotte delle analisi per la definizione della pericolosità, della vulnerabilità e quindi del rischio. Questa valutazione, del tutto sperimentale, è stata provata al fine di poter avere un precisa idea della validità e rappresentatività degli indicatori. La procedura che si andrà a descrivere è stata concepita in modo da sfruttare sia i dati provenienti dalle analisi satellitari sia i dati ottenuti da rilievi a terra (Carta delle frane e Rilievi IFFI). Valutazione della pericolosità La pericolosità viene definita come la probabilità che un fenomeno franoso di determinata intensità si verifichi in un fissato intervallo di tempo e su una fissata area. Per la valutazione della pericolosità si è proceduto a una analisi di dettaglio dei diversi Comuni. La valutazione si è basata sulla costruzione di un indice attraverso due distinti contributi: da satellite e da dati a terra di archivio (Tabella 4) [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ]

6 Tabella 4 - Parametri utilizzati per la valutazione della pericolosità da frana e relativi pesi Contributo da Satellite Contributo da dati a terra di archivio Indice Pericolosità PESO PARAMETRO Ch_V Ps_V Trend_250 Frane_attive Frane_quiescenti Tabella 5 - Classifica della pericolosità dei siti individuati secondo la metodologia MARSec Sito Pericolosità Arpaise 60,75 San Bartolomeo in Galdo 2 60 Castelpagano 58,5 Reino 2 57 Casalduni 54,5 San Giorgio la Molara 3 54 Reino 1 52 San Giorgio la Molara 2 51 San Giorgio la Molara 1 48 Cerreto Sannita 48 Baselice 46 Sant Arcangelo a Trimonte 45 San Bartolomeo in Galdo 1 44 Montefalcone Valfortore 42 Ginestra degli Schiavoni 42 Foiano 39 Circello 35,5 Buonalbergo 35 Guardia Sanframondi 34 Campolattaro 34 Apice 34 Fragneto L Abbate 28 ALTA MEDIA BASSA Il contributo da satellite si compone della valutazione degli indicatori Ch_V, Ps_V e Trend_250. Quest ultimo indicatore misura gli spostamenti medi all interno di celle di lato 250 m ed è stato calcolato al fine di individuare tra le zone selezionate, quelle con entità degli spostamenti più elevata durante il periodo di copertura dei dati satellitari. Pertanto su tutta la provincia sono state individuate le aree di dimensione 250 x 250 m con andamenti medi degli spostamenti di PS maggiore di 5mm per anno. Il contributo da terra si compone con la valutazione delle relazioni dei PS con le frane rilevate in CF ed in IFFI. Nello specifico sono distinti: PS all interno di aree in frana (attive o quiescenti) riportate in CF PS all interno di aree in frana riportate in IFFI PS in prossimità di aree in frana riportate in CF PS in prossimità di aree in frana riportate in IFFI In base a queste considerazioni è stata formulata una classificazione per ottenere un indice di pericolosità, derivato dalla somma dei pesi attribuiti ai parametri di seguito elencati (tra parentesi quadre è indicato l intervallo dei valori attribuibili al peso): 1 Valore dell indice Ch_V [0-20] 2 Valore dell indice PS_V [0-5] 3 Spostamento medio valutato sulle interpolazioni areali con griglia a 250m di lato [0-25] 4 Presenza di frane attive [0-30]; tale parametro si compone di 4 voci: 4.1 PS in frana [0;10] 4.2 PS in prossimità di frana [0;10] 4.3 frane rilevate nella Carta delle frane [0;5] 4.4 frane rilevate nella cartografia IFFI [0;5] 5 Presenza di frane quiescenti [0-20]; tale parametro si compone di 4 voci: 5.1 PS in frana [0;7.5] 5.2 PS in prossimità di frana [0;7.5] 5.3 frane rilevate nella Carta delle frane [0;2.5] 5.4 frane rilevate nella cartografia IFFI [0;2.5] In base ai risultati ottenuti dall analisi sui singoli settori è possibile stilare una lista in funzione della pericolosità (Tabella 5). La pericolosità è stata dettagliata in alta (indice > 45), media (indice compreso tra 45 e 35) e bassa (indice < 35) Valutazione della vulnerabilità e calcolo del rischio La vulnerabilità corrisponde al grado di perdita (danno) che può subire un elemento a rischio a seguito del verificarsi di un fenomeno franoso. Il danno dipende dalla intensità del fenomeno e dalle [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ] - 11

7 AMBIENTE Tabella 6 - Parametri utilizzati per la definizione della vulnerabilità A Uso del suolo Zona Agricola Abitazioni isolate Gruppi di case Zona artigianale, industriale o commerciale Centri urbani Valori B Vie di comunicazione C Strutture strategiche Minori: Strade vicinali e interpoderali Secondarie: Comunali Primarie: Statali, Provinciali Valori Ospedali, scuole Centrali di produzione di energia Discariche CDR Dighe Valori D Danni rilevati Assenti / Lievi Evidenti Gravi Valori 1 1,5 3 E Condizione di sito Stabilizzata Quiescente Attiva Valori 0,5 1 2 Tabella 7 - Riepilogo dei parametri A, B,C, D ed E (cfr. Tabella 6), Vulnerabilità, Pericolosità, Rischio e Rischio normalizzato SITO A B C D E Vulnerabilità Pericolosità Rischio Rischio normalizzato a 100 Castelpagano Foiano Guardia Sanframondi Reino Sant Arcangelo a Trimonte Reino Ginestra degli Schiavoni Casalduni Cerreto Sannita , San Giorgio la Molara San Giorgio la Molara San Giorgio la Molara Montefalcone Valfortore San Bartolomeo in Galdo Baselice San Bartolomeo in Galdo Arpaise Circello Campolattaro Fragneto L Abbate Apice Buonalbergo [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ]

8 caratteristiche dell elemento a rischio. La stima della vulnerabilità si basa su criteri essenzialmente soggettivi. In genere la valutazione della vulnerabilità va fatta in modo differenziato per i vari tipi di elementi a rischio, calcolando cioè distintamente la vulnerabilità umana da quella dei beni ed attività sociali. Per questo lavoro la valutazione della vulnerabilità è stata strutturata in modo da avere una visione d insieme funzione delle caratteristiche del territorio in esame. Non sono state fatte valutazioni sul grado di danno potenziale alle persone in quanto eccessivamente complesso. Attraverso specifici rilievi sono stati visionati i siti designati nella Tabella 5 al fine di definire in particolare gli elementi componenti la definizione del grado di vulnerabilità: a) Uso del suolo; b) Presenza e tipologia di vie di comunicazione; c) Eventuali infrastrutture strategiche; d) Presenza di danni a case, strade ed elementi antropici in genere; e) Condizioni di sito. Ad ognuno di questi elementi sono stati assegnati dei pesi, secondo quanto riportato in [7]. Per l uso del suolo sono state individuate una serie di categorie ritenute tipiche dei territori in esame, congiuntamente alle condizioni di sito, secondo quanto riportato nella Tabella 6. Per ottenere il grado di vulnerabilità i parametri precedentemente elencati sono stati messi in relazione secondo la seguente formula: Vulnerabilità = (A+B+C)*D*E Le indagini condotte hanno consentito di attribuire ad ogni sito i parametri secondo la categorizzazione della Tabella 6. La Tabella 7 è riepilogativa di quanto ottenuto, calcolando la colonna Rischio come prodotto tra i valori di Vulnerabilità e di Pericolosità. Il Rischio è riportato anche normalizzato a 100 nell ultima colonna, per una più facile lettura. Conclusioni La sperimentazione descritta ha come obiettivo la ricerca di una metodologia che possa offrire un valido supporto al monitoraggio di aree in frana e contribuire alla valutazione della pericolosità e del rischio associati alle instabilità di versante. Sulla base di dati da elaborazioni PS sono stati calcolati degli indicatori globali e relazionati con la carta delle frane della provincia di Benevento e con i rilievi IFFI. I primi risultati ottenuti dimostrano delle buone correlazioni con gli indicatori globali. Infatti, in particolare per l indicatore Ch_V, le correlazioni con aree in frane sono molto alte. Inoltre la sperimentazione è stata indirizzata anche alla valutazione della pericolosità e del rischio correlato a fenomeni di dissesto attraverso un articolata procedura in cui sono stati utilizzati sia dati telerilevati che da rilievi di sito. Si è cosi arrivati ad una classificazione del rischio che potrebbe essere utilizzata a supporto delle procedure normalmente utilizzate dagli enti preposti al controllo del territorio. Bibliografia [1] Progetto IFFI: Inventario dei fenomeni franosi in Italia [2] WP/WLI. (1993a) A Suggested Method for Describing the Activity of a Landslide, Bullettin of the I.A.E.G, 47, pp [3] Ferretti A., Prati C., and Rocca F. (2001). Permanent Scatteres in SAR Interferometry. IEEE Transactions. on Geoscience and Remote Sensing,39(1): 8-20 pp [4] Curlander J. C., McDonough R. N. (1991). Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing, Wiley, John & Sons, Incorporated [5] How RADARSAT sees the World - gs.mdacorporation.com/products/sensor/radarsat/ [6] Guadagno F.M., Focareta M., Bencardino M, Grelle G., Lupo G., Revellino P., Rivellini G. (2006). La carta delle frane della Provincia di Benevento. Stampa a cura dell Ente Provincia di Benevento. [7] Canuti P., Casagli N. (1994). Considerazioni sulla valutazione del rischio di Frana, atti del convegno Fenomeni franosi e centri abitati, Bologna [ ARS n Gennaio / Marzo 2009 ] - 13