metodo speditivo per ilrilievo geostrutturale nonacontatto in

METODO SPEDITIVO PER IL RILIEVO
GEOSTRUTTURALE NON A CONTATTO IN
SOTTERRANEO
Gessica Umili
Università degli Studi di Torino
[email protected]
Anna Maria Ferrero
Università degli Studi di Torino
[email protected]
Maria Rita Migliazza
Università degli Studi di Milano
[email protected]
Sommario
Il presente articolo descrive le fasi operative di un metodo speditivo per il rilievo geostrutturale non a contatto in
sotterraneo. La procedura prevede nella prima fase l’acquisizione di una terna di immagini digitali del fronte di
scavo per la generazione del Modello Digitale di Superficie (DSM). Successivamente, mediante il codice di
calcolo Rockscan, viene effettuato il rilievo delle giaciture dei piani di discontinuità e delle relative spaziature
sulle immagini associate al DSM; infine con il codice di calcolo CurvaTool si opera sul solo DSM
l’identificazione semi-automatica delle tracce di discontinuità. L’obiettivo del metodo proposto è quello di
ridurre la tempistica necessaria per l’acquisizione delle informazioni di tipo geometrico direttamente al fronte di
scavo, sostituendo così la tecnica di rilievo tradizionale mediante bussola e bindella; tale riduzione dei tempi
consentirebbe all’operatore che accede al fronte di disporre di maggior tempo per l’acquisizione di tutti quei
parametri che invece non possono essere desunti dal DSM, quali ad esempio apertura, riempimento, resistenza di
parete, rugosità e venute d’acqua. L’articolo mostra un caso studio in cui il metodo descritto è stato applicato.
1. Introduzione
Gli ammassi rocciosi sono mezzi discontinui formati da blocchi di roccia delimitati da discontinuità;
caratteristiche delle discontinuità quali giacitura, spaziatura, persistenza, scabrezza, apertura e
riempimento contribuiscono a determinare la qualità dell’ammasso roccioso e pertanto vanno
accuratamente valutate. In passato il rilievo di tali caratteristiche avveniva solo a contatto con
l’affioramento: tale metodo “tradizionale” risultava però poco efficiente in termini di tempistiche e
affidabilità statistica del campione di dati ottenuti, oltre che di sicurezza per gli addetti al rilievo.
L’avanzamento tecnologico in termini di fotogrammetria digitale e laser scanner ha permesso di
elaborare metodi di rilievo delle caratteristiche geometriche delle discontinuità di tipo “non a
contatto”, ossia senza necessità di accedere alla parete di roccia. Infatti mediante queste tecniche è
possibile ottenere un DSM (Digital Surface Model) della parete in oggetto e, con opportuni codici di
calcolo, effettuare misurazioni di giacitura e spaziatura delle discontinuità sul modello digitale stesso
(Ferrero et al., 2009, Gigli e Casagli, 2011; Lato e Vöge, 2012) oltre che individuare in modo semiautomatico le tracce di discontinuità (Umili et al., 2013). L’avere a disposizione il modello digitale
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della parete permette di lavorare sull’oggetto senza limitazioni di tempo, potendo eseguire nuove
misure ed elaborazioni ogni qualvolta sia necessario. La metodologia non a contatto permette di
risolvere i problemi connessi all’accessibilità, fornendo una descrizione completa della morfologia
della parete; essa risulta inoltre adeguata dal punto di vista della sicurezza.
Il metodo qui presentato è finalizzato al rilievo geostrutturale speditivo in sotterraneo, in particolare su
fronte di galleria: esso si articola in varie fasi, che vanno dalla creazione del DSM del fronte,
attraverso l’utilizzo del codice commerciale Agisoft PhotoScan, al rilievo delle giaciture e spaziature
delle discontinuità presenti mediante il codice di calcolo RockScan (Ferrero et al., 2009), per passare
infine all’identificazione semi-automatica delle tracce di discontinuità mediante il codice di calcolo
CurvaTool (Umili et al., 2013).
2. Descrizione del metodo
Di seguito vengono illustrate le fasi del metodo speditivo per il rilievo geostrutturale non a contatto in
sotterraneo.
2.1 Acquisizione della terna di immagini
L’attrezzatura necessaria si compone di:
- fotocamera ad alta risoluzione precedentemente calibrata;
- cavalletto con supporto per fotocamera;
- stadia con possibilità di messa in bolla e con due punti ben identificabili di cui sia possibile misurare
con buona precisione la distanza.
Sul fronte di scavo deve essere operato il disgaggio di eventuali blocchi instabili, devono essere
rimossi per quanto possibile i residui dello scavo e si deve attendere che le polveri in sospensione si
depositino, almeno parzialmente. Il fronte deve essere illuminato sufficientemente e in modo
omogeneo. La stadia, di misura nota, deve essere posizionata centralmente davanti al fronte e messa in
bolla in modo da essere perfettamente verticale: così facendo essa materializza l’asse verticale e
permette la messa in scala del modello. Successivamente occorre impostare adeguatamente la
fotocamera (ad es. tempi di esposizione lunghi per avere maggiore profondità di campo) e fissarla al
cavalletto; il sistema fotocamera-cavalletto deve essere posto ad un’adeguata distanza dal fronte, in
modo da inquadrare completamente il fronte, senza però che esso risulti troppo piccolo rispetto alle
dimensioni dell’immagine. Lo schema di presa prevede che venga scattata una terna di immagini,
ponendosi a sinistra, centralmente e a destra rispetto alla posizione della stadia (Fig.1). Per quanto
riguarda le tempistiche di acquisizione dei fotogrammi, si tratta di circa 5 minuti effettivi, a cui devono
essere sommati circa 5-10 minuti per il posizionamento dei dispositivi di illuminazione del fronte.
Tale durata può variare di alcuni minuti in funzione delle condizioni in cui ci si trova, ad esempio
scarsa luminosità (quindi riposizionamento dei fari) o presenza di polveri (che costringe ad attendere
qualche minuto in più prima degli scatti). In ogni caso il tempo necessario rientra nelle tempistiche di
cantiere: considerando che il geologo dispone in genere di un tempo di accesso medio al fronte di 15
minuti, durante i quali deve valutare globalmente tutte le caratteristiche delle discontinuità, la
possibilità di disporre di immagini su cui effettuare in tempi successivi le elaborazioni di carattere
geometrico consente di ottimizzare i tempi, concentrando l’attenzione sulle restanti caratteristiche dei
giunti (scabrezza, apertura e riempimento).
2.2 Generazione del DSM
A partire dalla terna di immagini scattate secondo lo schema in Fig. 1 si procede alla creazione della
nuvola densa di punti (gli autori utilizzano ad esempio il software commerciale Agisoft PhotoScan).
Umili G., Ferrero A.M., Migliazza M.R.
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Occorre in questo passaggio inserire i dati di calibrazione del sistema camera-obiettivo; inoltre è
necessario assegnare opportune coordinate ai due punti di riferimento sulla stadia: ad esempio, nota la
distanza L tra i due punti, si assegnano al punto inferiore le coordinate (0,0,0), mentre a quello
superiore le coordinate (0,0,L), in modo da fissare origine, asse verticale e scala del modello. Mediante
triangolazione della nuvola di punti si ottiene infine il DSM del fronte.
Fig 1. Schema delle posizioni di scatto della terna di immagini: sinistra (1), centro (2) e destra (3); la stadia, di
dimensioni note, permette di fissare l’asse verticale e mettere in scala il DSM.
2.3 Rilievo di orientazione e spaziatura delle discontinuità
Il rilievo geostrutturale delle discontinuità viene effettuato attraverso l’utilizzo del software Rockscan
(Ferrero et al., 2009), sviluppato presso l’Università di Parma, che permette l’identificazione
automatica dell’orientazione e della posizione di superfici di discontinuità opportunamente
selezionate. Riferendoci all’applicazione qui descritta, i dati di input assegnati a Rockscan sono il
DSM e la terna di immagini con i relativi parametri di orientamento interno ed esterno.
Operativamente il software “sovrappone” opportunamente le immagini al DSM rappresentante la
geometria del fronte, ossia le orienta in modo da ricreare la reale geometria di presa rispetto al fronte.
In questo modo le immagini fungono da supporto per il riconoscimento visivo delle discontinuità
presenti: selezionare, direttamente sulle immagini, porzioni di superficie più o meno estese
appartenenti a piani di discontinuità corrisponde, in realtà, alla selezione della relativa porzione di
DSM e, quindi, di un certo numero di punti di coordinate 3D note. Rockscan permette all’utente, una
volta eseguita la selezione dell’area, di decidere se stimare l’equazione di un singolo piano medio della
nuvola di punti selezionata o se, viceversa, determinare automaticamente i piani contenuti nella
superficie selezionata, definendo valori soglia di precisione con cui identificare i punti appartenenti ad
un medesimo piano. Dall’equazione di ogni piano così determinato è possibile ottenere l’orientazione
(dip e dip direction), nonché le coordinate del punto baricentrico, rispetto al sistema di riferimento del
DSM. Se le coordinate dei punti del DSM sono espresse rispetto ad un sistema di riferimento
geografico assoluto, i dati di giacitura dei piani sono già quelli corretti; in caso contrario, possono
essere corretti mediante una semplice rotazione (l’asse verticale materializzato mediante la stadia
garantisce la fattibilità di questa operazione). Al fine di effettuare un rilievo geostrutturale realmente
rappresentativo del fronte, l’utente deve scegliere la foto su cui operare l’identificazione dei piani di
Umili G., Ferrero A.M., Migliazza M.R.
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una certa famiglia in relazione all’immersione dei piani stessi: in questo modo sarà più agevole ed
efficace il riconoscimento. Rockscan consente di individuare un vasto numero di piani in breve tempo,
garantendo al contempo una base statistica più ampia rispetto a quella possibile con un rilievo
strutturale tradizionale condotto lungo alcuni stendimenti in parete.
2.4 Rilievo delle tracce di discontinuità
L’identificazione semi-automatica delle tracce di discontinuità viene effettuata mediante il codice di
calcolo CurvaTool (Umili et al., 2013): il metodo implementato in tale codice si basa sull’ipotesi che
una traccia sia geometricamente identificabile come uno spigolo della superficie del DSM di una
parete rocciosa. Tale ipotesi può considerarsi generalmente valida negli affioramenti naturali; su pareti
scavate con esplosivo la validità di tale ipotesi può ridursi parzialmente, ma in generale il distacco di
blocchi avviene lungo superfici preesistenti di debolezza. Nel caso invece di scavo mediante mezzi
meccanici la validità dell’ipotesi si riduce drasticamente, a causa del fatto che gli utensili creano sulla
superficie intagli più o meno regolari non riconducibili a discontinuità. La qualità del DSM del fronte
di scavo, valutata in termini di densità ed accuratezza dei punti che lo compongono e di completezza
della superficie, gioca un ruolo fondamentale nelle operazioni che costituiscono il metodo presentato,
poiché il DSM rappresenta il solo dato di input su cui lavorano gli algoritmi di ricerca degli spigoli
(Umili, 2012). Questa procedura, interamente di tipo geometrico, consente di eliminare l’influenza dei
colori e gli errori di valutazione dell’operatore, che in genere caratterizzano la mappatura delle tracce
su immagini.
Fig 2. Posizioni di scatto rispetto al fronte di scavo e DSM ottenuto dalla terna di immagini mediante Agisoft
PhotoSca, [http://www.agisoft.ru].
Umili G., Ferrero A.M., Migliazza M.R.
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3. Esempio di applicazione
Il fronte scelto come caso studio appartiene alla galleria denominata finestra Val Lemme del cantiere
Terzo Valico dei Giovi, che fa parte del progetto AV/AC Genova-Milano. La formazione attraversata,
secondo la denominazione corrente è "Argilloscisti di Murta" (ex Argilliti a Palombini del Passo della
Bocchetta). Il metodo di scavo utilizzato è l’esplosivo e nel tratto in esame si procede senza preconsolidamenti. Lo schema delle posizioni di scatto rispetto al fronte di scavo e il DSM ottenuto dalla
terna di immagini sono riportati in Fig. 2, mentre in Fig. 3 sono riportati i risultati ottenuti dal rilievo
dei piani di discontinuità mediante Rockscan e lo stereogramma riassuntivo delle orientazioni medie
delle famiglie identificate. In Fig. 4 sono riportati i risultati ottenuti dal rilievo delle spaziature
mediante Rockscan, il relativo istogramma di frequenza e le frequenze attese nel caso si adatti al
campione un distribuzione statistica di tipo Gamma.
Fig 3. Dati di orientazione dei piani rilevati mediante Rockscan e stereogramma riassuntivo delle giaciture.
90%
80%
frequenza campionaria
frequenza
70%
60%
frequenza teorica attesa
distribuzione Gamma
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0.4
1.1
1.8
2.5
3.2
spaziatura [m]
3.9
Fig 4. Dati di spaziatura rilevati mediante Rockscan e relativo istogramma di frequenza.
In Fig. 5 sono mostrati i risultati dell’estrazione semi-automatica delle tracce sul DSM del fronte: i
dettagli mostrano come l’analisi sia di tipo tridimensionale e permetta valutazioni più complete
rispetto alle sole immagini del fronte. Infine, in Fig. 6 è riportato l’istogramma di frequenza delle
lunghezze di traccia e le frequenze attese nel caso si adatti al campione un distribuzione statistica di
tipo Gamma.
Umili G., Ferrero A.M., Migliazza M.R.
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Fig. 5. Tracce di discontinuità estratte in modo semi-automatico mediante il software CurvaTool.
70%
frequenza
campionaria
frequenza
60%
50%
40%
frequenza teorica
attesa distribuzione
Gamma
30%
20%
10%
0%
0.5
1.1
1.7
2.3
2.9
3.5
lunghezza di traccia [m]
Fig. 6. Istogramma di frequenza delle lunghezze di traccia.
4. Conclusioni
Le problematiche affrontate in questo lavoro si possono ricondurre a due categorie principali: da un
lato la definizione di un metodo di acquisizione rapido, ma efficace e completo, del DSM di fronti di
scavo e dall’altro la semi-automatizzazione del rilievo di orientazione e spaziatura dei piani e delle
lunghezze delle tracce di discontinuità. Il metodo proposto consente di ridurre ed ottimizzare i tempi
effettivi di accesso del geologo di cantiere al fronte di scavo, demandando alle fasi di postprocessamento dati su calcolatore il rilievo delle caratteristiche geometriche delle discontinuità
(orientazione, spaziatura, lunghezze di traccia).
Bibliografia
Ferrero, A.M., Forlani, G., Roncella, R., Voyat, H.I. 2009. Advanced Geostructural Survey Methods Applied to
Rock Mass Characterization. Rock Mech Rock Eng 42: 631–665.
Gigli, G., & Casagli, N. 2011. Semi-automatic extraction of rock mass structural data from high resolution
LIDAR point clouds. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 48(2): 187-198
Lato, M.J., & Vöge, M. 2012.Automated mapping of rock discontinuities in3D lidar and photogrammetry
models. Inter-national Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 54: 150-158.
Umili, G. 2012. Ricostruzione automatica delle linee di rottura nei Modelli Digitali di Superficie con
applicazioni in ambito geotecnico e architettonico. Tesi di Dottorato, Università degli Studi di Parma, 127 pp.
Umili, G., Ferrero, A.M., Einstein, H.H. 2013. A new method for automatic discontinuity traces sampling on
rock mass 3D model. Computers & Geosciences 51:182–192.
Umili G., Ferrero A.M., Migliazza M.R.

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