DOTTORATO DI RICERCA IN INFRASTRUTTURE E TRASPORTI SCHEDA PER L’AMMISSIONE AL III ANNO DI CORSO
Dottorando: Alexis Felipe Orellana Muñoz Ciclo : 34 Curriculum: Infrastrutture, Sistemi di trasporto e Geomatica
Tutore: Prof.ssa Paola di Mascio, relatore: Prof.ssa Maria Marsella.
Argomento della ricerca: Telerilevamento Radar Satellitare nelle infrastrutture: DinSAR per il monitoraggio e manutenzione delle infrastrutture stradali.
1 – Aggiornamento del programma logico e cronologico delle attività (Precisazione del tema prescelto per la Tesi finale; inquadramento delle attività già svolte e da compiere nell’ultimo anno, con aggiornamento delle previsioni su obiettivi e metodologia; cronoprogramma).
1.1 Precisazione del tema prescelto per la Tesi finale:
Telerilevamento Radar Satellitare nelle infrastrutture di trasporto: Applicazione della Interferometria Diferenziale DinSAR per il monitoraggio e manutenzione delle infrastrutture stradali.
1.2 Inquadramento delle attività già svolte e da compiere nell’ultimo anno, con aggiornamento delle previsioni su obiettivi e metodologia; cronoprogramma:
Lo scopo di questa ricerca è applicare la interferometria satellitare SAR, per il monitoraggio e la manutenzione delle infrastrutture stradali, Sono state utilizzate due tipologie di satelliti radar (immagine ad alta e bassa risoluzione), con due tecniche di processamento.
Con i risultati ottenuti, siamo stati in grado di interpretare i dati, sulla base dell'elaborazione di mappe di deformazione e classificazione dei tassi di deformazione, analizzando alcune sezioni stradali più al dettaglio e anche alcune aree della rete infrastrutturale (caso studio).
1.3 Metodologia: La metodologia è basata su 3 step principali:
STEP1: Analisi a Bassa risoluzione (General deformation overview): Panoramica generale della deformazione con dati Sentinel 1, a bassa risoluzione nell’area di interesse che copre l'estensione di una rete di infrastruttura.
STEP2: Analisi ad alta risoluzione (Critical infrastructure): L'infrastruttura viene analizzata più in dettaglio, con dati Cosmo-SkyMed ad alta risoluzione, suddividendo le sezioni e le componenti strutturali e individuando le sezioni critiche.
STEP3: Validazione dei risultati: I dati sono validati, attraverso un confronto coi dati del suolo e mappe geologiche, anche la validazione con strumentazione di campo è fondamentale per capire se i dati acquisiti del satellite possono essere utili per la manutenzione stradale.
1.4 Previsione degli obbiettivi: i primi obiettivi del secondo anno sono stati raggiunti: abbiamo potuto verificare che i dati satellitari possono essere utilizzati per monitorare una rete infrastrutturale di grandi dimensioni, e possono essere utilizzati anche su scala minore nel caso di tratti critici, dove viene identificata un'elevata densità di dati.
L'attività di ricerca dell'ultimo anno è principalmente focalizzata sulla validazione dei risultati:
1. Validazione basata sulla strumentazione in situ applicata al primo caso di studio, l'obiettivo di questa è verificare se i dati satellitari sono relativi alla superficie dell'infrastruttura e possono essere utilizzati per processi di manutenzione.
2. Validazione basata sul confronto di informazioni geotecniche e strutturali, per le quali viene sviluppato un caso di studio in collaborazione con un'università straniera.
2. Attività di ricerca realizzata nei primi due anni (identificazione e documentazione delle attività di: raccolta dati, sviluppo modelli, calibrazione, validazione delle procedure, eventuali criteri di autoverifica, etc.).
Nei primi due anni abbiamo avuto una costante ricerca di letteratura, per verificare lo stato dell'arte, nel campo del telerilevamento radar satellitare applicato alle infrastrutture di trasporto e rete di infrastrutture.
2.1 Raccolta dei Dati: abbiamo utilizzato per bassa risoluzione Sentinel-1, che è disponibile gratuitamente tramite il programma COPERNICUS della ESA (European Space Agency) con ciclo di ripetizione di 12 giorni, dato che è sufficiente l'entità attesa dei movimenti di terra e la disponibilità di un gran numero di acquisizioni nell'area di interesse. I vantaggi di Sentinel 1 derivano dalla sua copertura ad ampio raggio (250 km in modalità interferometrica a banda larga).
Inoltre, è stata usata la tecnica TOPSAR (Terrain Observation with Progressive ScanSAR), che utilizza strisce di immagine che possono essere configurate nella pre-elaborazione garantendo una qualità dell'immagine omogenea su tutta la gamma.
I dati SAR utilizzati ad alta risoluzione con Cosmo-SkyMed, la Costellazione dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) consentono un ciclo di ripetizione di 6 giorni nella stessa area della Terra con la stessa modalità di acquisizione e con ogni satellite. I prodotti utilizzati erano Stripmap-HIMAGE (3 m x 3 m nel raggio vs. azimut). Uno dei vantaggi è la banda X che fornisce alta risoluzione, inoltre la configurazione nominale (full size) dell'orbita della costellazione è progettata per ottenere il miglior equilibrio tra costi e prestazioni, fornendo accesso globale alla Terra a un livello di costellazione di poche ore almeno due opportunità in un giorno per accedere allo stesso sito target sulla Terra in diverse condizioni di osservazione.
2.2 Sviluppo dei modelli: abbiamo utilizzato algoritmi per il processamento delle immagini già brevettati. La parte di innovazione è l’utilizzo dei dati, processati con un workflow completamente open source, che consiste nella integrazione della pre-processing con SNAP al processamento con StAMPS. In questa parte siamo riusciti a avviare una collaborazione con gli autori di questo modello. Questo modello è uno istrumento importante per la finalità degli obbiettivi della ricerca.
2.3 Attività di ricerca: sono state utilizzate due tecniche di elaborazione delle immagini, (i) la prima è basata su software libero e dati ad accesso aperto: dati utilizzati da Sentinel-1, software SNAP gratuito e integrazione con StaMPS per il processamento, (ii) la seconda su software commerciale e dati commerciali provenienti da Cosmo-SkyMed e tecnica SBAS.
L'obiettivo della attività (i) era quello di determinare una visione d'insieme della deformazione della strada, individuando strutture e tratti critici. Utilizzando l'open source e dimostrando il potenziale di Sentinel 1, per monitorare le anomalie della rete di infrastrutture. L'altro obiettivo (ii) è quantificare le deformazioni dell'infrastruttura critica identificata e ottenere un'alta densità di PSI. Attualmente, non solo sono disponibili nei SW commerciali validi strumenti per valutare il PSI.
2.4 Validazione delle procedure: siamo stati in grado di ottenere una prima valutazione, incrociando le informazioni ottenute dei tassi di deformazione con mappe geologiche e tipologie di suolo. Confermando la deformazione per certo tipo di suolo, è fondamentale in questa fase validare i dati acquisiti dal satellite, con altre fonti di dati e strumentazione in situ. Per approfondire i risultati, questa procedura potrebbe essere un passo per l’utilizzazione dei satelliti radar, nei processi di manutenzione delle infrastrutture stradali.
3 – Esame delle problematiche emerse e degli aspetti critici (breve discussione degli elementi caratterizzanti il lavoro compiuto, con particolare attenzione agli aspetti più critici ed alle difficoltà emerse, con indicazione delle soluzioni individuate o delle alternative praticabili per la prosecuzione delle attività).
A livello operativo, la prima difficoltà che ho riscontrato è stata quella di non poter accedere a immagini SAR ad alta risoluzione il secondo caso studio (Sud America, regione del Cile centrale), questa area ha poca copertura e non ci sono immagini sufficienti per un'alta analisi multi- immagine, come è stato verificato direttamente con la ASI (Agenzia Spaziale Italiana). Tuttavia, è stato possibile accedere liberamente alle immagini SAR dell’ESA (European Space Agency), dove l'area di studio cilena , è coperta con alta frequenza. In questo caso sono state scaricate abbastanza immagini per effettuare un'analisi multi-immagine.
D'altra parte il lavoro a distanza, dovuto principalmente al problema della pandemia, rende difficile il contatto quotidiano con il personale.
4 – Potenzialità di conseguire un “impatto” scientifico significativo (giudizio critico sulla efficacia ed originalità che la ricerca, al termine del Dottorato, potrà dispiegare, in relazione al quadro scientifico di riferimento e all’evoluzione delle conoscenze in corso in ambito nazionale ed internazionale).
Da un punto di vista critico, si assume che si stia lavorando con immagini, algoritmi e tecniche di elaborazione, comprovati e brevettati da molti anni. Nel campo delle tecniche di elaborazione delle immagini radar, non c’è alcun contributo per il quadro scientifico di riferimento. Il contributo è dal punto di vista dell'utilizzo delle informazioni e la sua applicazione.
La tecnologia DInSAR è molto diffusa e utilizzata nel quadro scientifico, tuttavia non è stata ampiamente utilizzata per reti infrastrutturali su larga scala. La ricerca affronta un tema poco diffuso in letteratura nazionale e internazionale, principalmente sotto l'aspetto della tecnologia DInSAR applicata alle reti infrastrutturali per il monitoraggio e manutenzione.
La ricerca potrebbe avere un impatto significativo, nella validazione dei dati satellitari con strumentazione a terra. Se ci fosse una correlazione tra il fenomeno di subsidenza e la superficie stradale, potrebbe essere significativo soprattutto nel campo operazionale.
5 – Schema di impostazione della Tesi finale di Dottorato e programmazione delle attività di completamento.
Di seguito si riporta l’indice della Tesi di Dottorato:
Capitolo 1:
Premessa:
Introduzione:
Premessa:
Scopo dello studio:
Struttura della tesi:
Capitolo 2:
Radar satellitare:
Immaginate SAR:
Costellazioni satellitari SAR:
Accessibilità e raccolta dei dati:
Capitolo 3:
Interferometria Differenziale SAR:
Vantaggi e Limitazione:
Persistent Scatterer interferometry (PSI):
Metodi di elaborazione delle Immagine:
Pre e Post-elaborazione:
Capitolo 4:
Caso di studio: Roma Area di studio:
Caratterizzazione geologica:
Elaborazione dei dati:
Sentinel 1:
Cosmo-SkyMed:
Analisi dei Risultati:
Capitolo 5:
Caso di studio: Concepcion-Chile Area di studio:
Caratterizzazione geologica:
Elaborazione dei dati:
Sentinel 1:
Analisi dei Risultati:
Capitolo 6:
DInSAR per il monitoraggio e la manutenzione delle infrastrutture:
Analisi a bassa risoluzione (Sentinel 1):
Analisi ad alta risoluzione (Cosmo-SkyMed):
Validazione dei risultati:
Generazione delle Indicatori geotecnici e strutturale:
Proposte per il monitoraggio e la pianificazione di manutenzione:
L’attività di completamento della ricerca da svolgersi nel terzo anno riguarda:
.
Validazione dei risultati satellitari (Capitolo 6),.
Sviluppo caso studio 2 (Cile) e generare indicatori geotecnici e strutturali basati nei dati satellitare e geotecnica locale (Capitolo 5 e 6),.
Stesura della Tesi di Dottorato.6 – Cronogramma:
Di seguito il cronogramma delle attività:
I II III IV I II III IV 1 Revisione dello stato dell'arte e la letteratura (aggiornamento)
2 Raccolta dei dati (sentinel 1 e Cosmo-SkyMed)
3 Elaborazione dei dati (Collaborazione Blasco-dati Survey Lab) 4 Overlaying e elaborazione delle mappe
5 Analisi dei risultati e validazione con mappe geologiche 6 Redazione di un articolo
7 Validazione dei risultati caso studio (Italia)
8 Sviluppo caso studio Cile (Elaborazione delle immagine)
9 Analisi dei risultati e generazione di indicatori geotecnici e strutturali 10 Stesura della Tesi
II Anno III Anno Attività
N°
SEZIONE B
Attività di collaborazione e supporto; formazione ed acquisizione di capacità evolute (massimo 2 pagine)
1 – Partecipazione alle attività di didattica presso la struttura di afferenza (attività seminariale, supporto alla didattica frontale, preparazione di materiale didattico, collaborazione per ricevimento studenti, collaborazione allo svolgimento di tesi di laurea e stages).
Non si ha partecipato di attività didattica
2 – Attività di formazione (soggiorni presso strutture di didattica e ricerca in Italia e all’estero, corsi curriculari o speciali frequentati, partecipazione a seminari, convegni, workshop, etc.).
Seminari:
-23 settembre 2020: CLEOS GOES LIVE! The digital marketplace powered by AI for EO (ASI).
Seminari interni:
- 8 giugno 2020 - Mattia Crespi, Roberta Ravanelli - Gestione di big geo data con Google Earth Engine.
- 15 giugno 2020 - Mattia Crespi, Augusto Mazzoni - PVT estimation from Android Raw GNSS Measurements.
- 23 giugno 2020- seminario della Prof.ssa Carla Nardinocchi dal titolo: "Tecniche della geomatica per la elaborazione di nuvole di punti".
- 23 giugno 2020 - seminario del Prof. Valerio Baiocchi dal titolo: "La Geomatica ed i suoi più recenti sviluppi".
3 – Collaborazione a studi, ricerche, programmi strutturati (contributi in PRIN, ricerche di Facoltà e di Ateneo, convenzioni, etc., con inquadramento del programma e specificazione dell’attività prestata).
è stata avviata una collaborazione scientifica basata in una convenzione quadro tra la Facoltà di Ingegneria Civile e Industriale (Sapienza) e la Facoltà di Ingegneria della (Universidad de Concepcion), Cile, l’obbiettivo di questa collaborazione è di supportare la mobilità del sottoscritto per lo sviluppo di un caso studio, e anche di promuovere la mobilità dei futuri studenti.
SEZIONE C Informazioni
(Tale sezione contiene le informazioni richieste alla fine ogni anno dall’Ufficio Dottorati)
1) Titolare di borsa erogata dalla Sapienza - Università di Roma……….SI
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NO X2) Nazionalità ………..
3) Dottorato in cotutela ……….………SI
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NO X(se si indicare il cotutore………..)
4) Dottorato con doppio titolo …….……….………SI
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NO X5) Borsa con finanziamento esterno ……….………SI
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NO X6) Università di provenienza: Universidad de Bio Bio, Cile
7) Numero di mensilità di ricerca spese in una struttura di ricerca estera: nessuna 8) Finanziamenti all’interno di reti internazionali di formazione alla ricerca ..SI
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NO X 9) Pubblicazioni e altri prodotti degli ultimi 3 anniPer le aree bibliometriche. Articoli pubblicati su riviste peer-reviewed internazionali (ed eventualmente proceedings per le aree che accettano) con impact factor (indicizzate WoS) o indicizzate Scopus.
Per le aree non bibliometriche. Prodotti editoriali pubblicati dai dottorandi come Monografie dotate di ISBN e/o pubblicazioni in riviste di fascia A (o prodotti editoriali equivalenti ammessi dalla VQR).
Aggiungi l’articolo in fase di revisione
Sotto processo di revisione il seguente articolo: Orellana F. Delgado Blasco J.M, Foumelis M.,D’Aranno Peppe, Marsella M., Di Mascio P., (2020) DInSAR for Road Infrastructure Monitoring: Case Study Highway network Rome Metropolitan (Italy), Remote sens. 2020.
