Il rilevamento con il drone Saturn della frana di Marano (Appennino bolognese)

Nel monitoraggio delle frane i droni rappresentano una risorsa importante perché riescono a fornire modelli digitali del terreno in modo rapido ed economico. La messa a punto di un sistema del genere non è però semplice e soprattutto occorre un'aeromobile che riesca ad avere una navigazione molto precisa, senza la quale la produzione del modello del terreno non sarebbe così accurata da osservare variazioni centimetriate fra un rilevamento e l'altro. Il gruppo di Geologia Applicata del Dipartimento di Scienze della Terra ha sviluppato e brevettato proprio per queste esigenze una specifica famiglia di droni, i Saturn. In questo post presento ad esempio quello che è stato fatto per il monitoraggio della frana di Marano, nell'Appennino bolognese.

Il fronte della frana sul fiume Reno a Marano:
si nota la parziale occlusione dell'alveo

Nella valle del Reno, come in tante altre località collinari e montane italiane, l'aumento della presenza umana ha ulteriormente alterato il precario equilibrio che in secoli di storia si era instaurato fra le attività umane e i processi naturali; per cui i fenomeni naturali che fanno parte della natura stessa del territorio, come le frane, possono arrecare oggi molti più danni di prima a causa della distruzione di edifici e siti produttivi o l’interruzione delle vie di comunicazione.

Un evento del genere è avvenuto il 3 marzo 2018, quando si è innescato un movimento franoso a Marano, località del comune di Gaggio Montano, in riva sinistra del Reno. Nelle prime fasi la frana ha deformato il vecchio percorso della strada statale 64 Porrettana, che ora, dopo la costruzione di una variante, serve solo al traffico locale, rendendolo inutilizzabile; nelle ore e nei giorni successivi i movimenti sono continuati, coprendo definitivamente quello che restava della strada ed arrivando al fiume, il cui alveo è stato parzialmente ostruito. 

erosione di sponda in riva destra sotto la ferrovia
in corrispondenza della frana in riva sinistra

A questo punto sono iniziati altri guai, perché, anche se per fortuna lo sbarramento non è stato totale, si è registrato un deficit di deflusso e quindi il restringimento ha provocato a monte l’innalzamento del livello delle acque; inoltre coincidenza ha voluto che in quel punto l’alveo presenti una leggera ansa verso sinistra, per cui due giorni dopo una piena, dovuta alle forti precipitazioni e al parziale scioglimento delle nevi cadute in precedenza, ha provocato l’erosione di un tratto della sponda destra del Reno, mettendo in pericolo la massicciata della ferrovia porrettana, che si trova subito sopra; di conseguenza anche la ferrovia è stata interrotta tra Riola e Porretta Terme, e lo rimarrà fino a quando la sponda non verrà rinforzata. La variante della statale Porrettana, invece, che corre poco sopra la ferrovia, non ha subìto problemi (se non le classiche “code per curiosi”...).

Non è la “prima edizione” di questa frana: si era mossa già 22 anni fa, distruggendo due case proprio lungo la statale porrettana, che non sono state poi ricostruite (e che, fra l’altro, sarebbero state distrutte di nuovo).

Gli abitanti del posto ricordano come nel 1996 le prime avvisaglie dell’evento furono delle fuoriuscite di acqua nel pendio e una curiosa coincidenza sta nel fatto che anche in quella occasione il fenomeno avvenne in corrispondenza di importanti nevicate. La zona di coronamento presenta inoltre tracce di altri movimenti avvenuti negli anni successivi al 1996.

Il risultato di tutto questo è stato la trasformazione in una valle di un dolce pendio coltivato a graminacee.

I DRONI DELLA FAMIGLIA SATURN. Per studiare l’evolversi della situazione sono stati installati diversi strumenti di monitoraggio, fra i quali un interferometer radar da terra messo a disposizione dal Dipartimento di Scienze della Terra (DST) dell’Università di Firenze (che già 22 anni fa fu fra gli enti che studiarono la situazione), del tipo di quello impiegato due anni fa per la frana del Lungarno Torrigiani.

Un aspetto molto importante dello studio di una frana è il poter ricostruire i movimenti del terreno precedenti al momento in cui il fenomeno si è evidenziato e a questo possono provvedere i dati satellitari pregressi prodotti dai radar interferometrici (InSAR, ne ho parlato qui a proposito del disastro della diga del Fundao, in Brasile); ma è necessario per capire la situazione attuale anche anche un modello digitale aggiornato del terreno (DTM – Digital Terrain Model). Per ottenerlo con una buona precisione la cosa più semplice è l’utilizzo di un drone.

Per farlo il DST ha utilizzato una macchina della famiglia Saturn, descritto in questo filmato: si tratta di una serie di droni sviluppati specificamente per il monitoraggio del terreno di cui il DST produce direttamente il telaio grazie ad una stampante 3D. I droni Saturn sono un brevetto dell’Università di Firenze; consistono in un telaio ad anello in cui sono posti i motori (in genere 6); la strumentazione viene alloggiata in una parte centrale collegata non rigidamente con l’anello da alcune braccia (da questo si capisce il perché del nome… in volo sembra proprio Saturno)

Il risultato è un telaio rigido ma nel contempo leggero, dove sensore di volo e strumentazione sono posti al centro del drone disaccoppiati dalle vibrazioni dei propulsori, mantenendo eccellenti doti di manovrabilità e basso consumo delle batterie, per cui la dinamica di volo è ottimale.

PRODUZIONE DI UN MODELLO DIGITALE DEL TERRENO CON UN DRONE. L’esecuzione di una missione del genere necessita di diverse fasi. Alla base c’è un software utilizzato sfrutta gli stessi trucchi che usa il cervello umano per elaborare le immagini ed ottenere la profondità di campo, e quindi, anche se la cosa potrà stupire in un’epoca in cui si parla di satelliti, interferometria, infrarossi ed ultravioletti, si utilizza una normalissima fotocamera nel visibile.

Un bersaglio utilizzato
per geo referenziare le immagini

La prima fase è una ricognizione topografica, che può essere effettuata in situ ma anche in modo virtuale, tramite la quale vengono determinati l’area da rilevare, uno o più siti da dove partire e i relativi piani di volo, consistenti in una serie di “strisciate” ottimizzate per fotografare in continuo la superficie che si vuole esaminare. Il numero di voli necessario è determinata sia dall’estensione dell’area in oggetto (i droni per forza di cose hanno una autonomia limitata dalla corrente elettrica delle batterie, che ovviamente non devono essere pesanti più di tanto) che dalle condizioni atmosferiche: una giornata senza vento consente di lavorare più speditamente con meno consumo di batterie rispetto ad una giornata ventosa (e in ogni caso un vento superiore ai 7 metri al secondo mette in grossa difficoltà l’aeromobile).

Il drone Saturn inoltre scatta l’immagine esattamente nel punto GPS stabilito dal piano di volo, minimizzando gli errori di puntamento. Il vero nemico, oltre ad un vento troppo forte, è la pioggia, specialmente con apparecchi di piccole dimensioni.

Saturn in volo sulla frana,
prova anemometrica prima del volo
e gli operatori che sorvegliano il volo

Arrivati sul posto, un controllo delle condizioni meteorologiche è necessario per stabilire se il piano di volo precedentemente studiato a tavolino sia fattibile o no. Inoltre si rende necessario il collocamento ai margini della zona di volo di alcuni bersagli visibili dal drone. L’operatore che posiziona i bersagli ne misura anche le coordinate con un sensore GPS RTK (palmare). Questi bersagli sono necessari per il processamento finale delle immagini, in quanto consentono la georeferenziazione sicura di quei punti, fondamentale sia per il DTM che per l’ortofotocarta. In genere vengono posti su due linee che delimitano la zona delle operazioni.

Durante il volo un operatore con il radiocomando che funge da interfaccia pilota il drone, rimanendo sempre in contatto con esso nel rispetto della normativa vigente e anche per riportarlo a terra in caso di necessità. Con il radiocomando vengono continuamente monitorati diversi parametri, da quelli di volo (posizione, inclinazione) a quelli tecnici come la carica delle batterie; un secondo operatore guarda da uno schermo quello che inquadra la telecamera del drone.

Dopo il volo le immagini vengono scaricate su un computer e viene ricavato un primo modello del terreno, a bassa risoluzione; questa fase serve per controllare che le immagini acquisite coprano tutta l’area necessaria per la successiva elaborazione, che verrà effettuata con lo stesso software, ma a risoluzione molto più dettagliata.

La frana di Marano è larga circa 100 metri al coronamento e 160 al fronte, ed è lunga circa 700 metri. Queste dimensioni potevano consentire teoricamente un unico volo. Purtroppo il vento ha costretto gli operatori a suddividere il rilevamento in tre voli distinti durati 12 minuti circa ciascuno. Così, mentre due operatori sono andati a mettere i bersagli, il pilota del drone ne ha riprogrammato il software.

In particolare sono stati effettuati un primo volo partendo dal coronamento, un secondo partendo dalla zona in cui la vecchia statale in riva sinistra del Reno è stata invasa dal corpo di frana e una terza partendo dalla riva destra del fiume sopra la ferrovia. Tutti e tre hanno avuto esito positivo in quanto, nonostante il vento, i piani di volo sono stati rispettati e le immagini regolarmente acquisite.

Il primo risultato, con il software “veloce” e ottenuto elaborando sul posto le immagini è questo:

Il modello digitale del terreno a bassa risoluzione ricavato nello stesso giorno.
Si evidenziano i solchi che sono stati tracciati nel corpo di frana per agevolare il ruscellamento

Nei giorni successivi le immagini verranno processate in sede fino ad ottenere una risoluzione centimetrica.

Sorvoli in giorni successivi potranno inoltre evidenziare tramite il confronto dei diversi DTM se e dove il corpo di frana si sia ulteriormente mosso con precisione centimetrica.

DTM di una cava ottenuti con
la stampante 3D

STAMPAGGIO IN 3D DEI DTM. I DTM possono anche essere usati per creare una stampa a 3D del terreno. Ne vediamo qui a destra un esempio che si riferisce ad un rilievo effettuato presso una cava di materiali lapidei.

In buona sostanza, il rilevamento con un drone di un corpo franoso fornisce un modello digitale del terreno preciso e acquisito con rapidità in modo sostanzialmente economico e che può essere agilmente ripetuto più volte.