RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Analisi e mitigazione del rischio indotto da movimenti rapidi di versante.

Università di riferimento

Università degli Studi di PARMA - INGEGNERIA CIVILE, DELL'AMBIENTE, DEL TERRITORIO E ARCHITETTURA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gianpaolo Giani

Descrizione

Lo studio dei movimenti rapidi e la valutazione della loro propagazione richiede la stima dei volumi che possono distaccarsi dalle pareti rocciose e del materiale detritico depositato alla base di esse. Infatti il distacco dei blocchi dalle pareti può generare il fenomeno della caduta massi, mentre il materiale detritico depositato può evolvere in fenomeni di colate detritiche. Il rilievo delle pareti e la stima dei volumi del materiale depositato può essere eseguito tramite l’analisi di immagini digitali o di acquisizioni laser scanner abbinati ad immagini fotografiche. Tali metodi di rilievi, infatti, permettono la messa a punto di modelli digitali del terreno (DTM) associati ad immagini fotografiche che possono essere trattati con appositi programmi in parte già sviluppati dall’unità di ricerca di Parma (Ferrero et al., 2006 - Roncella & Forlani, 2007) ed ulteriormente sviluppabili nell’ambito della presente ricerca. Per il rilievo di campagna le tecniche applicabili sono di due tipi: la prima è basata sulla fotogrammetria e la seconda sull’impiego della tecnica laser scanner. A seguire sono riportate brevi descrizioni delle due tecniche nonché alcune osservazioni circa il loro impiego nel campo geomeccanico. La fotogrammetria fornisce le coordinate 3D di punti tramite due o più immagini (cioè immagini dello stesso oggetto da differenti punti di presa) di precisione nota. La precisione delle coordinate misurate dipende da numerosi fattori che debbono essere definiti nella progettazione del rilievo fotogrammetrico composto di tre fasi: calibrazione della camera, orientazione delle immagini e restituzione dell’oggetto. La calibrazione della camera deve essere ripetuta periodicamente e definisce, in laboratorio, i parametri relativi alle lenti e dell’orientazione interna della camera. I parametri di orientazione esterna dell’immagine (cioè la posizione della camera in relazione al sistema di riferimento dell’oggetto ad ogni presa) sono calcolati indirettamente misurando le coordinate delle immagini in relazione a coordinate note dell’oggetto (GCP, Ground Control Points), misurate, ad esempio, tramite una stazione totale. Per una singola coppia di immagini sono sufficienti 4 GCP per garantire una buona accuratezza nel rilievo di una parete rocciosa di grande dimensioni. Mentre quando dobbiamo orientare numerose immagini la loro sovrapposizione permette una significativa riduzione di punti GCP necessari per orientare l’immagine con sufficiente precisione (Kraus, 1993). L’utilizzo di tecniche di analisi dell’immagine e di Structure from Motion (Roncella et al., 2005; Birch 2006) permette infatti l’individuazione automatica di punti omologhi sulle immagini sovrapposte e quindi l’orientazione dell’immagine può essere ottenuta senza il supporto di misure effettuate manualmente. I parametri di orientamento possono anche essere ottenuti rendendo solidali alla camera di presa, un ricevitore GPS (Global Positioning System) integrato ad un sistema inerziale IMU (Inertial Measurement Unit) (Vallet et al. 2000): in questo caso non è necessaria la misura di punti GCP. E’ utile sottolineare che l’orientamento tramite GPS è possibile solo quando il segnale del satellite è costantemente disponibile durante l’esecuzione del rilievo, cosa che non sempre è vera in determinate circostanze, quando ad esempio il segnale è schermato dalla presenza di vegetazione di alto fusto o dalle stesse pareti rocciose (si può migliorare l’Italiano?). Quando la camera è stata opportunamente calibrata e l’immagine orientata, la precisione dell’immagine dipende dai seguenti fattori:
• Allineamento tra la direzione di presa è linea perpendicolare all’oggetto (dipende dal rapporto tra la distanza delle posizioni di presa e la distanza tra la camera e l’oggetto);
• La scala dell’immagine (cioè il rapporto tra la lunghezza focale della camera e la distanza camera oggetto);
• La precisione di misura dell’immagine (con immagini digitali normalmente varia tra 0.2 e 1 pixel).
La restituzione può avvenire manualmente o automaticamente. La restituzione manuale è fortemente condizionata dall’abilità dell’operatore nel selezionare un minimo numero di punti necessari per l’individuazione della discontinuità, la restituzione automatica dipende dall’affidabilità degli algoritmi utilizzati (Grün, 1985) che possono calcolare diverse migliaia di punti in pochi secondi ma debbono saper trattare opportunamente la presenza di outliner e identificare i piani presenti nella nuvola di punti. La precisione del metodo automatico può essere migliorata usando l’analisi contemporanea di numerose immagini (Grün and Baltsavias, 1988). Il LIDAR (LIght Detection And Ranging) costituisce una fonte di acquisizione di dati per la messa a punto del DTM. Può operare da terra, da aereo o da elicottero, purché opportunamente integrato con un sistema di navigazione. I principali componenti del LIDAR sono un emettitore laser e un meccanismo di scannerizzazione. Per distanze limitate (fino a 50-100 m) il laser opera utilizzando differenze di fase; per distanze maggiori il sistema è meno accurato e opera utilizzando un sistema a impulsi (tempo di volo). Nella maggior parte dei casi, negli scanner terrestri la scannerizzazione si ottiene tramite una testa ed uno specchio rotanti montati su assi ortogonali. La precisione diminuisce con la distanza e con la riflettività dell’oggetto a causa di fenomeni di divergenza (pari a circa 2-2.5 mrad) e dell’apertura dell’ottica infatti il laser è dotato di un disco ad apertura variabile (fino a pochi cm) e la misura ottenuta è in realtà un valore mediato tra i valori ottenuti; angoli incidenti elevati rispetto alla normale causano infatti una tendenza alla deformazione del disco ed ad una aumento dell’errore di misura. Le coordinate misurate fanno riferimento ad un sistema di riferimento dello strumento quindi è necessario conoscere ulteriori punti di riferimento per poter effettuare la trasformazione ad un diverso sistema di riferimento generale. Se la parete rocciosa è di grandi dimensioni o se si vogliono evitare occlusioni è necessario effettuare numerose scansioni che necessitano di un comune sistema di riferimento per poter essere collegate. A questo scopo si può procedere registrando punti di appoggio (procedura accurata ed affidabile) oppure tramite l’analisi delle immagini (procedura automatica, ma meno affidabile). Il laser scanner, aviotrasportato, determina la posizione di punti con una precisione pari a 10÷20 cm per la quota e di 15÷50 cm in orizzontale in rapporto all’altezza di volo e dalle caratteristiche del territorio. I componenti principali di un laser scanner avio trasportato sono ancora un emettitore laser ed un sistema GPS/IMU. In corrispondenza dell’emissione di un impulso, la posizione del sensore e il suo assetto sono interpolati permettendo di calcolare le coordinate 3D dell’impulso di ritorno. Il sistema può funzionare da elicottero o da aereo. Per l’applicazione corrente il laser scanner aviotrasportato non rappresenta ancora un’alternativa valida al laser terrestre o alla fotogrammetria in quanto la sua dipendenza dall’accuratezza del GPS/IMU non permette di raggiungere precisioni superiori ai 10÷20 cm. Per strutture di grandi dimensioni questa precisione può essere accettabile, anche se in ogni caso si deve anche evidenziare che volare in valli strette o a bassa quota determina spesso difficoltà nell’incrociare i segnali GPS dei satelliti, determinando risultati poco affidabili. La metodologia di restituzione proposta è essenzialmente geometrica e dunque indipendente dalla particolare tecnologia utilizzata per acquisire la nuvola di punti (fotogrammetria o laser scanner). Ad ogni modo, si ritiene che il metodo migliore per un particolare rilievo sia dato da un confronto soddisfacente dei due metodi; tutto ciò è tra gli obbiettivi del presente programma di ricerca, anche se iniziali indicazioni sono state dedotte da alcuni siti campione già analizzati. Entrambe le tecniche, dal punto di vista della metrologia, sono praticamente equivalenti a condizione che sia stabilito a priori un appropriato piano di rilievo. La tecnologia laser scanner appare più semplice e fornisce un approccio più diretto quando l’accessibilità dei dintorni della parete rocciosa non è un problema. Dal momento che usa un sensore attivo (le coordinate 3d dei punti sono misurate direttamente dallo scanner) è meno soggetto alla mancanza di tessitura della roccia o a condizioni di illuminazione non ideali rispetto alla fotogrammetria. Il suo uso (in particolare per stazioni singole) richiede un po’ meno esperienza e sensibilità dell’operatore. La fotogrammetria richiede sempre almeno due viste diverse della parete con un’appropriata lunghezza della base per garantire una precisione accettabile. Allo stesso modo, se esistono differenze prospettiche notevoli tra le immagini (le direzioni di presa sono molto diverse) la procedura automatica di correlazione per ottenere il DTM potrebbe non garantire risultati accurati. D’altra parte, la fotogrammetria pare essere una scelta migliore quando subentrano problemi di accessibilità: la strumentazione è molto più leggera e maneggevole di quella del laser scanner. Equipaggiare un elicottero o un piccolo aereoplano per realizzare delle riprese su scala regionale è più semplice e meno costoso ricorrendo al metodo fotogrammetrico al posto di quello laser scanner. Il laser scanner è inoltre ancora molto costoso: anche se i costi delle apparecchiature diverranno via via più bassi, la fotogrammetria appare essere la tecnologia che meglio si adatta alla economicità dei rilievi. Inoltre il rilievo laser scanner deve sempre essere accoppiato a delle fotografie orientate del fronte, al fine di consentire l’interpretazione geomeccanica del rilievo e l’individuazione delle discontinuità, che risultano più facili su un’immagine che su di un DTM. Una stretta integrazione delle due tecniche, ove possibile, appare ad oggi la migliore soluzione, dal momento che i due approcci presentano vantaggi complementari. Quando una tale integrazione non è possibile, un attento progetto del rilievo è determinate per assicurare l’economicità e l’accuratezza delle misure. Tornando alle problematiche geomeccaniche, l’analisi delle immagini delle pareti rocciose permetterebbe la determinazione dei piani di discontinuità presenti, dell’inclinazione, della direzione di immersione e della loro ubicazione, mentre l’analisi delle immagini di depositi detritici permette la stima dei volumi depositati e della distribuzione granulometrica dei materiali costituenti il deposito detritico. Queste informazioni sono indispensabili per la modellazione di ammassi rocciosi per lo studio della stabilità delle pareti e per la modellazione della fase di propagazione delle colate di detrito.
Nella modellazione di ammassi rocciosi fratturati si possono distinguere due fasi: la modellazione geometrica e la modellazione meccanica. L’affidabilità di una simulazione del comportamento meccanico del mezzo fratturato dipende dalla precisione con cui viene definito l’ammasso roccioso; pertanto la modellazione meccanica dipende dai risultati della modellazione geometrica. Il rilievo geomeccanico può essere eseguito su fronti di roccia naturali ed artificiali o all’interno di fori di sondaggio se essi sono disponibili. Le proprietà delle discontinuità che necessitano di essere misurate comprendono orientazione, lunghezza, spaziatura, rugosità, persistenza, apertura, riempimento e terminazione (Priest, 1993). I rilievi tradizionali sono realizzati direttamente con l’ausilio di bussole geologiche; in molti casi essi possono essere difficoltosi poiché le discontinuità ed i fronti di roccia non sono facilmente accessibili o le loro dimensioni sono troppo estese o gli ammassi rocciosi sono talmente fratturati e a rischio di crolli da determinare l’impossibilità dell’avvicinamento degli operatori.
Inoltre, per una corretta modellazione di un ammasso roccioso fratturato, sebbene sia indispensabile disporre, oltre che di un rilievo topografico del versante, di un rilievo strutturale esaustivo eseguito in modo accurato, l’aspetto più rilevante è la sua corretta interpretazione. E’ fondamentale infatti capire come interagiscono tra di loro le caratteristiche strutturali rilevate e quali siano importanti dal punto di vista del comportamento meccanico globale dell’ammasso roccioso. Il modello geometrico al quale ci si riferisce è quello proposto da Heliot (1988), che descrive l’ammasso roccioso sotto forma di insieme di blocchi osservando che le relazioni tra i sistemi di discontinuità comportano ad esempio l'interruzione di alcune fratture in corrispondenza di altre oppure spostamenti relativi tra strutture e sono molto importanti dal punto di vista del comportamento meccanico d'insieme dell'ammasso. Tali relazioni traducono il sopraggiungere di una successione di fenomeni di rottura: i primi creano di solito uno o più sistemi di discontinuità, mentre i secondi si limitano in genere ad agire su fratture preesistenti.
Nell’ambito di questa ricerca l’Unità di Parma si propone l’obbiettivo di automatizzare quanto più possibile il processo di interpretazione del rilievo geomeccanico e di trasformare lo stesso in modello geometrico-strutturale dell’ammasso. Tale obbiettivo sarà perseguito dapprima attraverso l’automazione della restituzione fotogrammetrica e del rilievo geomeccanico da essa conseguente. Successivamente, l’applicazione di tecniche automatiche avanzate di analisi di stabilità, essenzialmente basate sul metodo del blocco chiave (key block theory, Shi …..) e sul metodo B.S.A (Block Stability Analysis, Héliot [1988]). Tale programma, partendo dalle condizioni geometriche ottenute dall’insieme di blocchi, fornisce delle indicazioni a riguardo della stabilità di ogni singolo blocco creato dalle intersezioni delle discontinuità (o dalle opere di scavo) che abbia almeno una faccia libera. L’algoritmo impiegato da questo software si basa sul metodo di Warburton, e viene applicato ad ogni blocco considerato instabile. B.S.A. effettua l’analisi di stabilità dei blocchi che ritiene instabili sfruttando l’equazione dell’equilibrio limite; per “default” considera come blocchi da analizzare tutti quelli che hanno almeno una faccia libera. Al completamento di questa ricerca, il collegamento diretto tra la fase di rilievo e quella di analisi consentirà la definizione immediata delle zone dell’ammasso che risultano possedere il minore fattore di sicurezza nei riguardi della stabilità globale e permetterà, inoltre, di definire direttamente le tipologie di instabilità che posseggono una maggior probabilità di verificarsi. Questi due aspetti, unitamente a quello della stima del volume delle porzioni potenzialmente instabili, forniscono la base per la definizione dei livelli di pericolosità del versante analizzato. Analogamente la definizione delle volumetrie e pezzature dei materiali accumulati sulle porzioni elevate dei versanti rappresentano un elemento determinante ai fini dell’analisi della propagazione dei fenomeni di colata rapida, oggetto dello studio di una dell’Unità Operativa del DITAG di Torino. Infine, la seconda Unità operativa di Torino, combinerà i diversi studi quantitativamente per la determinazione della pericolosità indotta da queste particolari tipologie di fenomeno franoso. Riassumendo, l’attività dell’Unità operativa di Parma si comporrà delle seguenti fasi:
• Rilievo delle pareti rocciose e dei depositi detritici di versante con tecniche fotogrammetriche e/o laser scanner;
• Sviluppo ed analisi di codici numerici per il rilievo geostrutturale delle pareti rocciose e per la stima delle volumetrie e granulometrie dei depositi detritici;
• Applicazione delle metodologie sviluppate a siti campione posti in alta montagna e confronto con rilievi tradizionali;
• Ricostruzione geometrica degli ammassi rocciosi e valutazione delle condizioni di stabilità.