Ldb 25 strumenti gis e webgis_2014-05-23 lopilato - 3 nuove tecnologie per il monitoraggio geotecnico-strutturale
- 1. Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale G.I.A. Consulting Srl – Sede legale e operativa viale degli Astronauti n 8 cap 80131 Napoli www.giaconsulting.it ______________________________________________________________________________ Caso di successo Gia consulting Srl di Napoli. «Utilizzo del GIS per il monitoraggio frane e utilizzo del dato LIDAR come strumento per la gestione del dissesto idrogeologico» Castello Baronale De Gualtieriis - Piazza Castello, 73020 Castrignano dei Greci (LE) ____________________________________________________________________________________________________________
- 2. Sommario • Piano di Telerilevamento Ambientale (PST-A): aspetti normativi e obiettivi • Topologia di dati: dati LiDAR e dati Interferometrici • L’interferometria nel PST-A: dati ERS e ENVISAT • Dati ERS e ENVISAT: esempi di applicazione • Estensione del PST-A con COSMO-SkyMed • Dati COSMO-SkyMed: esempi di applicazione • Geoportale Nazionale: accesso ai dati Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 2
- 3. Il Piano di Telerilevamento Ambientale • La legge 179 del 31 luglio 2002 art. 27 istituisce il Piano Straordinario di Telerilevamento Ambientale (PST-A) come Accordo di Programma tra Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM), Presidenza del Consiglio dei Ministri - Dipartimento della Protezione Civile e Ministero della Difesa d’intesa con le Regioni e le Province Autonome • La legge 244 del 24 dicembre 2007 art. 327, al fine di verificare e monitorare le aree ad elevato rischio idrogeologico e consentire la raccolta di dati ambientali, autorizza il MATTM a stipulare accordi di programma con Amministrazioni centrali e periferiche per l’estensione del PST-A, rendendo il MATTM punto di riferimento e di accesso per le cartografie e le informazioni ambientali e istituisce il Piano Ordinario di Telerilevamento Ambientale (POT-A) Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 3
- 4. Obiettivi del PST-A • Realizzazione e aggiornamento di un’ampia base dati ad altissima risoluzione, LIDAR e Interferometrici, che copre l’intero territorio nazionale a supporto dei processi decisionali riguardanti l’ambiente e il territorio, in particolare il dissesto idrogeologico • Identificazione di metodologie di analisi comuni, utili alla realizzazione di strumenti condivisi e finalizzati alla produzione di risultati confrontabili • Integrazione di dati acquisiti attraverso piani mirati di telerilevamento e banche dati già realizzate o in corso di realizzazione da parte di altre Pubbliche Amministrazioni centrali o locali • Fruibilità e condivisione dei dati, tramite il Geoportale Nazionale (GN), a tutto il comparto della Pubblica Amministrazione Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 4
- 5. Dati interferometrici • La tecnica persistent scatterer interferometry è in grado di fornire misure di spostamento su un insieme di punti al suolo che mantengono la loro firma radar stabile nel tempo • Tali punti nominati PS sono sparsi e corrispondono solitamente a strutture, edifici, rocce esposte, terreno nudo ecc.: lo spostamento è misurato lungo la linea di vista del sensore • Il progetto, unico a livello internazionale, prevede l’acquisizione a scala nazionale di dati prodotti da telerilevamento con tecnica interferometrica e la conseguente catalogazione nella banca dati del Geoportale Nazionale • Ad oggi, sono disponibili circa 15.000 immagini ERS-1 ed ERS-2 (Earth Resources Satellite) ed ENVISAT (ENVIronmental SATellite) in geometria ascendente e discendente relative al periodo 1992-2010, per una copertura totale del territorio italiano (circa 300.000 kmq ) • Il Piano PST-A 2008 ha consentito l’elaborazione con tecnica interferometrica tipo PSP-DIFSAR dei dati ERS e ENVISAT relativi al periodo 1992-2008, rendendo disponibili sull’intero territorio italiano misure di spostamento del terreno con tecnica Persistent Scatterer • Con l’estensione PST-A 2009, mutuato al POT-A, è terminato il processamento delle misure dei dati ENVISAT inerenti al periodo 29 novembre 2008 - 31 luglio 2010 Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 5
- 6. ERS (1992-2000) Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 6 ERS Ascendente Velocità media (mm/anno) < -9.0 -9.0 - -7.0 -5.0 - -3.0 -3.0 - -1.0 -1.0 - 10 1.0 - 3.0 5.0 - 7.0 > 7.0 -7.0 - -5.0 3.0 - 5.0 ERS Discendente
- 7. ENVISAT (2003-2010) Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 7 ENVISAT Ascendente < -9.0 -5.0 - -3.0 -3.0 - -1.0 1.0 - 3.0 5.0 - 7.0 Velocità media (mm/anno) -9.0 - -7.0 -1.0 - 10 > 7.0 -7.0 - -5.0 3.0 - 5.0 ENVISAT Discendente
- 8. Monitoraggio subsidenza con dati ENVISAT Emilia Romagna Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 8 -8.99 - -7.00 Velocità media (mm/anno) < -9.0 -4.99 - -3.00 -2.99 - -1.00 -0.99 - 1.00 1.01 - 3.00 3.01 - 5.00 5.01 - 7.00 > 7.0 -6.99 - -5.00 1992-2000 ERS ASC Estrazione acqua Estrazione gas Piattaforme offshore
- 9. Esempi di utilizzo PS da dati ERS e ENVISAT ROMA Centro-Nord Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 9 • Via Fabiola • Ponte Matteotti • Chiesa S. Lucia mm/anno
- 10. Esempi di utilizzo PS ROMA – Via Fabiola Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 10 v = 0 mm/anno Coherenza = 0,88 -30 -20 -10 0 10 20 29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03 Spostamento(mm) Data delle immagini PT 345 v = -20 mm/anno Coherenza = 0,98 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03Spostamento(mm) Data delle immagini PT 378 PT 345 PT 378
- 11. Esempi di utilizzo PS ROMA –Via Fabiola Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 11
- 12. Esempi di utilizzo PS ROMA – Chiesa di S.Lucia (Via Teulada) Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 12 PT 2274 PT 2190 v = -6 mm/anno Coherenza = 0,82 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03 Spostamento(mm) Data delle immagini PT 2274 v = - 4 mm/anno Coherenza = 0,88 -30 -20 -10 0 10 20 29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03 Spostamento(mm) Data delle immagini PT 2190
- 13. Esempi di utilizzo PS ROMA – Chiesa di S.Lucia (Via Teulada) Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 13
- 14. Esempi di utilizzo PS ROMA – Ponte Matteotti Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 14 v = -2 mm/anno Coherenza = 0,85 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 29/03/93 29/03/94 29/03/95 28/03/96 28/03/97 28/03/98 28/03/99 27/03/00 27/03/01 27/03/02 27/03/03 Spostamento(mm) Data delle immagini PT 543 PT 543
- 15. Esempi di utilizzo PS ROMA – Ponte Matteotti Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 15
- 16. Estensione del PST-A con COSMO-SkyMed • Il POT-A prevede l’aggiornamento della banca dati del Geoportale Nazionale attraverso la produzione di nuovi dataset ottenuti mediante elaborazione interferometrica di dati radar satellitari COSMO-SkyMed Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 16 ERS ENVISAT 1992 2003 2010 COSMO-SkyMed
- 17. Piano di copertura COSMO-SkyMed del territorio italiano • La X-band SAR ad alta risoluzione ha dimostrato essere molto efficace per la tecnica interferometrica persistent scatterer: – densità altissima dei PS (decine di migliaia per km2 in aree urbane) • misura degli spostamenti differenziali nella stessa struttura (es. edifici, ponti, dighe, ecc.) – elevata sensibilità agli spostamenti (breve lunghezza d’onda) • La costellazione COSMO-SkyMed, costituita da 4 satelliti, ha alcune capacità uniche: – ottimo tempo di rivisitazione (fino a 8 acquisizioni al mese con lo stesso angolo di puntamento) • misura dei movimenti veloci • lunghe serie di acquisizione in brevi periodi • elevate capacità di acquisizione (fino a 2.000 immagini al giorno) – copertura completa ogni 16 giorni, di grandi aree – angoli di vista selezionati per mettere in evidenza i movimenti del terreno (subsidenza, frane, ecc.) – localizzazione molto accurata dei PS Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 17
- 18. Piano di copertura COSMO-SkyMed del territorio italiano Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 18 Geometria ascendente Geometria discendente
- 19. Aree sperimentali COSMO-SkyMed Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 19 • Per valutare il miglioramento ottenibile con i nuovi dati, in termini di quantità e qualità dell’informazione, sono state selezionate tre aree campione sul territorio italiano • Le tre aree sono state scelte sulla base delle loro caratteristiche ed alla disponibilità di un archivi dati utile per l’elaborazione interferometrica – estensione pari a una scena standard di CSK, cioè 40 km x 40 km – includono tre capoluoghi di provincia: Venezia, Bologna e Palermo (area di Giacalone - Comune di Monreale, Comuni di Bolognetta e Misilmeri) • Sono state analizzate entrambe le geometrie di acquisizione (ascendente e discendente), in modo da avere la visione più completa possibile: l’utilizzo dei due punti di vista differenti è stato necessario per recuperare l’informazione di spostamento in almeno una geometria e caratterizzare meglio fenomeni franosi che presentano componenti del moto sia orizzontali sia verticali
- 20. Aree sperimentali COSMO-SkyMed SAIE - Bologna 18/10/2012 Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 20 • In considerazione delle differenze dei siti, per la valutazione dei risultati ottenuti sono stati utilizzati differenti approcci: – per Venezia e Bologna, che si trovano in aree pianeggianti, la principale causa di movimenti è attribuibile a subsidenza (naturale o indotta da attività antropiche) • sono state effettuate misure topografiche di precisione basate su sistemi Global Navigation Satellite Systems (GNSS) • aggiornamento di tali misure e confronto con quelle ottenute tramite persistent scatterer interferometry – Per Palermo, dove le principali cause di movimento del terreno sono dovute a fenomeni franosi • analisi geologica • ricerca di evidenze in campo
- 21. Area test COSMO-SkyMed - Bologna • Anni ‘90 realizzazione di uno specifico servizio di controllo del fenomeno, utilizzando dati di livellazione • Anni 2000 utilizzo anche dati radar interferometrici e GNSS • Pianificazione di una serie di rilievi GNSS sull’area di Bologna su una superficie di circa 165 km2 • Distribuzione spaziale delle due reti GNSS – etichette gialle rete comunale – etichette rosse rete regionale • Il nucleo urbano della città di Bologna giace sulla conoide alluvionale del fiume Reno, principale fonte di approvvigionamento idrico per la provincia bolognese • I prelievi sotterranei, superando le capacità di ricarica della falda, comportano un progressivo abbassamento della pressione piezometrica, che si manifesta in superficie con la subsidenza del suolo SAIE - Bologna 18/10/2012 Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 21
- 22. Area test COSMO-SkyMed - Palermo • L’area di Palermo è soggetta ad un continuo processo di modellamento, che interessa soprattutto – aree di affioramento dei complessi argillosi, con scorrimenti rotazionali, colamenti e frane complesse – aree di affioramento dei complessi carbonatici, con le caratteristiche frane di crollo/ribaltamento • L’analisi e la validazione delle elaborazioni di tipo interferometrico-differenziale con dati CSK si è basata su procedure geologico-applicative, al fine di fornire informazioni di dettaglio sulle potenzialità del sistema radar CSK nello studio dei movimenti del terreno nelle aree a rischio idrogeologico del territorio italiano • Verifica dei caratteri salienti della franosità (tipologia, stato di attività) di due aree campione ricadenti nei territori comunali di Bolognetta/Misilmeri e Monreale (Palermo) • Per l’analisi sono stati utilizzati: – dati vettoriali, inerenti la tipologia e lo stato di attività dei dissesti censiti ed aggiornati del vigente Piano Stralcio per l’Assetto Idrogeologico (PAI – anno di redazione: 2006) – cartografia del Progetto C.A.R.G disponibile tramite servizi WMS dal Portale del Servizio Geologico d'Italia – ortofoto, carta tecnica regionale e modello digitale del terreno tramite servizi WMS disponibili dal Portale della Regione Sicilia Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 22
- 23. Analisi interferometrica da dati COSMO-SkyMed • I dati ad alta risoluzione in banda X, acquisiti dalla costellazione CSK, hanno introdotto significative differenze rispetto ai dati delle precedenti missioni in banda C (ERS ed ENVISAT) in termini di densità di punti di misura e copertura delle aree monitorate • Tecniche di elaborazione per i dati ad alta risoluzione basate su due algoritmi all’avanguardia – Persistent Scatterer Pairs (PSP)-IFSAR – SqueeSAR™ • La posizione dei PS determinata a partire dai dati ERS, ENVISAT e CSK non corrispondono: – differenze fra i sensori in termini di lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica – polarizzazione – risoluzione – cambiamenti della scena osservata nei diversi periodi analizzati Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 23
- 24. Analisi interferometrica da dati COSMO-SkyMed • Passo del grigliato 50 m x 50 m per mantenere il massimo livello di dettaglio compatibilmente con la risoluzione dei dati in banda C (più scarsa) • Per ogni cella in corrispondenza delle aree di sovrapposizione fra i dati CSK ed ERS o ENVISAT si è valutato il numero di punti ricadenti all’interno per verificare sia la copertura del dato sia la densità dei punti di misura a terra • La maggiore risoluzione spaziale dei satelliti in banda X (3x3m) rispetto a quelli in banda C (20x5m) ha aumentato i punti di misura oltre un ordine di grandezza Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 24
- 25. Processamento dati COSMO-SkyMed Bologna • Immagini Cosmo-SkyMed (banda X) – 36 immagini acquisite dal in geometria ascendente Gennaio 2009 - Settembre 2011 con un tempo di rivisitazione medio di circa di 24 giorni – 40 immagini in geometria discendente Ottobre 2008 - Settembre 2011 con un tempo di rivisitazione medio di circa di 24 giorni – dati elaborati con tecnica PSPIFSAR • Immagini ENVISAT (banda C) Agosto 2004 - Luglio 2010 periodo di rivisita medio di 60 giorni • Immagini ERS (banda C) Aprile 1992 - Novembre 2000 periodo di rivisita di 40 giorni Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 25 Satellite Geometria Numero PS Numero celle con almeno un PS Copertura (km2) ENVISAT ASC 49755 36567 91.42 CSK ASC 451650 97131 242.83 ERS DESC 49333 36388 90.97 ENVISAT DESC 159116 45340 113.35 CSK DESC 417949 88194 220.49
- 26. Confronto copertura spaziale - Bologna Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 26 • Le aree fortemente urbanizzate sono ben coperte con i dati in banda X (CSK) e in banda C (ENVISAT-ERS) • La maggior risoluzione del dato CSK favorisce l’aumento del numero di punti anche nelle aree rurali o a minor densità urbanistica • Il numero dei punti lungo le infrastrutture lineari, come ad esempio l’autostrada Adriatica, è aumentato utilizzando il dato CSK • Solo poche aree mostrano una perdita di punti rispetto all’elaborazione ENVISAT ed ERS CSK - ERS (discendente) Cella persa Cella presente in entrambe i dataset Cella guadagnata
- 27. Confronto copertura spaziale - Bologna • I dati della costellazione CSK possono caratterizzare nel dettaglio i fenomeni osservati arrivando a poter analizzare la stabilità di singoli edifici, infrastrutture sensibili come viadotti, ferrovie ecc. Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 27 Tratto autostradale a Nord di Bologna (Bo) • CSK discendente • ENVISAT ascendente • CSK discendente • ERS discendente • CSK ascendente • ENVISAT ascendente Stazione centrale di Bologna
- 28. Confronto copertura spaziale - Bologna • Dettaglio della stazione ferroviaria di Bologna – sinistra: dati ERS discendenti (79 immagini acquisite nel periodo aprile 1992- novembre 2000) – destra: dati CSK discendenti (40 immagini acquisite tra il settembre 2008 ed il febbraio 2011) Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 28 Velocità media annua lungo la LOS (Line Of Sight)
- 29. Comparazione e validazione risultati – Bologna • I dati di spostamento del terreno, ottenuti con tecnica PSI applicata ai dati CSK sono stati confrontati con misure da sistemi GNSS • Tra i vertici disponibili sono stati scelti quelli che rispondevano a determinate caratteristiche tra cui, ad esempio, possibili limitazioni alla visibilità del cielo a causa di oggetti circostanti Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 29 • I vertici selezionati, 24, sono stati sottoposti a nuove rilevazioni • Nell’elaborazione delle baselines sono state utilizzate anche le osservazioni acquisite in contemporanea da alcune stazioni permanenti (SP) operanti all'interno o in prossimità delle aree oggetto dei rilievi (distanza max. 10-11 km) – dati in formato RINEX (Receiver INdipendent Exchange format) delle SP BOLG (rete europea EUREF) e BOLO (rete nazionale Italpos di Leica spa)
- 30. Comparazione e validazione risultati – Bologna • Per la comparazione dei risultati è stato necessario omogeneizzare i dati perché: – lo spostamento dei PS è misurato lungo la linea di vista del sensore mentre le misure di posizionamento con sistemi GNSS forniscono le tre componenti (nord, est, quota) – i vertici della rete non corrispondono a punti PS – i periodi di tempo cui si riferiscono le misure sono parzialmente sovrapposti, ma non coincidenti • Le quantità confrontate sono le velocità medie proiettate lungo la linea di vista (Line of Sight - LOS) del SAR – per ciascun vertice GNSS è stata calcolata la velocità media di spostamento a terra secondo le tre direzioni nello spazio (vN, vE, vh) – per ciascun vertice GNSS sono stati selezionati i PS ricadenti in un intorno circolare centrato sulla posizione del vertice stesso con raggio di ricerca di 50 m o 100 m in base alla densità dei PS circostanti, in modo tale da selezionare sempre almeno 10 PS – per ciascuno dei clusters (gruppi) di PS individuati è stata calcolata la mediana della velocità, poi attribuita ad un PS “fittizio” coincidente con la posizione del vertice GNSS • Le componenti delle velocità di spostamento calcolate per ciascun vertice GNSS lungo le tre direzioni spaziali (vN, vE, vh) sono state proiettate lungo la direzione del SAR, utilizzando i valori dei coseni direttori • Per ciascun vertice GNSS le tre proiezioni delle componenti della velocità di spostamento sono state infine sommate algebricamente tra loro Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 30
- 31. Comparazione e validazione risultati – Bologna Nuove Tecnologie per il Monitoraggio Geotecnico-Strutturale Il Piano di Telerilevamento Ambientale 31 • Confronto fra le misure di velocità media ottenute tramite sistema
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