UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l’ambiente ed il territorio
CORSO DI FRANE
RELAZIONE CASO STUDIO
ANALISI RIGUARDANTE IL PRIMA, IL DURANTE E IL DOPO L’ACCADIMENTO DI UNA
FRANA CON IMMAGINI DA SATELLITE ALOS/PALSAR: CASO STUDIO DELLA FRANA
DI JIWEISHAN IN CINA
DOCENTE: STUDENTE:
Prof.Ing. Michele Calvello
Gianfranco Carpentieri
Anno accademico 2014- 2015
SOMMARIO
1. Illustrazione caso studio
2. Presentazione del lavoro sviluppato dagli autori
2.1 Monitoraggio degli spostamenti
3. Analisi critica del lavoro
4. Bibliografia
1. Illustrazione caso studio
La frana di Jiweishan è localizzata nella Municipalità di Chongqing, nel villaggio di Hongbao, a circa 75 km a
sud ovest della Contea di Wulong (Figura 1.1), dove si trova una miniera di carbone, bauxite e minerale di
ferro.
Figura 1.1: Mappa della Municipalità di Chongqing
Il fianco orientale della catena del Jiweishan è una scogliera rivolta sul torrente Tiejang (Figura 1.2).
Figura 1.2: Fianco orientale della montagna Jiweishan
La quota del terreno sul Jiweishan varia da 1442 m s.l.m. in cima a 1000 m s.l.m. al piede, creando una
differenza di altezza di circa 440 m (Figura 1.3). Il movimento di roccia può essere fatta risalire al 1960,
quando è stata trovata una crepa sulla superficie della scogliera esposta ad est. Nel 1999, la larghezza della
fessura ha raggiunto 1,5 m (Xu et al., 2010). Nel settembre 2001, si sono verificate alcune frane di piccole
dimensioni nella parte meridionale della rupe. Dopo il 2005, l'attività della frana è aumentata e ha iniziato
ad estendersi progressivamente alla parte settentrionale della scogliera. In seguito a tale attività, sono state
definite le seguenti dimensioni per la zona interessata dal movimento: circa 1000 m di lunghezza, 10 m di
larghezza, e 15-20 m di altezza con un volume di circa 200.000 m3. Successivamente, circa alle 3:00 del
pomeriggio del 5 giugno 2009, dopo la rottura istantanea della piccola massa rocciosa frontale, si è attivata
una frana con un volume di circa cinque milioni di metri cubi di massa di roccia, uccidendo 74 persone e
ferendone altre 8. A causa dell’enorme energia cinetica, la massa scese giù per la valle e corse su per il
pendio presente all’altra sponda del torrente Tiejiang. Lo scorrimento della massa, bloccato da questo
pendio, si è trasformato in un flusso di detriti ad alta velocità e ha viaggiato giù lungo il torrente Tiejang
formando un deposito di circa 2,2 km. Per tale ragione, secondo la classificazione di frane da Hungr et al.
(2001), la frana Jiweishan può essere classificata come colata di detriti (debris flow).
Figura 1.3: Sopra due foto della frana di Jiweishan; (a) foto scattata 5 ore prima dello scorrimento e (b) foto scattata
dopo lo scorrimento. Le frecce rosse indicano la stessa posizione, mentre le frecce bianche indicano la direzione
verso il piede del pendio
L’evento franoso viene diviso in tre zone: la zona di origine, la zona di trasporto e infine la zona di deposito.
In particolare, la zona di origine della frana può essere divisa in due parti: il blocco guida a sud e il blocco
resistente a nord (Figura 1.4). Il blocco guida ha una forma quadrilatera nel piano con una lunghezza di 480
m e una larghezza media di 140 m, mentre il blocco resistente è individuato da un triangolo nel piano con
una lunghezza di 240 m e una larghezza media di 130 m (Xu et al. 2010;. Yin et al, 2011). La lunghezza totale
della zona interessata è di oltre 2 km e la larghezza massima della zona interessata è di circa 450 m.
Figura 1.4: Rappresentazione del blocco guida, del blocco resistente, della zona potenzialmente a rischio e della
zona realmente a rischio frana
2. Presentazione del lavoro svolto dagli autori
Il monitoraggio degli spostamenti dei versanti instabili è uno strumento fondamentale per la prevenzione
dei rischi. La scelta di un sistema di monitoraggio adeguato dipende da diversi fattori: il tipo e le dimensioni
della frana, la velocità di deformazione, la precisione desiderata dall’osservazione, la frequenza delle
osservazioni e il costo.
Gli obiettivi che gli autori si sono posti sono i seguenti:
- analizzare le serie storiche di deformazione prima dello scorrimento;
- individuare l’area interessata dall’evento franoso;
- stimare la variazione topografica in seguito allo scorrimento.
Per raggiungere gli obiettivi prefissati sono state adoperate tre diverse metodologie basate rispettivamente
sull’utilizzo dell’algoritmo SBAS, sulla determinazione di una mappa di intensità dei segnali retrodiffusi SAR
e sull’individuazione di un modello digitale di elevazione ottenuto con la tecnica lidar 3 D. In particolare le
immagini considerate sono state ottenute dal satellite ALOS (Advanced Land Observing Satellite) che
possiede due strumenti ottici, PRISM e AVNIR, e uno strumento polarimetrico, PALSAR, per valutare la
banda L del segnale. I dati acquisiti sono stati suddivisi nei seguenti tre gruppi:
- 7 interferogrammi realizzati prima del 5 Giugno 2009 per ottenere le serie storiche di deformazione
prima dello scorrimento;
- 2 immagini di intensità dei segnali retrodiffusi SAR che si riferiscono una al 28 gennaio 2009 e l’altra
al 15 giugno 2009 per dedurre la zona interessata dalla frana;
- 7 coppie interferometriche acquisite dopo lo scorrimento per ottenere la variazione dell’altezza
della superficie causata dalla frana.
Nella figura 2.1 è riportato un diagramma di flusso che indica in maniera sintetica le analisi SAR svolte.
Figura 2.1: Diagramma di flusso delle analisi SAR realizzate
2.1 Monitoraggio degli spostamenti
L’approccio utilizzato per determinare l’evoluzione temporale degli spostamenti viene denominato SBAS,
acronimo di Small Baseline Subset; la tecnica SBAS si basa sulla determinazione di interferogrammi (Figura
3.1) che consentono di valutare le interferenze fra più onde coerenti tra di loro, ovvero permettono di
eseguire misurazioni di spostamenti, di distanze dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda
utilizzata.
Figura 3.1: La mappa di deformazione cumulata riferita al periodo tra il 10 giugno e l’11 dicembre 2007 (184 giorni).
Sono delineati il blocco resistente e il blocco di guida della frana di Jiweishan. Il triangolo nero indica il punto di
riferimento per l'analisi delle serie temporali InSAR
Viene calcolata la differenza di fase tra due differenti immagini SAR relative all’area analizzata, acquisite in
istanti di tempo (baseline temporale) e da posizioni orbitali (baseline spaziale) differenti. La differenza di
fase 𝛿𝜙𝑖𝑛𝑡 = 𝜑 (𝑡𝐵, 𝑥, 𝑟) − 𝜑 (𝑡𝐴, 𝑥, 𝑟) calcolata dalle acquisizioni SAR in un istante tA (istante iniziale) e in
un istante tB (istante finale) (con x e r che rappresentano rispettivamente l’azimut e range, ovvero le
coordinate a terra dell’orbita che passa per i poli terrestri), è funzione di una serie di parametri legati dalla
seguente relazione:
dove δφflat è il contributo dovuto alla terra piatta, δφtopo è il contributo dovuto alla presenza della
topografia, δφmov è l’effettivo contributo dovuto ad eventuali spostamenti, δφatm è la differenza di fase
dovuta alla presenza dell’atmosfera ed infine δφnoise è il contributo, sempre presente, dovuto alla
decorrelazione spaziale e temporale. Pertanto, una volta noti i singoli contributi legati a fattori geometrici
del suolo e del segnale, dalla stima della differenza di fase tra immagini acquisite in tempi diversi, è
possibile stimare lo spostamento al suolo (δφmov) nelle diverse acquisizioni. Il termine δφmov potrà poi
essere scomposto in un contributo lineare ed uno non lineare. Infine, la serie di deformazioni cumulate
(Figura 3.2) può essere ottenuta integrando la deformazione per ciascuna data di acquisizione SAR come
segue:
dove t1 è la prima data di acquisizione SAR, tk è la k-esima data di acquisizione SAR.
Figura 3.2: Deformazione cumulata nella direzione del tratto discendente nei 184 giorni lungo il profilo AB ottenuto
da SRTM DEM e mostrato in Figura 3.1. La barra grigia verticale indica il punto di spaccatura
L’interferometria differenziale consente di misurare le deformazioni della superficie terrestre, proiettate
lungo la linea di vista del sensore (Line of Sight - LOS); gli autori hanno trasformato la deformazione così
ottenuta in quella down-slope definendo un angolo specifico e una direzione azimutale. In particolare la
direzione azimutale media è posta pari a 12° e l’angolo medio sul versante è posto pari a 14,8° (Figura 3.3).
Figura 3.3: Direzione azimutale media e angolo medio sul versante definiti dagli autori
Nella figura 3.4 sono mostrate quattro mappe di deformazione con un intervallo di acquisizione di 46 giorni
tra acquisizioni adiacenti. Dalla figura 3.4, è possibile notare i fenomeni evidenti di deformazione che si
sono verificati già il 10 giugno 2007 e la superficie che continuamente si deforma durante il periodo di
monitoraggio. Purtroppo, non si hanno a disposizione, nè dati SAR per rintracciare la deformazione prima
del 10 giugno 2007, nè interferogrammi coerenti per consentire di analizzare qualsiasi deformazione del
suolo tra l’11 dicembre 2007 e il 5 giugno 2009.
Figura 3.4: Mappe di deformazione ottenute con un intervallo temporale di acquisizione di 46 giorni l’una dall’altra.
La freccia rossa indica la stessa posizione indicata in figura 1.3
Per poter individuare l’area interessata dalla frana sono state confrontate le intensità dei segnali
retrodiffusi di due immagini SAR acquisite rispettivamente il 28 gennaio 2009 e il 15 giugno 2009. Una
singola immagine radar è solitamente visualizzata come un’immagine in scala di grigi. L'intensità di ciascun
pixel rappresenta la porzione di microonde retrodiffusa dalla zona a terra che dipende da una varietà di
fattori: tipo, dimensione, forma e orientamento degli scatterers nell'area di destinazione, contenuto di
umidità della superficie di destinazione, frequenza e polarizzazione degli impulsi radar e infine angoli di
incidenza del fascio radar. I valori di intensità dei pixel sono spesso convertiti in una grandezza fisica detta
coefficiente di retrodiffusione che viene misurata in decibel (dB) con valori compresi tra +5 dB per oggetti
molto luminosi e -40 dB per superfici molto scure.
Le immagini acquisite sono indicate in Fig. 3.5a e 3.5b, mentre la mappa del cambiamento di intensità dei
segnali retrodiffusi tra le immagini è mostrata in Fig. 3.5c. Le aree con cambiamenti significativi, come l'area
di origine, la zona di trasporto e l'area di deposito, possono essere dedotte sulla base delle variazioni di
intensità SAR (Fig. 3.5c), e l'area interessata è stimata paria a 0,47 milioni di m2. Dopo l’avvenimento della
frana, la zona di origine e le zone di trasporto sono caratterizzate da bassi rendimenti di retrodiffusione SAR
mentre l'area di deposito è contrassegnata con maggiori rendimenti di retrodiffusione. Tuttavia, è stato
scoperto dagli autori che l’intensità delle immagini SAR non possono delineare l'intera area, infatti la zona
di origine, di trasporto e di deposito interessate dalla frana sono delineate più precisamente con fotografia
aerea mostrata in figura 3.5d. Se si avessero avuto a disposizione due immagini SAR con un intervallo
temporale di acquisizione tra le due immagini più breve, si sarebbe potuto correggere la mappatura della
zona interessata.
Figura 3.5: Due immagini di intensità dei segnali retrodiffusi SAR acquisite il 28 gennaio 2009 (a) e il 15 giugno 2009
(b). (c) La mappa della variazione di intensità tra (a) e (b). (d) La fotografia aerea scattata dopo lo scorrimento. In (c)
e (d) sono indicati: l’area di origine, la zona di trasporto e deposito
Infine per poter stimare la variazione topografica in seguito allo scorrimento, sono state utilizzate 7 coppie
di interferogrammi che hanno consentito di generare un modello di elevazione digitale (DEM). A differenza
degli interferogrammi utilizzati per individuare le serie storiche di deformazione, questi interferogrammi
sono stati prodotti con intervalli temporali più brevi. Successivamente gli interferogrammi vengono messi
insieme per poter calcolare la variazione finale della mappa ottenuta (Figura 3.6).
Figura 3.6: Variazione finale della mappa ottenuta dal DEM con il metodo di sovrapposizione InSAR dopo lo
scorrimento di Jiweishan. La linea nera tratteggiata delimita la regione definita da una foto aerea
Nonostante ci siano delle zone incoerenti a causa del materiale bloccato in corrispondenza della scogliera e
delle regioni di trasporto, il risultato ottenuto dalla mappa del dislivello rilevato da InSAR risulta essere
migliore di quello ottenuto con la mappa della variazione di intensità dei segnali retrodiffusi SAR (Figura
3.2c). Questo perché, per calcolare la variazione di altezza della superficie, sono coinvolti 7
interferogrammi, mentre, per delimitare l’area interessata dalla frana, sono utilizzate solo due immagini
SAR. Inoltre al fine di valutare la variazione di altezza della superficie calcolata a partire dai dati InSAR, si è
utilizzata anche la misura lidar. La figura 3.7 mostra la sezione trasversale del pendio DEM ottenuto da
Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), e la variazione dell’altezza misurata da InSAR e dalle tecniche
lidar 3 D.
Figura 3.7: Sezione trasversale del pendio ottenuta da SRTM DEM, con variazione di altezza misurata da InSAR e
tecniche lidar 3 D dopo lo scorrimento di Jiweishan lungo il profilo AB. La barra grigia verticale indica il punto di
transizione tra l'area di origine e l'area di deposito, mentre la freccia nera indica la posizione della zona di trasporto
tra due aree di deposito
I profili della variazione di altezza DEM che sono stati ottenuti da InSAR e dalle misure lidar 3 D sono in
accordo l’uno con l’altro. Quantitativamente, se viene considerata come riferimento la misura ottenuta
dalla tecnica lidar 3 D, la deviazione standard della variazione dell’altezza ottenuta da InSAR lungo il profilo
è di circa 8 m. Va notato che la misurazione InSAR risente delle decorrelazioni per pendii ripidi e per le aree
di trasporto. Idealmente questo problema può essere mitigato da immagini InSAR con geometria opposta
di visualizzazione.
Lo studio effettuato dagli autori dimostra le potenzialità dei dati archiviati SAR per analizzare le diverse fasi
di una frana, se non sono disponibili altri dati di rilevamento geodetico e remoti. Rispetto ai dati archiviati
della banda C di Envisat / ASAR, i dati della banda L di ALOS / PALSAR sono selezionati per la loro lunghezza
d'onda che consente di mantenere elevate correlazioni temporali e spaziali per la zona coperta di
vegetazione e maggiore risoluzione. Al fine di mitigare disturbi durante il lavoro InSAR, vengono
attentamente confrontati SRTM DEM e ASTER GDEM; è stato scelto SRTM DEM grazie al suo alto
rendimento nella regione montagnosa del Jiweishan; inoltre il ritardo atmosferico, compresi gli effetti
troposferico e l'effetto ionosferico, viene controllato per ogni interferogramma e se necessario viene
applicato un filtro alla banda L. D'altra parte, nella maggior parte dei casi, se la deformazione permanente
per una frana specifica (frana in roccia) è il punto di interesse, i dati TerraSAR-X e COSMO / Skymed sono
preferiti per la lunghezza d'onda corta e per la breve durata di rivisitazione. Se il terreno è ricoperto da folta
vegetazione, i dati lidar multitemporali sono la migliore soluzione a causa della piccola impronta del laser
che consente di penetrare la vegetazione alle lunghezze d'onda ottiche.
3. Analisi critica del lavoro
Tra i tanti articoli ottenuti dall’analisi della letteratura scientifica internazionale, ho scelto l’articolo che ha
suscitato di più il mio interesse; in particolare ciò che ha attirato la mia attenzione, è rappresentato dalla
tecnologia che è stata utilizzata per effettuare il monitoraggio degli spostamenti. Lo studio, essendo
esposto in maniera dettagliata ma chiara, consente al lettore di valutare al meglio il lavoro effettuato
comprendendo quali sono alcuni dei tanti utilizzi delle tecniche satellitari che rappresentano un tema di
frontiera della ricerca. Vengono analizzate infatti tramite le tecniche di remote sensing le diverse fasi della
frana.
Il caso studio analizzato potrebbe fornire dei suggerimenti su come affrontare il monitoraggio degli
spostamenti di fenomeni franosi in Italia. In particolare, facendo riferimento alla realtà italiana, le tecniche
satellitari possono essere utilizzate per individuare eventuali criticità che in alcuni casi non è possibile
valutare sulle carte inventario; è possibile dunque servirsi di queste tecniche per l’aggiornamento delle
carte inventario e per la previsione dei cedimenti per evitare di giungere al collasso. Le tecniche satellitari
possono essere utilizzate sia per analisi su area vasta, per esempio valutando lo stato di attività di un
fenomeno franoso, sia per analisi di dettaglio, per esempio, a scopo preventivo, monitorando le strutture
che ricadono all’interno di zone in movimento.
Un altro aspetto positivo, secondo me da non sottovalutare, è l’utilizzo da parte degli autori di un DEM
definito su scala quasi globale dalla Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). Ciò infatti ha consentito di
servirsi del database topografico digitale ad alta risoluzione più completo fino al 2009.
Tuttavia nell’ambito dello studio effettuato, il telerilevamento può mostrare i seguenti limiti; un limite è
rappresentato dalla vegetazione sul pendio, l’altro dalla pendenza del versante. Per quanto riguarda il
primo limite gli autori sono riusciti a ridurre il problema della vegetazione utilizzando le immagini acquisite
dal satellite ALOS/PALSAR che ha consentito, a differenza del satellite ENVISAT e TERRA-SAR, di valutare la
banda L del segnale; in particolare è stata sfruttata la lunghezza d’onda più lunga della banda L rispetto a
quelle della banda C e della banda X. Un limite riguardante il satellite ALOS/PALSAR è il tempo di
rivisitazione (46 giorni) che risulta essere maggiore del tempo di rivisitazione dei satelliti ENVISAT (35
giorni) e TERRA-SAR (11 giorni). Il secondo limite invece è stato aggirato trasferendo la misura dalla
direzione della linea di vista del satellite (con un’inclinazione di 23° rispetto alla verticale) alla direzione
down-slope. E’ importante inoltre sottolineare che la pendenza dei versanti potrebbe creare problemi a
livello interpretativo in quanto, a seconda dell’orbita percorsa dal satellite, uno stesso punto della
superficie terrestre può sembrare in avvicinamento oppure in allontanamento.
In definitiva, secondo il mio parere, i due vantaggi significativi delle tecniche di telerilevamento (per
esempio SAR e LIDAR) rispetto alle tecniche geodetiche sono i seguenti: è possibile ottenere informazioni
senza il contatto con la superficie terrestre ed è possibile ottenere informazioni sugli spostamenti a ritroso
nel tempo (come nel caso della frana di Jiweishan).
4. Bibliografia
Diego Di Martire, Domenico Calcaterra, Massimo Ramondini; 2012; L’uso delle tecniche satellitari per il monitoraggio dei fenomeni franosi; Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2012 - IARG 2012. Ez Eldin, M. A. M., Huiming Tang, Yixian Xu, Chengren Xiong, Yunfeng Ge; 2013; Engineering Geological and Geophysical Assessment of the 2009 Jiwei Shan Rockslide, Wulong, China; Open Journal of Geology, vol. 3, pag. 60-70. Ake Rosenqvist, Masanobu Shimada and Manabu Watanabe; 2004; ALOS PALSAR: Technical outline and mission concepts; 4th International Symposium on Retrieval of Bio- and Geophysical Parameters from SAR Data for Land Applications Innsbruck, Austria.
