Stima rapida degli spostamenti del suolo e dei danni agli edifici in seguito a eventi sismici con il supporto di dati SAR e LiDAR. Caso studio di Amatrice, sciame sismico del 24 Agosto 2016. 

La diffusione di nuove tecniche di telerilevamento e la crescente disponibilità di dati satellitari gratuiti sta contribuendo allo sviluppo di metodologie innovative a supporto del monitoraggio e della gestione dei rischi da catastrofi, valutando il livello dei danni nella fase immediatamente successiva ad un evento. I dati SAR (Synthetic Aperture Radar) e LiDAR (Light Detection and Ranging) ne sono un esempio. Tuttavia, mentre le analisi SAR sono sempre più accessibili, grazie soprattutto alla disponibilità di immagini satellitari open - come quelle del progetto Copernicus - le analisi con dati LiDAR sono ancora meno comuni a causa della scarsa disponibilità di questo tipo di dati su frequenze temporali significative.

In questo articolo si propone una procedura innovativa basata sull'uso di dati SAR e LiDAR per valutare rapidamente il danno subito dagli edifici nelle prime fasi post-emergenza di un evento sismico. Nello specifico, i dati SAR vengono utilizzati per un'analisi degli spostamenti del terreno su larga scala in seguito dell'evento sismico, mentre i rilievi LiDAR vengono utilizzati per misurare i cambiamenti ed identificare il livello di danno a scala urbana (nel dettaglio dei singoli edifici). La metodologia è stata applicata al caso studio della città di Amatrice, un comune italiano della provincia di Rieti situato nella regione Lazio. Secondo la classificazione sismica del territorio nazionale questo territorio ricade in zona 1.

La necessità di produrre uno scenario del grado di danno nei primi istanti successivi a un evento calamitoso presuppone la disponibilità di un dataset accurato, o quanto più preciso, sullo stato di salute degli edifici, il tipo di costruzione e l'età. Tuttavia, spesso gli unici dati disponibili per il territorio nazionale italiano sono quelli del censimento nazionale della popolazione e delle abitazioni dell'ISTAT. Al fine di mappare le principali tipologie edilizie, ovvero i materiali di costruzione (muratura o cemento armato), è stata effettuata un'indagine virtuale basata sull'utilizzo di Google Street View. Questo ha permesso di identificare la tipologia costruttiva in sole 24 ore e senza la necessità di effettuare rilievi in loco.

L'insediamento storico di Amatrice era caratterizzato dalla presenza di edifici realizzati con materiali locali, principalmente muratura e legno; per gli orizzontamenti, i solai intermedi e le coperture sono stati utilizzati sistemi in ferro o a volta. Erano presenti anche edifici in cemento armato sia nel centro storico che nelle parti più recenti della città. Tuttavia, molti edifici in muratura del centro storico sono stati interessati da interventi di adeguamento sismico o di miglioramento strutturale che hanno comportato il rifacimento delle coperture in cemento armato. Il progresso della legislazione tecnica delle costruzioni, ha portato a diverse disposizioni per il rinforzo sismico in seguito al verificarsi di eventi sismici.

Il data-set SAR, scaricato gratuitamente dalla piattaforma Copernicus, è stato elaborato con il software SNAP in modo da ottenere un interferogramma differenziale utilizzando le immagini Sentinel 1A del 22 agosto 2016 (pre sisma) e Sentinel 1B del 27 agosto 2016 (post sisma). Gli spostamenti registrati nel centro storico di Amatrice sono negativi e corrispondenti, quindi, ad un fenomeno di abbassamento del terreno lungo la direzione verticale. Ciò ha influito negativamente sulla stabilità strutturale degli edifici. I possibili esiti di questi spostamenti verticali sono legati alla natura intrinseca del suolo e alle caratteristiche costruttive degli edifici, alla loro età, ai materiali utilizzati per la loro costruzione e ad eventuali interventi di adattamento strutturale o sismico su di essi.

I dati LiDAR sono dati proprietari. Per quanto riguarda la situazione pre-sisma, si sono utilizzati quelli dell’indagine LiDAR condotta nel 2008 dal Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM) per il monitoraggio delle aste fluviali. I dati del post-sisma derivano dai rilievi condotti il 24 Agosto 2016 dalla Protezione Civile del Friuli Venezia Giulia, forniti a seguito di specifica richiesta e utilizzabili ai soli fini di ricerca. Il set di dati LiDAR è stato usato per sviluppare modelli digitali di superfici (DSM). I dati LiDAR hanno un grande potenziale nell’identificazione degli edifici crollati, dopo un terremoto, grazie alla possibilità di valutare i dislivelli nei DSM.

I risultati attuali sono stati confrontati con quelli ottenuti da altri lavori scientifici, come il progetto COPERNICUS Emergency Management Service - Mapping e Fiorentino et al. 2018. L'accuratezza dei risultati relativi alla classificazione del grado di danno sismico ottenuti con la metodologia attuale è stata valutata confrontando i risultati tramite le matrici di confusione che hanno restituito un buon livello di accuratezza.

In conclusione, i principali risultati ottenuti hanno evidenziato come l'utilizzo delle tecnologie SAR e LiDAR possa essere utile sia nella fase di non emergenza per monitorare le aree colpite dal sisma, sia nelle fasi di immediato post-sisma per valutare gli effetti che esso ha causato. L'analisi interferometrica aiuta a identificare le aree maggiormente colpite dagli effetti di uno sciame sismico. Un'analisi continua degli spostamenti del terreno sarebbe estremamente utile per avere un riscontro immediato sulle aree che potrebbero essere state danneggiate dopo un evento sismico. Le variazioni positive e negative ottenute con tecniche di change detection (processo di identificazione dei cambiamenti) su dati LiDAR permettono un'analisi più approfondita che mira ad una valutazione del danno sui singoli edifici. Infatti, i rilievi LiDAR permettono di localizzare con estrema precisione aree o edifici colpiti da un terremoto. Il confronto qualitativo tra i risultati ottenuti con la metodologia proposta e i danni rilevati con il progetto COPERNICUS, mostra un buon livello di accuratezza e precisione dei risultati.

Figura 1: Spostamento verticale misurato nel centro abitato di Amatrice individuato con la linea nera nella figura di destra

Figura 2:  Change detection sull'insediamento storico di Amatrice (a sinistra). Classificazione degli edifici (a destra).

 Per informazioni

Gabriele Nolè, CNR-IMAA, Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

Approfondimenti

Early estimation of ground displacements and building damage after seismic events using SAR and LiDAR data: The case of the Amatrice earthquake in central Italy, on 24th August 2016

International Journal of Disaster Risk Reduction. Pub Date: 2020-10-17, DOI: 10.1016/j.ijdrr.2020.101924,  Lucia Saganeiti, Federico Amato, Gabriele Nolè, Marco Vona, Beniamino Murgante.