Il PhotoMonitoring come strumento di monitoraggio dei fenomeni franosi: una tecnologia alla portata di tutti

Le frane sono destinate ad aumentare, in quanto spesso collegate ai sempre più frequenti fenomeni atmosferici estremi

Con oltre 600.000 individuate e circa l’8% del territorio nazionale interessato, le frane, in Italia, sono tra i fenomeni naturali che maggiormente impattano su popolazione, infrastrutture lineari, beni culturali nonché sul sistema economico e produttivo (Rapporto ISPRA, 2021). La loro incidenza nei prossimi anni, specialmente per alcune tipologie di frane, è vista sempre più aumentare se declinata in rapporto ai sempre più frequenti fenomeni atmosferici estremi. (Gariano e Guzzetti 2016).

In un tale contesto, il monitoraggio dei fenomeni franosi assume un ruolo chiave per approfondire la loro conoscenza (valutando i trend deformativi in atto al fine di individuare lo stato di attività), il loro controllo, (supportando la progettazione nella verifica dell’efficacia nel tempo di eventuali opere di stabilizzazione), così come risulta fondamentale per il monitoraggio di emergenza, tramite lo sviluppo di metodologie e procedure di allertamento quando questi eventi minacciano la salvaguardia delle vite umane (Mazzanti, 2017).

Ad oggi esistono una moltitudine di tecniche per il monitoraggio dei fenomeni franosi: (i) strumentazioni da installare in situ quali ad esempio inclinometri, estensimetri, sensori sismici o reti di caposaldi da rilevare in maniera multi temporale attraverso dispositivi GNSS; (ii) sistemi sensoristici di prossimità che ci permettono di ottenere dati spazialmente distribuiti impiegando un unico sensore, quali ad esempio LiDAR o Radar interferometrici terrestri nonché stazioni totali robotizzate; (iii) sistemi aeromobili a pilotaggio remoto (droni) in grado di rilevare informazioni spazialmente distribuite ad un costo relativamente basso; (iv) tecnologie di telerilevamento basate su dati satellitari che, utilizzando specifiche metodologie di processamento possono ricavare mappe e serie temporali di spostamento di vaste aree.

In relazione alla precisione, risoluzione temporale e spaziale, densità di informazioni restituibili, budget a disposizione ecc., ognuna delle suddette tecnologie trova differente e più idonea applicazione in funzione delle caratteristiche del fenomeno franoso da monitorare (magnitudo dello spostamento, geometrie ecc.) nonché allo scopo del monitoraggio (conoscenza, controllo ed emergenza).

Tra le tecniche di monitoraggio che impiegano dati telerilevati, il PhotoMonitoring negli ultimi anni si sta rivelando un affidabile, versatile e complementare strumento che, oggi giorno, si sta sempre più affermando sul mercato come innovativa, complementare e/o alternativa soluzione per il monitoraggio dei fenomeni franosi grazie all’ampio numero di piattaforme utilizzabili, come ad esempio satelliti, piattaforme UAV (droni) e sistemi terrestri (statici e mobili), per l’acquisizione di immagini digitali.

Ma cos'è e in che cosa consiste il PhotoMonitoring?

PhotoMonitoring: principi generali

Il PhotoMonitoring è una nuova soluzione di monitoraggio che sfrutta la grande diffusione nel mondo di sensori ottici/multispettrali al fine di ottenere informazioni circa i cambiamenti o gli spostamenti del terreno, mediante opportune tecniche di Digital Image Processing (DIP), ovvero la manipolazione di immagini digitali per ottenere dati ed informazioni. Esso opera a diverse scale spaziali e temporali, rappresentando uno strumento ideale per lo studio e il monitoraggio di processi deformativi superficiali.
Ma come si può ricavare un dato numerico da un'immagine digitale? Fondamentalmente le immagini digitali sono delle matrici di dimensione nota (funzione del sensore che le ha acquisite). I valori numerici contenuti nelle varie celle consentono di rappresentare le immagini in modo che l’occhio umano possa percepirle (Figura 1).

Il concetto fondamentale alla base del PhotoMonitoring è l’individuazione, all’interno dell’immagini analizzate, di “Features” quali strutture come punti, linee nonché pattern più complessi oppure colore, luminosità e contrasto. Attraverso il confronto con un’ulteriore immagine, le “Features” successivamente possono essere soggette a due tipologie di analisi principali:

• Change Detection (CD): attraverso la quale si ricercano “Features” che compaiono o scompaiono all’interno della scena; la ricerca avviene (a) valutando una variazione di luminosità e\o esposizione, (b) valutando il rapporto tra le intensità dei pixel in differenti bande oppure (c) valutando l’assenza\presenza di linee e pattern che implicano cambiamenti di forma e struttura (Figura 2);

• Digital Image Correlation (DIC): attraverso la quale si identificano e tracciano soltanto le “Features” riconducibili a linee e pattern, identificandone i cambiamenti di posizione sui fotogrammi. È dunque una misurazione ottico-numerica in grado di misurare spostamenti e deformazioni superficiali che avvengono esclusivamente lungo il piano del fotogramma, ovvero perpendicolare alla linea di vista (Figura 3);

Il PhotoMonitoring come sistema di monitoraggio

Alcuni aspetti e prerequisiti generali relativi al sensore e alla piattaforma utilizzati, così come la tipologia di fenomeno franoso nonché le condizioni ambientali della scena\oggetto che si intende studiare, tuttavia influenzano in maniera determinante l’effettiva applicabilità del PhotoMonitoring come innovativa tecnica di monitoraggio per le instabilità di versante.
Tra i principali fattori legati al sensore, un ruolo chiave viene giocato dalla risoluzione.
Tuttavia, è necessario precisare che esistono diverse tipologie di risoluzione nell’ambito delle immagini digitali:

• Risoluzione Geometrica: comunemente riferita al numero di pixel (celle della matrice) che costituiscono l'immagine digitale. In tal senso, maggiore è il numero dei pixel, maggiore sarà la risoluzione e minore sarà la dimensione minima degli oggetti ripresi che può essere rilevata;
• Risoluzione Radiometrica: rappresenta la minima differenza di intensità che un sensore può rilevare tra due valori di energia. Maggiore è la risoluzione radiometrica di un sensore, più sensibile è nel registrare piccole differenze nell'energia riflessa o emessa;
• Risoluzione Spettrale: rappresenta il numero di bande spettrali di acquisizione e la loro ampiezza. Può essere anche definita come la capacità di risolvere le caratteristiche di un oggetto nel campo elettromagnetico;
• Risoluzione Temporale: viene definita come il periodo di tempo che intercorre tra due riprese successive di una stessa area, detta comunemente anche “frequenza di campionamento”.

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Nel proseguo dell'articolo, oltre ad altre considerazioni sul Photomonitoring come sistema di monitoraggio, verranno esposti tre casi studio.