Analisi di un caso di studio Università degli Studi di Salerno Dipartimento di Ingegneria Civile Laurea Magistrale in Ingegneria per l’Ambiente ed il Territorio Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-2015 ESERCITAZIONE n° 6 Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese Docente: Prof. Ing. Michele Calvello Studente: Porfido Luca Matr: 0622500158

INTRODUZIONE ALLA PROBLEMATICA AFFRONTATA Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese INTRODUZIONE ALLA PROBLEMATICA AFFRONTATA Il seguente lavoro consiste in un’analisi critica di un caso studio descritto nell’articolo intitolato : “Mappatura rapida di un evento franoso: la frana di Montescaglioso del 3 dicembre 2013, Italia”, Autori A. Manconi et al Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca pubblicato il 25 luglio 2014 sulla rivista scientifica NHESS (Natural Hazards and Earth System Sciences)

AMBITO TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese AMBITO TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO L’articolo tratta dell’utilizzo di dati satellitari SAR per ottenere una mappatura veloce di un evento franoso. SAR è l'abbreviazione di Synthetic Aperture Radar (Radar ad Apertura Sintetica). Si tratta di una speciale tecnica radar che consente di ottenere immagini ad alta risoluzione da grande distanza, ad esempio dallo spazio. Il radar invia impulsi verso la scena osservata, registra il segnale retrodiffuso e deriva l’informazione sulla distanza dei diversi bersagli al suolo nella scena dal calcolo del ritardo temporale tra segnale inviato ed eco ricevuto . (Curlander & McDonough, 1991) Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca

AMBITO TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese AMBITO TECNOLOGICO DI RIFERIMENTO Un evoluzione della tecnica SAR è rappresentata dall’Interferometria Differenziale SAR (DInSAR), una tecnica avanzata in cui si fanno “interferire” due immagini acquisite da posizioni leggermente differenti (baseline spaziale) in tempi diversi (baseline temporale) per ottenere immagini 2D della superficie terreste misurandone anche la topografia1. Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Se, nel tempo di rivisitazione il sensore, per uno stesso bersaglio, misura un variazione rispetto a prima nel segnale vuol dire che è avvenuta una certa deformazione al suolo che, a seconda della sua intensità verrà rappresentata su una mappa con dei pixel colorati con gradazioni che vanno dal rosso (allontanamenti) al blu (avvicinamenti) 1(Massonnet et al. 1995)

ILLUSTRAZIONE DEL CASO DI STUDIO Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ILLUSTRAZIONE DEL CASO DI STUDIO Il caso di studio presentato nell’articolo oggetto di analisi è quello di grande frana che ha colpito il comune di Montescaglioso, in provincia di Matera (Basilicata), il 3 dicembre 2013 che ha causato la distruzione una strada principale e ha coinvolto alcuni magazzini un supermercato alcune case private Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca La causa innescante del fenomeno analizzato è da ricondurre alla forte pioggia. Nel breve arco di tempo di due mesi, il valore di pioggia cumulata, a seguito di due eventi molto gravosi, ha superato il 70% della precipitazione media annua La frana è stata classificata come rapida2, e sono stati stimati vari parametri come la velocità media (0,5- 1 m/min) la lunghezza dell’asta principale, l’area di frana ecc ecc. 2(classifica di Cruden e Varnes , 1996)

Analisi geomorfologica iniziale Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI MAPPATURA INIZIALE In primo luogo, il lavoro scientifico sviluppato dagli autori si è concentrato nel soddisfare la richiesta del Dipartimento della Protezione Civile Nazionale (DPC), che consisteva nella preparazione: di una mappa inventario preliminare della frana di una caratterizzazione della nuova frana di Montescaglioso nel contesto delle frane preesistenti nell'area di studio Interpretazione visiva di sette serie di 30 fotografie aeree stereoscopiche, in bianco e nero, scattate dal 1947 al 2003 , ottenute dal catalogo on-line di fotografie aeree3 Analisi geomorfologica iniziale Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Dopo averle stampate e ingrandite, le foto sono state analizzate con uno specchio a "doppia visione stereoscopica " (Guzzetti et al. , 2012) 3Istituto Geografico Militare Italiano ( IGMI, http://www.igmi.org/voli/ )

con il tratto nero numerose e più piccole scarpate di frana; Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI MAPPATURA INIZIALE Il risultato ottenuto è mostrato nella seguente immagine dov’è possibile individuare: In verde una frana grande e molto antica , in gran parte soggetta a processi di erosione ; In viola scuro un numero di più piccole e più recenti frane , principalmente scorrimenti traslazionali e flussi, con le relative masse spostate in viola più chiaro ; con il tratto nero numerose e più piccole scarpate di frana; Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca con il contorno arancione la nuova frana del 3 dicembre 2013.

Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI MAPPATURA INIZIALE Gli autori hanno effettuato anche indagini sul campo, integrate ad analisi visiva di fotografie terresti post-evento e fotografie scattate durante voli in elicottero con l’obiettivo di valutare le conseguenze principali della frana del 3 dicembre 2013 compilando una mappa della deformazioni superficiali della zona frana Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca 4(Parise , 2003 , e riferimenti)

31 scattate (orbita ascendente) (periodo 30/1/2012 - 18/12/2013) Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR Dopo la prima fase di monitoraggio e rilievo con tecniche “tradizionali”, principalmente visive e di campo, gli autori sono passati ad utilizzare tecniche di telerilevamento con immagini satellitari Il lavoro è stato svolto su una serie d’immagini CSK5 , messe a disposizione dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI),di cui: 31 scattate (orbita ascendente) (periodo 30/1/2012 - 18/12/2013) 12 scattate (orbita discendente) (periodo 21/3/2012 - 12/12/2013) Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca In ognuno dei due insiemi d’ immagini era presente un‘ immagine post- evento. 5(Satellite COSMO-SkyMed)

Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR Il passaggio successivo è stato quello di effettuare una tradizionale analisi DInSAR che ha prodotto risultati insoddisfacenti per gli autori, che hanno individuato nell’eccessiva frangia di rumore, legata al modello di rapido movimento deformativo della frana, la causa principale di questo scarso risultato. Area della frana Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca La coerenza spaziale non è conservata a causa dell’entità degli spostamenti superficiali, con conseguente perdita completa di coerenza del segnale in DInSAR nelle zone colpite da più grandi deformazioni.

Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR A questo punto è stata applicata la la tecnica “Pixel Offset” (PO) alle coppie di immagini pre e post-evento, ascendenti e discendenti, caratterizzate dal minimo valore di baseline spaziale ( rispettivamente 155m e 40m). Per queste coppie di dati , è stato sfruttato il software ROI_PAC6, prendendo in considerazione una finestra corrispondente a 64 × 64 pixel ed è stata eseguita la tecnica PO applicando, inoltre, un filtro di pulizia spaziale per ridurre disturbi ad alta frequenza. Combinando le misure PO ottenute sfruttando le orbite ascendenti e discendenti CSK, gli autori sono riusciti a determinare il modello di deformazione tridimensionale della frana. Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca 6(Rosen et al. , 2004) )

Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR Tramite controllo visivo, gli autori hanno determinato che gli spostamenti di terra hanno: Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca una componente dominante SSW, con valori superiori a 10 m per gran parte della zona di deposito, e localmente anche superiori a 20 m; Valori di subsidenza significativa nelle zone colpite dai danni più grandi; è stato rilevato un sollevamento isolato di 5m vicino alla zona di accumulo. Sono state identificate anche due grandi scarpate di frana ( una nella zona del supermercato e l’atra vicino allo spartiacque).

Il campo di deformazione mostra due direzioni principali di movimento: Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI - FASE DI UTILIZZO DELLE TECNICHE SAR Utilizzando il metodo © 3DA7 è stata redatta la mappa 3D della deformazione superficiale. I colori mostrano la grandezza del campo di deformazione 3D e le frecce indicano la direzione di movimento (versori) derivata dall'analisi PO nel piano E-W e N-S . Il campo di deformazione mostra due direzioni principali di movimento: una direzione SSW dominante causata dalla frana principale; una direzione SSE secondaria causata da una frana parassitaria , sanciti dal l'ellisse blu tratteggiata Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca 7(Allasia et al. , 2013)

MONITORAGGIO PROGRAMMAZIONE Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI L’obiettivo del seguente elaborato è quello di effettuare un’analisi critica del lavoro appena descritto, con particolare riferimento ai dati di monitoraggio. Ricordiamo che per monitoraggio s’intende: “La tecnica di rilevazione periodica e sistematica, mediante appositi strumenti, allo scopo di controllare, in modo assiduo, ravvicinato e analitico la situazione o l'andamento di un fenomeno o di sistemi anche complessi” MONITORAGGIO PROGRAMMAZIONE In certi contesti la programmazione è la prima fase ed essere avviata, eventualmente corretta con i primi monitoraggi; in altri contesti la prima fase ad essere avviata è il monitoraggio, che serve a costituire il primo, a volte unico, panorama di riferimento in cui rilevare i dati significativi sul contesto interessato per poi avviare la programmazione. Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Questo caso studio ricade proprio nella seconda categoria di contesti ed è stato scelto per: l’interessante tecnica innovativa utilizzata le enormi potenzialità di applicabilità di tale tecnica, integrata eventualmente con altre innovative o classiche, ad altri casi di fenomeni franosi analoghi e non, e allo studio dell’evoluzione tridimensionale di un singolo evento.

ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI La tecnica "pixel offset" (PO), che fornisce la geometria tridimensionale degli spostamenti del terreno, permette, come dimostrato, di sopperire ai limiti della tecnica DInSAR; Limiti della tecnica DInSAR applicata alle immagini dei satelliti ERS-1/2 dell’ESA La banda C in cui operavano, incapace di penetrare la coltre vegetata quindi inutilizzabile in aree densamente ricche di piante, Tempi di rivisitazione (35 giorni) che consentivano di ricavare informazioni solo su fenomeni da estremamente lenti a molto lenti Necessità di versanti caratterizzati da pendenze tali da garantire una buona visibilità rispetto alla particolare geometria di acquisizione del sensore Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Limiti della tecnica DInSAR applicata alle immagini dei satelliti COSMO-SkyMed Nonostante si sia passati all’utilizzo delle immagini CSK (satelliti operanti in banda X e non più in banda C, tempi di rivisitazione da 35 a 8 giorni) alcuni limiti di questa tecnica sono comunque rimasti, almeno per quanto riguarda lo studio dei fenomeni a cinematica rapida. 8(Cascini et al 2007)

ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI La tecnica PO mostrata nell’articolo ha beneficiato, sicuramente, della prima fase di ricostruzione storica dell’evoluzione dell’intero versante con la determinazione del contesto delle frane preesistenti in cui era inserita la nuova frana; Questa operazione effettuata con molta cura e precisione ed è stata ben spiegata e illustrata dagli autori. Indubbiamente una conoscenza così puntuale della situazione antecedente al fenomeno ha dato maggiore consapevolezza della bontà e della credibilità dei risultati ottenuti essendo quest’ultimi in accordo con le grandezze e i meccanismi di deformazione riconosciuti e mappati in campo con metodi “classici”. Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Durante la lettura dell’articolo è evidente l’enfatizzazione da parte degli autori del fatto che: sfruttando la tecnica PO, le mappe di deformazione 3D sono state consegnate alle autorità di protezione civile meno di 24 ore dopo aver ricevuto le immagini SAR È la prima volta che è stato applicato questo approccio per la rapida mappatura dello spostamento superficiale 3D di frane a cinematica rapida; Dalle ricerche effettuate in letteratura questa seconda tesi non può essere smentita e quindi risulta potenzialmente vera 8(Cascini et al 2007)

? ma non ne chiariscono del tutto i limiti !!! Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Nel lavoro sviluppato dagli autori non appare però del tutto chiara una problematica importante. Essi individuano i due fattori principali, da cui dipende l'applicazione della tecnica PO: Disponibilità delle immagini SAR (che dipende dalla configurazione del satellite e al piano di acquisizione predefinita) Tempo di elaborazione della tecnica (di cui si fa un enorme vanto come estremamente rapido) ma non ne chiariscono del tutto i limiti !!! Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca ? la tecnica PO può essere sempre utilizzata per i casi in cui il risultato di una DInSAR sono insoddisfacenti oppure rappresenta la soluzione del solo caso in esame o dei casi analoghi ? Se la risposta è che non può essere utilizzata in tutti i casi, quali sono i vincoli nel suo utilizzo? Dipendono solo dalla baseline spaziale e/o temporale?

ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Una possibile soluzione per agire sulla disponibilità delle immagini SAR potrebbe essere quella di abbinare la tecnica PO a una tecnica che sfrutta dei diffusori permanenti (Permanent Scatterer, PSInSAR)9. È basata su l’individuazione, attraverso uno studio statistico delle immagini, di un insieme di punti particolarmente adatti alla stima dei movimenti del suolo in cui posizionare i PS . Si tratta di uno strumento di monitoraggio senza eguali per accuratezza, densità spaziale di punti di misura e competitività economica Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Soluzione alternativa, da abbinare sempre alla tecnica PO, potrebbe essere quella rappresentata dalla tecnica GB-SAR (Ground Based - Synthetic Aperture Radar) 10. Il GB-SAR è una tecnica di telerilevamento da terra e non richiede necessariamente l’accesso diretto al sito quindi risulta un’ottima tecnica da applicare nei casi in cui l’evento franoso abbia fortemente danneggiato o comunque compromesso le vie d’accesso all’area colpita 9 Tecnica messa a punto dal Dipartimento di Elettronica del Politecnico di Milano 10 Progetto europeo GALAHAD - Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni dell’Università di Firenze

ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese ANALISI CRITICA DEL LAVORO SCIENTIFICO SVILUPPATO DAGLI AUTORI Infine sarebbe stato interessante se gli autori avessero proposto o quantomeno avessero accennato alla possibilità di abbinare la tecnica utilizzata a metodi di previsione del collasso basati sulla misura degli spostamenti. Esistono in letteratura modelli empirici di previsione11 prevedono la velocità di spostamento futura estrapolando (secondo varie funzioni) i dati pregressi. C’è da dire però, che i pendii che evolvono verso la rottura possono comunque attraversare fasi di vita stazionarie in cui è impossibile prevedere se e quando il movimento diventerà accelerato in maniera tale da portare al collasso. Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca 11(Saito, 1965; Voight, 1988)

Localizzazione precisa l’evento e studio della sua evoluzione. Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese CONCLUSIONI La combinazione di una rapida cartografia geomorfologica, delle misure rapide di deformazione 3D e l'interpretazione combinata dei risultati ottenuti sfruttando i dati di telerilevamento, con metodi classici e nuovi (presentati in questo lavoro) è stato essenziale: per il sostegno delle autorità di protezione civile durante l'emergenza; per la progettazione della rete di monitoraggio topografico installato nella zona. Le nuove tecniche di misura eseguite a distanza, infatti, consentono di affrontare il problema conoscitivo per gradi; Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Approccio generale misure su vasta scala Individuazione area instabile e la sua interazione con le aree circostanti Approccio locale misure su vasta di dettaglio lo spessore, la velocità di movimento del corpo frana ecc. Localizzazione precisa l’evento e studio della sua evoluzione. Questo approccio metodologico consente di dimensionare un sistema di monitoraggio più puntuale e più efficiente, a volte anche più economico.

Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese CONCLUSIONI In questa logica, i dati SAR hanno un significativo vantaggio rispetto ad altre tecniche di telerilevamento (soprattutto rispetto a tecniche basate su dati ottici multispettrali) perché possono essere acquisiti in tutte le condizioni atmosferiche , durante il giorno e la notte. Per questi motivi la tecnica di mappatura rapida 3D proposta in quest’articolo potrebbe rientrare a pieno titolo nei sistemi avanzati di mappatura ed allerta presentati, lo scorso settembre12, dall'Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica (Irpi) del CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche) Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca Le future integrazioni di informazioni ottenute sfruttando le analisi classiche e le immagini SAR (attraverso DInSAR, tecniche PO o altre tecniche proposte in questo elaborato) potrebbero aprire nuovi scenari per l'analisi di frane sia a cinematica lenta che rapida caratterizzate da complessità spaziali e/o eterogeneità temporale del campo di deformazione 12International Association of Engineering Geology and the Environment

Grazie per l’attenzione Analisi di un caso di studio descritto in un articolo scientifico in lingua inglese CONCLUSIONI Grazie per l’attenzione Corso di Frane ANNO ACCADEMICO 2014-15; Docente: Prof. Ing. Michele Calvello; Studente: Porfido Luca