Contesto

I versanti naturali e le grandi opere civili, quali dighe, ponti o viadotti, necessitano spesso di monitoraggi per prevenire situazioni di pericolo e mitigare il rischio di crolli o cedimenti. Attività di questo tipo utilizzano, in genere, tecnologie proprie del settore della Geomatica: queste garantiscono grande precisione ma sono caratterizzate dall’impiego di sensori dai costi spesso elevati, che inevitabilmente ne limitano la concreta applicazione e diffusione.

In collaborazione con la Provincia del Verbano-Cusio-Ossola, territorio noto per l’alto rischio franoso, il CSI-Piemonte ha avviato ad Aprile 2017 un progetto di ricerca per realizzare il prototipo di un sistema di monitoraggio che utilizzi le tecnologie geomatiche a basso costo, elaborandole e diffondendo i risultati attraverso la piattaforma Yucca.

Le attività, terminate ad Ottobre 2018, hanno visto coinvolte il Politecnico di Torino, CSP – Innovazione nelle ICT ed il Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto di Ricerca per la Protezione Idrogeologica, con il supporto di Regione Piemonte e ARPA Piemonte, che hanno partecipato in qualità di uditori interessati a tutte le fasi del progetto.

Obiettivi

Vista la durata annuale del progetto, l’obiettivo principale del progetto era non tanto di ottenere un vero e proprio monitoraggio di aree particolarmente critiche, quanto invece di definire un processo operativo completo, che partisse dall’integrazione dei dati acquisiti da diverse tipologie di sensori di basso costo, fino ad estrarre le informazioni dinamiche utili per la caratterizzazione e la gestione dell’oggetto del monitoraggio.

In sintesi, gli obiettivi che ci si è posti erano:

  • fornire uno stato dell’arte sulla strumentazione geomatica per il  monitoraggio e sull’applicabilità alle tipologie di dissesto individuate;
  • progettare e realizzare un sistema prototipale GPS/GNSS per il monitoraggio di punti significativi;
  • realizzare un sistema di rilevamento basato su tecniche fotogrammetriche ad integrazione del sistema prototipale GPS/GNSS;
  • definire e documentare i flussi dati ottenibili dai sistemi sopra citati e la loro integrazione con le infrastrutture esistenti, individuando le soglie di significatività ottenibili con queste tipologie di sensori e valutando vantaggi, limiti e criticità dei sistemi realizzati;
  • valutare l’effettiva applicabilità di questi sistemi su casi studio reali, per mettere in luce eventuali problematiche legate all’installazione e alla durabilità dei sistemi in ambiente esterno;
  • diffondere i risultati del monitoraggio all’interno di piattaforme di facile consultazione, e con informazioni accessibili da parte delle amministrazioni, dei  tecnici specialisti ed anche ai cittadini, con diversi livelli di dettaglio.
Figura 1 - Lo schema del progetto
                                                                                                          Figura 1 - Lo schema del progetto

Ricadute

  • Consentire una maggior diffusione dei sistemi di monitoraggio con tecniche geomatiche grazie all’abbassamento della soglia economica necessaria agli investimenti in sensoristica.
  • Valutare i benefici di tecniche di monitoraggio che prevedono l’integrazione di più famiglie di sensori.
  • Integrazione della rete sensoristica regionale con strumentazione di basso costo.
  • Acquisizione e diffusione delle competenze sugli aspetti metodologici, tecnologici, architetturali e infrastrutturali relativi alle tecnologie geomatiche per il monitoraggio e per la gestione di flussi dati voluminosi e continui.

Attività eseguite

All’interno del progetto, il monitoraggio con strumentazione di basso costo è stato affrontato partendo dallo sviluppo di due differenti sistemi, che consentissero di analizzare due diversi aspetti:

  • monitoraggio di punti significativi, mediante l’impiego di strumentazione GNSS di basso costo, integrata con altri sensori quali accelerometri triassiali, termometri e sensori di umidità relativa;
  • monitoraggio estensivo dell’area, attraverso l’acquisizione di nuvole di punti ottenute mediante tecniche ottiche/fotogrammetriche, utilizzando acquisizioni da sensori di basso costo, anche da drone.

Il sistema di monitoraggio puntuale realizzato è costituito da una centralina multi-sensore composta da un dispositivo GNSS, un accelerometro triassiale, sensori di umidità relativa e temperatura, una scheda micro PC ed un dispositivo di trasmissione dati, per un costo totale dell’apparato intorno ai 1000 € (circa 1/10 del costo di una centralina comunemente in commercio). L’alimentazione elettrica è garantita dal collegamento, dove presente, alla rete elettrica in loco o in alternativa da un sistema autonomo formato da pannello fotovoltaico. Tale sistema è stato in prima analisi sottoposto ad una procedura di validazione in laboratorio, onde verificare l’effettivo raggiungimento delle precisioni minime previste per questo tipo di applicazioni, e successivamente è stato impiegato per uno studio sperimentale su tre fenomeni franosi presenti nel territorio del Verbano Cusio Ossola, selezionati tra i più significativi secondo le indicazioni dell’amministrazione locale.

Figura 2 - La centralina multi-sensore realizzata
                                                                                                     Figura 2 - La centralina multi-sensore realizzata

 

I dati provenienti da queste centraline sono stati integrati con le informazioni provenienti dalle infrastrutture regionali esistenti sul territorio, quali la Rete di Posizionamento Satellitare S.P.IN. GNSS e la rete di trasmissione dati Wi-Fi ad alta velocità HPWNET, così da poter ottenere una caratterizzazione del versante e da poter analizzare gli eventuali movimenti o sposamenti a cui questo è soggetto. Il risultato delle operazioni di trattamento dati è costituito da rapporti giornalieri, grafici e testuali, per tutti i siti oggetto del monitoraggio, contenente l’indicazione sull’eventuale spostamento rilevato. Infine, i flussi dati provenienti da queste centraline sono stati convogliati verso la piattaforma cloud “Yucca – SmartDataNet” realizzata da CSI per la Regione Piemonte, per rendere gli stessi fruibili in maniera diffusa ed immediata alla collettività.

 

Figura 3 - Installazione delle centraline sui siti test ed esempio del risultato delle elaborazioni giornaliere
                                                           Figura 3 - Installazione delle centraline sui siti test ed esempio del risultato delle elaborazioni giornaliere

 

Accanto al suddetto sistema di monitoraggio puntuale, sono stati eseguiti rilevamenti periodici di tipo fotografico su tutta l’area oggetto del monitoraggio, in maniera da poter estrarre, attraverso opportune tecniche fotogrammetriche, modelli tridimensionali del versante.

Vista l’acclività e l’estensione dei fenomeni franosi, l’impiego di un drone multi-rotore è preferibile rispetto al drone ad ala fissa. Pur essendo possibile pianificare voli da eseguire in maniera automatica, la mancanza di un modello digitale del terreno di precisione sui fenomeni franosi rende rischioso il volo automatico, dato il rischio di collisioni con rocce ed alberi. Ciò ha comportato un importante intervento manuale dell’operatore, sia per il sorvolo che per lo scatto della foto, per garantire un ricoprimento dell’area oggetto del monitoraggio non inferiore al 60%. Il drone è stato equipaggiato con camere digitali di ottima qualità, precedentemente calibrate in laboratorio per poter correggere le distorsioni dell’obbiettivo.

Le immagini ottenute dai voli con drone sono state integrate con immagini terrestri eseguite da un sistema (“fototeodolite”) realizzato per il progetto, e costituito da una camera amatoriale montata su una stazione totale. L’abbinamento dei due sensori rappresenta infatti una soluzione a basso costo rispetto alle stazioni totali “imaging” oggi esistenti e permette, dopo la calibrazione, una flessibilità operativa migliore in quanto consente di utilizzare focali diverse a seconda degli scopi di misura.

 

Figura 4 - Sistemi per il monitoraggio estensivo da immagini: prese aeree con drone (a sinistra) e fototeodolite (al centro e a destra)
                             Figura 4 - Sistemi per il monitoraggio estensivo da immagini: prese aeree con drone (a sinistra) e fototeodolite (al centro e a destra)

 

Le immagini così acquisite sono state elaborate utilizzando le tecniche fotogrammetriche di Structure for Motion, in maniera da poter estrarre il modello tridimensionale del versante, con risoluzioni inferiori o uguali al centimetro. Il confronto tra le nuvole di punti ottenute in mesi successivi consente di valutare gli eventuali movimenti avvenuti e di individuare le aree più soggette all’accumulo dei detriti.

 

Figura 5 - Modello tridimensionale ottenuto con tecniche fotogrammetriche (a sinistra) e confronto tra più modelli relativi a periodi differenti (a destra)
             Figura 5 - Modello tridimensionale ottenuto con tecniche fotogrammetriche (a sinistra) e confronto tra più modelli relativi a periodi differenti (a destra)

 

La diffusione dei risultati del monitoraggio di un fenomeno franoso è un argomento complesso e spesso sottostimato. I dati di monitoraggio di una frana rappresentano infatti un elemento molto importante nel supportare la catena gestionale che porta a decisioni importanti, come l’evacuazione delle aree a rischio o il ripristino delle condizioni di normalità. All’interno del progetto è stata messa a punto una strategia di gestione del flusso di dati che si basa su due elementi pariteticamente importanti:

  • Un flusso continuo di dati pubblicati on line su una pagina internet
  • Una serie di bollettini che hanno il compito di commentare e divulgare il dato di monitoraggio.

Il flusso di dati in tempo reale, sebbene fondamentale per disporre di un controllo remoto del fenomeno e alla base di un sistema di monitoraggio moderno, deve essere integrato e correttamente interpretato partendo dall’analisi dell’evoluzione complessiva della rete di monitoraggio, in virtù del modello geologico di riferimento e degli scenari evolutivi ipotizzati. Per questo motivo, all’interno del progetto sono stati sviluppati alcuni bollettini, destinati a diverse tipologie di utenza (dal cittadino alla pubblica amministrazione, fino ai tecnici del settore), e pertanto caratterizzati da contenuti e dettagli differenti. In particolare, sono stati studiati tre diversi documenti:

  • la monografia operativa: documento completo, con una bassa frequenza di aggiornamento (solitamente annuale), che serve per sintetizzare il pregresso;
  • bollettino: documento con una frequenza di aggiornamento più elevata (solitamente, trimestrale), ha il compito di divulgare i risultati della rete di monitoraggio e di fungere da documento ufficiale che definisce i risultati in un determinato momento;
  • bollettino sintetico: composto da una sola pagina, e realizzato in collaborazione con dei grafici pubblicitari, sviluppato con l’obiettivo di divulgare il risultato del monitoraggio ad un pubblico vasto, con frequenze di aggiornamento anche più elevate rispetto ai documenti precedenti, in funzione della dinamica del fenomeno da monitorare.
Figura 6 - Documenti per la diffusione dei risultati del monitoraggio: monografia operativa (a sinistra), bollettino (al centro) e bollettino sintetico (a destra)
            Figura 6 - Documenti per la diffusione dei risultati del monitoraggio: monografia operativa (a sinistra), bollettino (al centro) e bollettino sintetico (a destra)

I deliverables del progetto

Le diverse fasi delle attività sono state documentate mediante opportuni deliverables, prodotti dagli Enti partecipanti con l’obiettivo di presentare le tecnologie applicate, i problemi incontrati e le soluzioni individuate in fase di sperimentazione in laboratorio e di applicazione ai cinque casi studio.

  • Prima consegna – 28 luglio 2017 (Allegato: Monitoraggio (1)  Consegna 28-7-17)
    • D1 Stato dell’arte
    • D2.1 Analisi delle prestazioni dei sensori geomatici di basso costo
    • D3.1 Analisi delle prestazioni delle tecnologie ottiche/laser-scanner

 

  • Seconda consegna – 28 settembre 2017  (Allegato: Monitoraggio (2)  Consegna 28-9-17)
    • D2.2 Progettazione e test del sistema prototipale per il monitoraggio
    • D3.2 Progettazione e test del sistema di rilievo ottico/laser
    • D4.1 Analisi dei dati disponibili

 

  • Terza consegna – 15 dicembre 2017  (Allegato: Monitoraggio (3)  Consegna 28-11-17)
    • D2.3 Realizzazione del sistema prototipale per il monitoraggio
    • D3.3 Realizzazione del sistema di rilievo ottico/laser
    • D4.2 Descrizione della metodologia di trattamento e analisi dati adottata
    • D5.1 Progetto di installazione

 

  • Quarta consegna - 26 luglio 2018  (Allegato: Monitoraggio (4)  Consegna 27-7-18)
    • D5.2 Messa in esercizio del sistema di monitoraggio

 

  • Quinta consegna – 24 ottobre 2018  (Allegato: Monitoraggio (5)  Consegna 24-10-18)
    • D5.3 Risultati e diffusione