Tesi di Dottorato: L'utilizzo dei sistemi a pilotaggio remoto per il monitoraggio idrologico

L'utilizzo dei sistemi a pilotaggio remoto per il monitoraggio idrologico

Lo studio condotto in questo lavoro di tesi ha lo scopo di analizzare l'applicazione del Sistema con Aeromobile a Pilotaggio Remoto (SAPR) per il monitoraggio idraulico di un corso d'acqua naturale. Il controllo dell'evoluzione dei corsi d'acqua naturali è un argomento di fondamentale importanza per la comunità scientifica, per i tecnici del settore e per le attività di protezione civile. Il contributo fornito dalle nuove tecnologie, come i sistemi a pilotaggio remoto combinato a tecniche ottiche computazionali sempre più performanti, ha consentito di aprire nuove strade migliorando così, la capacità del monitoraggio, semplificando notevolmente ed eliminando le difficoltà che le tradizionali metodologie hanno frequentemente evidenziato. Lo studio però non si è limitato alla sola analisi idraulica, ma ha riguardato anche l'analisi morfologica con l'impiego di tecniche di ricostruzione (software Agisoft Photoscan), basate su immagini riprese da SAPR, con l'obiettivo di verificare la qualità e l'accuratezza metrica offerta dalle nuove metodologie e dalle strumentazioni attualmente presenti sul mercato. Dall'analisi dei risultati relativi ad un particolare caso di studio, emergono chiare e precise informazioni in merito al numero e alla dislocazione plano – altimetrica dei punti di controllo, nonché alle specifiche caratteristiche operative di volo. Inoltre sono state analizzate le problematiche riscontrate in fase di rilievo con drone (come ad esempio tremolio della piattaforma aerea durante il movimento), e di come queste possano inficiare la stabilità del velivolo, la qualità dell'immagine rilevata e la georeferenziazione dei punti. Il tema anche in questo caso è stato affrontato con riferimento a specifiche indagini di tipo sperimentale e con l'impiego di algoritmi di calcolo di tipo computazionale, appositamente programmati. L'analisi per la stabilizzazione e l'ortorettifica delle immagini digitali, ha preceduto lo studio idraulico vero e proprio, il quale ha previsto l'applicazione a diversi casi studio, delle tecniche ottiche più largamente impiegate dalla comunità scientifica, ovvero la "Particle Tracking Velocimetry" (PTV) e la "Large Scale Particle Tracking Velocimetry" (LSPIV). Le indagini sperimentali, relative ai casi di studio appena citati, sono state effettuate di giorno e in condizioni di buona visibilità, ed hanno previsto, in alcuni casi, un rilievo aerofotogrammetrico con SAPR, in altri telecamere fisse istallate al di sopra del corso d'acqua e in piccola parte l'impiego di comuni telefoni cellulari e tablet. Durante le indagini di campo sono state effettuate ulteriori misure con strumentazione di tipo tradizionale, al fine di individuare i valori di velocità, considerati come soglia di riferimento. L'analisi svolta ha permesso di investigare al meglio le peculiarità delle due metodologie e di estrapolare chiare e precise informazioni in merito alla sensibilità dei risultati in funzione, ad esempio, del numero dei fotogrammi, dalla densità di tracciante, dall'algoritmo di calcolo, dall'area d'interrogazione, dal processo di validazione dei vettori velocità dell'insieme di dati ma soprattutto dalla condizione idrodinamica del flusso, espressa ad esempio con il parametro "vorticity" o anche con il numero di Reynolds e il numero di Froude. L'attività di ricerca ha poi riguardato la definizione di specifiche "Linee Guida" ovvero di suggerimenti metodologici utili alla realizzazione in modo continuo e coordinato, del monitoraggio dei parametri idraulici di un corso d'acqua fluviale, attraverso l'impiego del sistema a pilotaggio remoto, combinato con le tecniche ottiche di misura in superficie. Le linee guida si compongono di svariate schede di controllo, molto utili per le applicazioni sperimentali di campo. Le medesime sono state implementate anche per il rilievo morfologico mediante SAPR. Infine, sulla base delle nozioni acquisite e dei soddisfacenti risultati raggiunti, si propone una potenziale applicazione che prevede l'uso dei sistemi a pilotaggio remoto insieme alla tecnica ottica LSPIV, ma senza l'impiego di traccianti distribuiti manualmente dagli operatori, il che rende questa soluzione molto utile per la determinazione dei parametri idraulici principali, come ad esempio la velocità superficiale, in condizioni di flusso non intenso e quindi per la definizione di un sistema utile alla mitigazione del rischio idraulico, in una situazione emergenziale. In questo lavoro oltre alle tecniche ottiche ampiamente trattate e comunemente impiegate nel mondo scientifico, sono state sfruttate le potenzialità di altre tecniche ottiche presenti in letteratura al fine di testarne l'efficacia e comprenderne al meglio il funzionamento.