Monitoraggio dei processi idroerosivi con impiego di rilievi ad alta risoluzione

Geomorphic changes that occurred over a period of three years in a small mountain catchment, where intense rainfalls frequently cause the occurrence of debris flows, were studied by carrying high-resolution multitemporal topographic surveys Methods of field survey and data processing were also studied, with the aim of improving high-resolution morphology analysis techniques. The study examined the Moscardo Torrent (Eastern Italian Alps), particularly exposed to hydro-erosive and, more specifically, debris-flow dynamics. The present work is subdivided into three parts: the monitoring of the events, TLS surveys and data processing, close-range photogrammetric surveys and data processing. These parts, even if separately reported in the thesis, can still be considered tightly interconnected. The first part of the study involved the monitoring of rainfall events and of related hydro-erosive processes. A periodic monitoring was carried on selected areas of the catchment particularly exposed to hydro-erosive dynamics, aiming to track geomorphic changes that occurred in the years 2011-2013. Rainfalls were recorded by means of a monitoring network of five rain gauges installed on the catchment and in its nearness. The monitoring of the events also involved the renewing of a debris-flow monitoring system, consisting of two ultrasonic sensors installed in the upper part of the alluvial fan, which allowed to record three debris-flows and to assess peak discharges and debris-flow volumes flown. Two debris flows occurred in September 2012 are amongst the largest since the beginning of monitoring activities in late 1980s. Monitoring results were compared with historical data recorded on the Moscardo Torrent and with records of other areas exposed to similar processes, thus increasing the basis of information represented by field surveys, which is necessary for developing, calibrating and validating geo-hydrological numerical models. Volumes assessed from debris-flow hydrographs were also compared with volumetric budgets calculated from the analysis of multitemporal TLS data acquired from pre- and post- event surveys. The periodic monitoring carried on the study areas during the three years allowed to better understand the potential causes of the discrepancies found between the different survey methods assessments. Morphological changes were analyzed by calculating DEM of Differences (DoDs) from 0.2 m resolution DEMs obtained from successive TLS surveys. DoDs are a useful tool to analyze morphological changes in slope and channel from the quantitative (scour and fill changes in volume) and the qualitative (spatial patterns of erosion and deposition) perspective. In the DoD analysis, special attention was paid to the registration of TLS point clouds, to the removal of the disturbance caused by vegetation presence and to the assessment of DEM accuracy. A new index, which takes into account the loss of accuracy caused by vegetation cover, was developed and combined with more commonly used indicators (point density and terrain slope) to assess elevation uncertainty as spatially variable. The correlation of these indexes with unchanged extents (or where negligible change had occurred) in the DoDs was analyzed. Then, a method based on fuzzy logic, which takes into account DEM uncertainties in a spatially variable way, was used. The method was calibrated on the basis of the results of the correlation analysis between each index and vertical error. By spatializing elevation uncertainty in the DEMs and by applying a method which takes into account spatial coherence of depositional and erosional units, it was possible to recover information that would have been discarded if a minimum level of detection was treated as spatially uniform, especially for what concerns low magnitude geomorphic changes. In the third part of the study, the quality of 0.5 m resolution DEMs obtained from close-range terrestrial photogrammetric surveys was analyzed, for the purpose of an independent or a TLS-combined use. Surveys were performed using a non-professional camera, with the objective of comparing such an economic (in terms of instrumentation costs and time needed to acquire and process data) technique with more accurate and more expensive TLS techniques. For the assessment of DEM quality, DoD maps were calculated against TLS-derived DEMs, interpreting deviations from a value of “zero” as vertical errors of DoD value-given magnitude. Errors were then correlated with several indicators of vertical uncertainty. As a general conclusion of the study, it is possible to observe that high-resolution DEMs allowed to detect even minor geomorphic changes occurred in the surveyed areas, but the limited spatial coverage of the surveys outlined some limitations in the monitoring of morphological variations carried out exclusively by means of terrestrial surveys over morphologically complex areas such as debris-flow catchments.

Nella presente tesi sono stati analizzati, mediante rilievi topografici ad altissima risoluzione, i cambiamenti morfologici avvenuti, nel corso di tre anni, in un piccolo bacino alpino nel quale eventi meteorici di forte intensità provocano frequentemente l’innesco di colate detritiche. Lo studio ha anche riguardato i metodi di rilievo e di elaborazione dei dati raccolti, nell’ottica dell’affinamento delle tecniche di analisi ad alta risoluzione della morfologia. Lo studio è stato condotto sul bacino del Torrente Moscardo (Alpi Carniche), particolarmente esposto ai fenomeni idroerosivi e, nello specifico, alle colate detritiche. Concettualmente il lavoro è stato suddiviso in tre parti: monitoraggio degli eventi, rilievi ed elaborazioni TLS, rilievi ed elaborazioni fotogrammetrici terrestri. Queste parti, presentate distintamente nella tesi, possono tuttavia considerarsi strettamente interconnesse. La prima parte dello studio ha riguardato il monitoraggio degli eventi meteorici e dei processi idroerosivi ad essi associati. Su alcune aree del bacino caratterizzate da una sensibile esposizione alle dinamiche idroerosive è stato eseguito un monitoraggio periodico, finalizzato a catturare da un punto di vista prettamente qualitativo le variazioni insorte in seguito agli eventi meteorici occorsi nel triennio 2011-2013. Le precipitazioni sono state monitorate mediante una rete di 5 pluviometri installati sul bacino e in prossimità di esso. Il monitoraggio degli eventi ha inoltre interessato il ripristino di un sistema di rilevamento idrometrografico localizzato in area di conoide, che ha permesso di registrare il passaggio di tre colate detritiche ed effettuare le stime dei relativi volumi e delle portate di picco. Le due colate registrate nel settembre 2012 possono essere annoverate tra gli eventi di maggiore entità registrate dall’inizio del monitoraggio delle colate del Torrente Moscardo intrapreso alla fine degli anni ’80 del secolo scorso. I risultati del monitoraggio condotto nel triennio sono stati confrontati con le serie storiche relative al monitoraggio effettuato sul Moscardo e su altre aree esposte a simili processi, incrementando quella preziosa base di informazione rappresentata dai rilievi in campo che è necessaria allo sviluppo, all’affinamento e alla validazione dei metodi e dei modelli geo-idrologici. I volumi stimati dagli idrogrammi delle colate sono stati confrontati con i bilanci volumetrici ottenuti dalle analisi basate sui rilievi TLS multitemporali condotti a cavallo degli eventi. Il monitoraggio periodico effettuato sulle diverse aree nel corso del triennio ha permesso una migliore comprensione delle possibili cause delle discrepanze riscontrate tra le stime ottenute dai diversi metodi di rilievo. L’analisi delle variazioni morfologiche è stata realizzata attraverso il calcolo dei DEM delle Differenze (DEM of Differences – DoD), ottenuti dal confronto tra DEM alla risoluzione di 0.2 m ottenuti da rilievi consecutivi nel tempo. I DoD rappresentano un utile strumento per analizzare le variazioni morfologiche sui versanti e sui canali sia da un punto di vista quantitativo (volumi erosi e depositati) che qualitativo (pattern di erosione e deposizione). Nell’analisi basata sui rilievi TLS è stata posta particolare attenzione agli aspetti riguardanti la registrazione delle nuvole di punti, la rimozione dell’effetto di disturbo causato dalla vegetazione e la valutazione dell’accuratezza dei DEM. È stato sviluppato un nuovo indice, in grado di quantificare l’effetto di disturbo nella qualità dei DEM causato dalla presenza relativa della vegetazione nei confronti della disponibilità di informazione riferita al terreno. Tale indice è stato utilizzato assieme ad altri due indicatori (densità di punti del rilievo TLS e pendenza) per stimare l’incertezza verticale e propagarla nei DEM in maniera spazialmente variabile. Come prima cosa è stata analizzata la correlazione di ciascun indicatore con l’errore verticale nelle aree comuni ai diversi DEM multitemporali identificate come non soggette a variazioni; successivamente è stato impiegato un metodo di spazializzazione dell’errore basato su logica fuzzy proposto da Wheaton et al. (2010), tarato sulla base dei risultati dell’analisi di correlazione tra indicatori ed errore verticale. Spazializzando l’incertezza verticale e applicando un metodo che prende in considerazione la coerenza spaziale delle unità erosive e deposizionali, è stato possibile recuperare quell’informazione relativa alle variazioni morfologiche minori che sarebbe andata prevalentemente perduta se l’incertezza verticale fosse stata considerata spazialmente uniforme. Nel lavoro di tesi è stata infine analizzata la qualità dei modelli del terreno (0.5 m di risoluzione) ottenuti da rilievi fotogrammetrici terrestri, nell’ottica di un loro utilizzo indipendente o di una loro combinazione con i modelli ottenuti da rilievi TLS. I rilievi sono stati realizzati mediante l’utilizzo di strumentazione amatoriale e secondo principi di economicità dei tempi necessari al rilievo e al processamento dei dati, al fine di realizzare un confronto con le tecniche decisamente più accurate ma anche più onerose (soprattutto in termini di costi riferiti alla strumentazione) rappresentate dai rilievi LiDAR. L’analisi è stata condotta correlando l’errore verticale (quantificato sulla base dei confronti con i modelli di riferimento, rappresentati dai DEM TLS acquisiti nel corso della medesima giornata) con diversi indicatori di incertezza verticale. Nel complesso, se da un lato l’elevata risoluzione dei modelli del terreno ha consentito di cogliere nel dettaglio le variazioni occorse, dall’altro la limitata copertura dei rilievi ha evidenziato alcuni limiti per quello che può rappresentare un monitoraggio delle variazioni geomorfologiche condotto esclusivamente con mezzi terrestri in aree caratterizzata da elevata complessità morfologica