CAPITOLO 4. Determinazione dei piani di discontinuità di pareti rocciose 147
sente sempre più la necessità, sia per aspetti di protezione civile e del territorio, sia per aspetti legati allo sfruttamento turistico delle risorse montane, di avere un quadro il più possibile esteso delle caratteristiche statiche degli ammassi rocciosi.
Per superare tutte queste limitazioni sono stati proposti [Harrison 2000] metodi alternativi basati es-senzialmente su un’analisi geometrica della superficie dell’ammasso (DSM) ricostruito con un rilievo fo-togrammetrico. I parametri di dip e dip direction possono essere facilmente ottenuti una volta nota l’equa-zione del piano che rappresenta la discontinuità in un sistema di riferimento orientato a Nord; il piano può essere stimato da una serie di punti ben distribuiti sulla superficie di discontinuità, ad esempio per mezzo di una stima a minimi quadrati; il centro di massa di tali punti può fungere da indicatore della collocazione spaziale della discontinuità. Procedendo sistematicamente lungo lo sviluppo della parete rocciosa si genera un database delle discontinuità, descritte per mezzo della loro posizione e del loro orientamento, da impie-gare nell’analisi statistica della loro distribuzione o nella costruzione geometrica del modello numerico.
L’approccio descritto, sebbene in grado di superare tutte le limitazioni presenti nel rilievo diretto, deve soddisfare alcuni requisiti essenziali affinché tale metodologia possa a buon diritto essere considerata un reale passo avanti rispetto alle tecniche tradizionali: deve essere possibile ottenere punti misurabili su tutta l’estensione rocciosa considerata ed in particolar modo sulle principali o significative superfici di discon-tinuità; la precisione di misura in termini di dip e dip direction deve, con buona garanzia, essere almeno analoga a quella ottenibile con bussola geotecnica (alcuni gradi sessagesimali); il metodo deve in effetti presentare la soluzione ai problemi di accesso alla parete e di sicurezza degli operatori coinvolti; il metodo deve anche rappresentare una soluzione ottimale in termini di tempi e di risorse impiegate, nel senso di incrementare la produttività delle procedure di misura a costi sostanzialmente inferiori.
4.2. Un sistema fotogrammetrico per il controllo di
4.2.1. Progetto e ripresa delle immagini
L’acquisizione delle immagini richiede una certa esperienza e sensibilità da parte dell’operatore: in par-ticolare l’attenzione ad assicurare assenza o minimizzazione delle occlusioni, una buona copertura multi-immagine della superficie da rilevare, per garantire omogeneità di precisione e affidabilità del blocco.
Per la grande varietà di situazioni cui ci si può trovare di fronte si possono solo indicare intervalli di massima per i parametri geometrici di riferimento nella progettazione del blocco: dai 3 esempi sui quali si è lavorato si può desumere che, in relazione alle caratteristiche tipologiche della roccia ed all’ampiezza della struttura, la scala fotogramma deve consentire una risoluzione al suolo da 2-3 cm a 10-12 cm (densità di campionamento di 1 punto ogni 10-40 cm). Per quanto riguarda la precisione del DSM, essa andrebbe a rigori derivata da quella necessaria per i piani di discontinuità, dell’ordine di 4-5°. L’incertezza degli angoli dip e dip direction dipende infatti primariamente da 2 elementi:
Ripresa del blocco fotogrammetrico
Orientamento (structure and motion)
Restituzione (matching denso)
Rilievo con laser scanning
DSM della parete (nuvola di punti)
Misure geometriche (dimensione dei blocchi, spaziature, aperture, etc.)
Discontinuità (dip, dip direction e posizione) Metodi interattivi Metodi interattivi o automatici
Analisi statistica Analisi geometrica
Rilievo meccanico (materiali, rugosità, etc.)
Analisi strutturale (modellazione numerica) Rilievo geometrico
Figura 4.4: Schema procedurale per il rilievo, la modellazione e l’analisi dei fenomeni di instabilità di pareti rocciose.
CAPITOLO 4. Determinazione dei piani di discontinuità di pareti rocciose 149 rapporto tra la precisione delle coordinate dei punti e la distanza media tra i punti;
“gibbosità” naturale della superficie rocciosa.
Pertanto, porzioni di roccia sensibilmente piane e di forma pressoché quadrata si prestano meglio di altre, di forma allungata; a parità di forma, superfici estese permettono di scegliere i punti a distanze medie maggiori e quindi richiedono minor precisione alle coordinate dei punti. Risultati soddisfacenti sono stati raggiunti con precisioni tra 2 e 30 cm circa.
Per quanto riguarda la presa, per applicare con successo le tecniche di S&M, occorre effettuare riprese in sequenza, fino ottenere una base ottimale tra primo ed ultimo fotogramma; la base intermedia lungo la sequenza deve essere opportunamente proporzionata. Per contenere le occlusioni e assicurare coperture multi-immagine occorre cercare punti di presa diversi, variando se necessario la focale. Importante è inol-tre evitare che famiglie di discontinuità siano occluse o mal determinabili (ad esempio perchè viste molto di scorcio), di nuovo agendo sulla scelta dei punti di presa. Il fatto che, nella prospettiva del progetto, la ripresa sia affidata ad un geologo o comunque che vi sia stata una ricognizione preliminare, è sotto questo aspetto assai importante, in quanto l’esame visivo della struttura è sufficiente al geologo per cogliere gli elementi caratterizzanti da rilevare.
Se l’area è molto estesa, può essere necessario determinare punti di appoggio, per evitare deformazioni del blocco; in tal caso la soluzione ideale è adottare teodoliti reflectorless di grande portata, con immediata realizzazione della monografia relativa ad ogni punto. Un’alternativa potrebbe essere quella di riprendere le immagini con camera fissata a palina con antenna GPS, per vincolare il blocco sui centri di presa. Con strutture molto grandi o siti inaccessibili l’unica possibilità è la ripresa da elicottero, che richiede una pre-liminare ed attenta pianificazione delle riprese.
La ricostruzione della S&M si effettua in un sistema di riferimento arbitrario con scala arbitraria; l’ana-lisi geotecnica richiede invece una corretta messa in scala del modello, il riferimento alla verticale e l’orien-tamento al Nord con l’approssimazione di qualche grado. Su questo aspetto non si è ancora definito un metodo applicabile in tutte le situazioni e probabilmente occorrerà, a seconda delle circostanze, optare per una tra varie soluzioni, diversa per impegno tecnologico, competenze richieste, livello di precisione e affidabilità.
Impiegando un elicottero, è possibile montare la camera solidale ad una antenna GPS tramite un ele-mento rigido [Vallet 2000]. In tal caso, interfacciando la camera al GPS, si possono inserire nella compen-sazione del blocco le posizioni dell’antenna agli istanti di presa e impiegarli come nella Triangolazione Aerea assistita da GPS [Forlani 1994], referenziando il blocco in WGS84. Esperimenti condotti a terra nel campus di Parma hanno confermato la praticabilità e precisione del metodo, a condizione di effettuare due strisciate ricoperte trasversalmente. Qualora la costellazione GPS sia povera e impedisca una soluzione con le fasi, una possibilità è quella di limitarsi al calcolo del fattore di scala dalle posizioni con misure di codice, usando i punti di presa agli estremi della strisciata.
Per rilievi da terra, si può operare con camera e GPS su palina, come accennato; in alternativa, il fattore
•
•
di scala e il riferimento alla verticale possono essere ottenuti con metodi speditivi, ad esempio riprendendo nella sequenza una stadia posta in verticale in più punti; il riferimento al Nord può di nuovo essere misurato con bussola a traguardo, materializzando due punti di presa. Altre soluzioni sono ovviamente possibili con strumentazione topografica (livello o teodolite): dal rilievo di punti d’appoggio e dei centri di proiezione all’imposizione di vincoli (orizzontalità, verticalità, distanza, dislivello) tra questi; nel quadro del progetto, tuttavia, si vorrebbero limitare sia le esigenze di strumentazione sia le competenze tecniche richieste.
4.2.2. Il software di elaborazione ed il flusso di informazioni
L’orientamento delle immagini e la generazione del DSM dell’ammasso roccioso sono sostanzialmente automatiche, se la geometria di presa e la tessitura della roccia hanno le caratteristiche adatte; la georeferen-ziazione invece, per la quale esistono più opzioni, è ovviamente interattiva e può essere effettuata con GPS o metodi speditivi. La segmentazione dei piani, la stima delle dip e dip direction possono essere effettuate sia interattivamente sia automaticamente (fatto salvo l’affinamento di alcuni parametri nell’algoritmo di segmentazione del DSM); si misurano poi manualmente gli altri parametri geometrici che caratterizzano la parete (spaziatura, dimensione dei blocchi etc.). Un’opportuna interfaccia permette poi l’immediato inseri-mento dei risultati nei programmi dedicati all’analisi statistica e strutturale dell’ammasso, rendendo l’intero processo estremamente snello.
4.2.3. Versanti in roccia: Fotogrammetria o Laser Scanner?
Dal momento che il metodo proposto da Harrison è essenzialmente geometrico, esso è indipendente dalla tecnologia con cui sono stati rilevati i dati: in alternativa alla fotogrammetria, quindi, può essere im-piegato il laser a scansione terrestre. Obiettivo intermedio del progetto INTERREG è pertanto anche il con-fronto fra questi sistemi di misura (o altri adatti allo scopo), per valutare pro e contro di ciascuno. Sebbene una dettagliata analisi comparativa delle due tecniche sia estranea agli scopi del presente lavoro, sembra opportuno integrare le considerazioni generali del § 2.6. con alcune proprie del rilievo di pareti in roccia.
Il laser scanner si presenta come uno strumento di maggior semplicità d’uso (in questo contesto è richie-sta una minor sensibilità nella progettazione del rilievo rispetto a quella di un equivalente blocco fotogram-metrico); in quanto strumento attivo, risente in misura assai minore o trascurabile della tessitura della roccia e delle condizioni di illuminazione (ombre) rispetto alla correlazione di immagini: precisione, risoluzione e affidabilità dei risultati sono legati a prestazioni hardware (peraltro in continuo miglioramento) piuttosto che a elaborazioni software con percentuali di successo variabili; è meno critica la presenza di occlusioni, poiché basta una sola visuale libera invece delle due necessarie in fotogrammetria e quindi vi è maggior libertà di scelta dei punti di stazione; il risultato del rilievo in campagna è direttamente la nuvola di punti, senza elaborazioni intermedie.
CAPITOLO 4. Determinazione dei piani di discontinuità di pareti rocciose 151
Per contro, sebbene destinati a calare in qualche misura con la diffusione crescente della tecnologia, i costi di acquisizione dell’hardware sono oggi inaccessibili alla maggior parte degli utenti e rimarranno di ben oltre un ordine di grandezza superiori a quelli della fotogrammetria (anch’essi in calo pur con risolu-zione delle immagini in crescita); nel caso specifico, tuttavia, quello che appare come (a nostro avviso) un importante e forse decisivo vantaggio a favore della fotogrammetria è la sua maggior flessibilità operativa.
Il laser infatti deve necessariamente operare da stazioni a terra sufficientemente agevoli da raggiungere (dato il costo e il peso delle apparecchiature); questo vale ovviamente anche per le prese fotogrammetriche da terra, se non si vogliono impiegare fotogrammetri-alpinisti. Tuttavia basta far mente locale e appare subito evidente che moltissime sono le situazioni in cui è indispensabile (per le condizioni di accessibilità alla parete, il mascheramento da parte della vegetazione, la distanza dalle più vicine strade o sentieri, la pendenza del versante, le visuali defilate od occluse) effettuare il rilievo impiegando un elicottero, dove le esigenze in termini di geometria di presa della fotogrammetria possono essere soddisfatte senza particolari difficoltà. Questo senza negare che in un numero certamente non piccolo di casi è ovviamente possibile operare anche da terra (e vi sono anche casi, in valli molto strette, in cui l’elicottero sarebbe a rischio e la fotogrammetria avrebbe maggiori difficoltà rispetto al laser nel trovare stazioni di presa soddisfacenti). Per impostare una campagna “a tappeto” in ambito regionale, l’impiego dell’elicottero ci sembra tuttavia una soluzione al tempo stesso economica e obbligata.
Per completare il quadro delle tecnologie disponibili, sembra corretto aggiungere una ulteriore possibi-lità, costituita da un laser a scansione da elicottero, con inerziale e GPS. Occorrerebbero tuttavia opportune modifiche all’installazione del telemetro, per consentire prese oblique od orizzontali. Non sembra che la strumentazione sul mercato, anche per valori di divergenza del raggio non trascurabile, abbia la possibilità di modificare i parametri di scansione per raggiungere le risoluzione elevate richieste in queste applicazio-ni; infine, non va dimenticata la limitazione alla capacità operativa di questi sistemi con costellazioni GPS in vista spesso assai povere.