Alberto GIUSSANI - Marco SCAIONI

Alberto GIUSSANI - Marco SCAIONI
Metodi topografici innovativi per l’analisi delle deformazioni nelle grandi dighe
Le tecniche tradizionali per il monitoraggio statico delle grandi dighe sono costituite da un insieme di diversi
sensori, integrati dall’utilizzo di metodi e strumenti di tipo topografico. Negli anni più recenti entrambe le
tecnologiche si sono alquanto evolute verso un elevato livello di automazione, rendendo possibile
l’acquisizione di serie di osservazioni ad intervalli di tempo molto ridotti. Si pensi ad esempio ai sensori
automatici quali i coordinatometri, i clinometri, i collimatori opto-elettronici, oppure alle stazioni totali
motorizzate. Tuttavia, tutti i metodi e gli strumenti impiegati sino ad oggi sono caratterizzati dal fatto di
misurare in modo assai accurato gli spostamenti e le deformazioni relative ad un numero ridotto di punti
della struttura, non fornendo alcuna informazione riguardo alle altri parti. Questa limitazione non rappresenta
un problema per la sorveglianza di una diga, mentre introduce un grado di approssimazione nell’ambito
dell’analisi del comportamento strutturale della stessa, soprattutto quando si vuole mettere in relazione le
deformazioni con le variazioni delle condizioni al contorno (parametri ambientali, livello del bacino,
evolversi di fenomeni di tipo geologico).
La disponibilità odierna di strumentazione laser scanning terrestre in grado di acquisire rapidamente una
densa nuvola di punti descrittiva della superficie di un oggetto, operando anche da distanze di 300-400 m, ha
suscitato l’interesse a verificarne l’impiego per la misurazione delle deformazioni nelle grandi dighe. La
disponibilità di una descrizione così fitta delle superfici consentirebbe infatti, se anche l’accuratezza dei
punti fosse sufficiente, di dedurre informazioni sul comportamento dell’intera struttura, non limitandosi a
pochi punti.
Tenendo conto che il paramento di una diga può avere spostamenti nel corso di un anno compresi entro
pochi centimetri, la precisione richiesta con cui determinare le variazioni geometriche di una superficie nel
tempo dovrebbe essere ragionevolmente nell’ordine di ± 5 mm, valore che attualmente è al limite delle
prestazioni strumentali. L’idea fondamentale che si sta sviluppando è quella di valutare le deformazioni non
utilizzando direttamente i punti rilevati mediante laser scanning, bensì interpolando questi ultimi con
superfici matematiche regolari in modo da ridurre gli effetti degli errori di misura e del rumore.
Al fine di valutare tutto questo, nell’ambito di un progetto di ricerca nazionale (PRIN 2004) è stata
organizzata una sperimentazione in collaborazione con AEM1 Area Produzione, realizzando un campo prova
presso la diga di Cancano in Alta Valtellina. Sul paramento della diga sono stati materializzati 70 target con
lo scopo di confrontare gli spostamenti valutati mediante le scansioni laser scanning con misurazioni
eseguite con stazione totale a partire dai vertici di una rete topografica appositamente realizzata. Una
ulteriore serie di target è stata posizionata attorno alle posizioni di stazione degli strumenti per valutare se
fosse possibile determinare la georeferenziazione delle scansioni senza utilizzare punti di riferimento sulla
struttura. La georeferenziazione, cioè l’inquadramento di ogni singola scansione all’interno di un sistema di
riferimento stabile, costituisce uno degli aspetti più delicati dell’intero processo, in quanto deve essere
realizzata in modo assai accurato per permettere il confronto tra le superfici nel tempo. Gli errori imputabili
alla georeferenziazione, assieme a quelli intrinseci alle misure stesse, vanno ad aumentare l’incertezza
complessiva della determinazione delle superfici, riducendo di conseguenza l’entità delle deformazioni che
posso essere misurate in modo significativo.
La sperimentazione è consistita nell’esecuzione, fino ad oggi, di 4 campagne di misura, intraprese nei periodi
dell’anno che solitamente corrispondono al carico maggiore (Ott. 2005 e Nov. 2006) e minore (Mag. 2005 e
2006). Due differenti strumenti laser scanner sono stati impiegati: un Riegl LMS-Z420i (a), caratterizzato da
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Azienda Energetica Municipale di Milano.
una lunga portata (oltre 500 m), e un Leica HDS3000 (b), con portata più ridotta (fino a circa 100 m). Le
acquisizioni sono state eseguite da punti e distanze diverse, in accordo alle caratteristiche dei due strumenti.
Lo strumento (a) è stato impiegato da due posizioni poste circa ad una distanza media di 160 m e 340 m dal
paramento di valle della diga, in modo da riprendere la sola porzione centrale di quest’ultimo; le scansioni
sono state ripetute nel corso di tutte le campagne di misura. Lo strumento (b) è stato invece utilizzato da 5
differenti posizioni poste più vicino alla diga, in modo tale da riprenderne l’intero paramento di valle;
purtroppo questo strumento è stato utilizzato solamente nel corso di due campagne di misura.
Le analisi dei dati sono state eseguite relativamente alla scanner (a), permettendo di confrontare tra loro le
scansioni acquisite da entrambe le postazioni scelte in 3 epoche diverse; la prima campagna di misura (Mag
2005) si è purtroppo rivelata inutilizzabile, a causa della presenza di un eccessivo rumore nelle osservazioni,
probabilmente imputabile ad un difetto dello strumento successivamente corretto. Si riassumono brevemente
nei seguenti punti le conclusioni che fino ad oggi è stato possibile dedurre dalla sperimentazione condotta,
considerando che la fase di trattamento dei dati è in pieno svolgimento e che probabilmente verranno svolte
in futuro nuove campagne di misura con modalità operative differenti:
 georeferenziazione dei dati: questo aspetto, che riveste un ruolo cruciale nella valutazione delle
deformazioni della diga, si è rivelato particolarmente critico. L’approccio utilizzato per entrambi gli
scanner è stato basato sull’impiego di target retro-riflettenti posti sia sul paramento frontale che
all’esterno, le cui coordinate sono state determinate con una stazione totale. Purtroppo il loro utilizzo
ha evidenziato due tipi di problemi: l’accuratezza della misura delle coordinate di riferimento
mediante stazione totale è circa dello stesso ordine dell’incertezza massima della misura delle
deformazioni che si vuole ottenere, fatto che ha reso particolarmente difficoltosa la fase di reiezione
degli errori durante il calcolo dei parametri di georeferenziazione. Inoltre, i dati analizzati hanno
evidenziato errori sistematici nelle misure di distanza eseguite sui punti appartenenti ai target, i quali
sono stati confermati da altri test sperimentali svolti. Per questo motivo, se da un lato si sta cercando
dal punto di vista teorico di raffinare la strategia di rimozione degli errori nella georeferenziazione e di
modellizzare alcuni errori sistematici nelle misure, dall’altro si vuole sperimentare in futuro l’impiego
di scansioni da pilastrini che permettono un riposizionamento molto accurato dello strumento nella
medesima posizione, evitando così l’uso dei target. Questi risultati hanno inoltre permesso di
concludere come non sia conveniente utilizzare solo target esterni alla diga.
 modellazione degli errori strumentali: i confronti tra le misure acquisite alle diverse epoche hanno
evidenziato la presenza degli errori nella misura dei target di cui si è parlato al punto 1, i quali sono
dipendenti dalla distanza ed è quindi possibile modellizzarli. Questa considerazione è sorta dai
confronti tra scansioni acquisite alla stessa epoca dalle due diverse stazioni, che non hanno fornito dati
completamente compatibili. Inoltre sono stati evidenziati comportamenti anomali nelle misure di
alcune porzioni della struttura, non imputabili alla georeferenziazione. Probabilmente sono presenti
errori sistematici che dipendono da fattori ambientali (ad esempio l’irraggiamento solare) e dalla
giacitura della superficie misurata rispetto al punto di stazione dello scanner.
 analisi delle deformazioni: quelle condotte risultano essere affette dai problemi precedentemente
discussi, che in parte potranno essere risolti mediante l’impiego di soluzioni operative alternative, in
parte realizzando l’analisi delle deformazioni con l’utilizzo di superfici interpolanti. Si è provveduto a
confrontare le misure di spostamento mediate sui punti collocati in zone della diga dove sono
disponibili dati indipendenti di confronto, ottenendo differenze contenute entro il valore massimo di
circa 8 mm.
Bibliografia
Alba M., Fregonese L., Prandi F., Scaioni M., Valgoi P., 2006. Structural Monitoring of a Large
Dam by Terrestrial Laser Scanning. In: The International Archives of the Photogrammetry, Remote
Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. 35(5), Dresden (Germany), pp. 6, su CDROM.
Alba M., Giussani A., Roncoroni F., Scaioni M., Valgoi P., 2006. Geometric Modelling of a Large
Dam by Terrestrial Laser Scanning. In Proc. of XXIII FIG Congress, Munich (Germany), 8-13 Ott,
pp. 15, su CDROM.