Τεχνικογεωλογική ερευνά επί των εκτεταμένων κατολισθητικών φαινομένων, με τη χρήση UAV, στον Τυμφρηστό Ευρυτανίας κατά μήκος του οδικού δικτύου Λάμιας – Καρπενησιού
Creators: name: Χατζηθεοδοσίου Θεμιστοκλής (Πασχάλης)
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Ράχη Τυμφρηστού
Κατολισθητικά φαινόμενα σε περιβάλλον φλύσχη
Μητρώα κατολισθήσεων
Landslides database
Unmanned Aerial Vehicle (UAV)
Principal Component Analysis (PCA)

description: Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή επικεντρώνεται στην τεχνικογεωλογική έρευνα μιας εκτεταμένης σύνθετης κατολίσθησης στους πρόποδες της ανατολικής πλευράς του ορεινού όγκου Τυμφρηστού του Νομού Ευρυτανίας, λίγα χιλιόμετρα Δυτικά του χωριού Τυμφρηστός, κατά μήκος του οδικού δικτύου Λαμίας – Καρπενησίου, με την χρήση Συστημάτων μη Επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV). Το ερευνητικό πλαίσιο της ανάλυσης του κατολισθητικού φαινομένου, εστιάζεται στην πλήρη αξιολόγηση της ευρύτερης αστάθειας του εδάφους στην περιοχή, και στη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων, αποτελούμενης από χάρτες, εκθέσεις και επισημάνσεις αναφορικά με την αναδιαμόρφωση της περιοχής, από κατολισθητικά φαινόμενα, με απώτερο σκοπό την παρακολούθηση και πρόγνωση της μετέπειτα εξέλιξης του φαινομένου στο μέλλον. Ιστορικά, η περιοχή μελέτης, λόγω του έντονου αναγλύφου της αλλά κυρίως εξαιτίας των δυσμενών γεωλογικών και κλιματολογικών συνθηκών που επικρατούν σ’ αυτήν, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως προς την δημιουργία κατολισθητικών φαινομένων, ενώ ως αντικείμενο μελέτης απασχόλησε πολλούς ερευνητές και μελετητές. Στο παρελθόν, οι μελέτες για την διερεύνηση των κατολισθητικών φαινομένων της περιοχής, συντελέστηκαν με συμβατικές μεθόδους έρευνας, όπως η μελέτη τοπογραφικών χαρτών, η χαρτογράφηση πεδίου, και η εκτέλεση γεωερευνητικού προγράμματος γεωτρήσεων με τοποθέτηση οργάνων παρακολούθησης, που όμως περιορίστηκαν στην κλίμακα μιας επιμέρους μικρότερης οριοθετημένης κατολίσθησης, εντός του ευρύτερου, σύνθετου κατολισθητικού χώρου. Τα τελευταία χρόνια, η ραγδαία ανάπτυξη των τεχνικών Τηλεπισκόπησης (Remote Sensing), άνοιξε νέους δρόμους για τη μελέτη κατολισθητικών φαινομένων. Τα υψηλής ανάλυσης μοντέλα εδάφους HRDSM (High Resolution Digital Surface Models), ως παράγωγα της ψηφιακής σάρωσης του εδάφους από συστήματα μη Επανδρωμένων αεροσκαφών (UAV), προσφέρουν ένα σύνολο μετρικών και ποιοτικών πληροφοριών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό χαρακτηριστικών μετακινήσεων του εδάφους αλλά και για την αποτύπωση μιας κατολίσθησης με σχετική ακρίβεια. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματοποιήθηκαν αφενός οι συνήθεις κανονικές εργασίες παραγωγής και επεξεργασίας, τεσσάρων ψηφιακών μοντέλων εδάφους, από αποτυπώσεις της περιοχής, με τεχνικές UAV για την περίοδο 2018 – 2020, με ιδιαίτερη λεπτομέρεια και αφετέρου ακολούθησε η σύγκριση των αποτελεσμάτων της οπτικής ερμηνείας τους με ένα παλαιότερο ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής όπως αυτή αποτυπώθηκε με τεχνικές ALS (Airborne Laser Scanning) το έτος 2007. Επιπροσθέτως, έγινε απόπειρα ενίσχυσης της οπτικής ερμηνείας όλων των διαθέσιμων μοντέλων, που πραγματοποιήθηκε μέσω της καινοτομικής εφαρμογής μεθόδων Μηχανικής Μάθησης (Machine Learning), διά της μεθόδου PCA (Principal Component Analysis) που επέτρεψε την απομείωση των γεωαναλυτικών πληροφορίων του εκάστοτε μοντέλου, χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, και την αυτοματοποιημένη εξαγωγή πρόσθετης επαυξημένης γεωμορφολογικής πληροφορίας. Η ανάπτυξη της μεθόδου PCA, τα στάδια της οποίας αναλύονται βήμα προς βήμα παρέχοντας στον αναγνώστη σαφή εικόνα της διαδικασίας, επέτρεψε την αναλυτικότερη αξιολόγηση της μορφολογίας των πλαγιών, και την λεπτομερή αναγνώριση μορφολογικών ενδείξεων κατολισθήσεων, που σε συνδυασμό με τις επιτόπου παρατηρήσεις και επισημάνσεις στο πεδίο, πριν και μετά την εφαρμογή της μεθόδου, οδήγησαν στην οριοθέτηση ολόκληρης της κατολίσθησης, καθώς και των επιμέρους κατολισθήσεων που την αποτελούν, και στην αποτύπωση των ορίων τους σε όλους τους θεματικούς χάρτες και τα μοντέλα που κατασκευάστηκαν για αυτή. Ο ευρύτερος χώρος, της εν λόγω κατολίσθησης, βρίσκεται υπό την συνεχή επίδραση δυναμικών παραγόντων αποσταθεροποίησης, τόσο από διαδικασίες όπως η διάβρωση και αποσάθρωση που δρουν στην επιφάνεια του εδάφους, όσο και από την περιστασιακή ενεργοποίηση της κατολίσθησης, που ενεργοποιείται αφενός από μια πιθανή εκδήλωση αργής βαθιάς ολίσθησης της βάσης της, και αφετέρου από επιφανειακές διαδοχικές ολισθήσεις. Η κατολίσθηση δεν φαίνεται να έχει ανακτήσει κάποια, έστω υποβαθμισμένη, μακροχρόνια ισορροπία αλλά αντίθετα κατά καιρούς και ιδιαίτερα σε περιόδους έντονων βροχοπτώσεων εμφανίζει περεταίρω αστάθειες. Οι μηχανισμοί ενεργοποίησης της εμφανίζονται σποραδικά ή και εποχιακά και έχουν σταδιακά αποτελέσματα, και για αυτό τον λόγο ο προσδιορισμός ενός σαφούς μηχανισμού αστοχίας είναι δύσκολος. Παράλληλα, μικρότερες τοπικές αστοχίες εντός του ευρύτερου κατολισθητικού χώρου, όπως επιφανειακές ολισθήσεις μικρότερης κλίμακας, ροές εδαφών και κορημάτων, και προϊόντα από βραχοκαταπτώσεις, στα πιο σταθερά τμήματα της, συμβάλλουν στην περεταίρω ενεργοποίηση του φαινόμενου, αναδιαμορφώνοντας την γεωμετρία της πλαγιάς και φορτίζοντας με πρόσθετο υλικό την κατολίσθηση. Όσον αφορά την ενεργότητα, για να διαπιστωθεί αν υπάρχει ένα σταθερό μοτίβο εμφάνισης αστοχιών εντός του ευρύτερου κατολισθητικού χώρου, επιτελέστηκαν ορισμένες συγκριτικές αναλύσεις. Οι αναλύσεις αυτές αφορούν, τόσο την ποιοτική οπτική ερμηνεία δορυφορικών εικόνων της περιοχής που αφορούν χρονικό διάστημα εννέα ετών (2010 – 2019), όσο και την αυτοματοποιημένη εξαγωγή ποσοτικών αποτελεσμάτων, σε σχέση με τις υψομετρικές διαφοροποιήσεις μεταξύ δύο εξεταζόμενων ψηφιακών μοντέλων, χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή, διά της εφαρμογής υπολογιστικών πράξεων, ανάμεσα σε δύο εξεταζόμενα μοντέλα, και την αποτύπωση των μορφολογικών αλλαγών (Change Detection), σε ένα νέο ψηφιακό μοντέλο διαφοράς ονομαζόμενο ως DEM of Difference (DoD) αποτελούμενο από εικονοστοιχεία (pixel) με τιμές που αντιστοιχούν στη διαφορά των τιμών των εισαγόμενων μοντέλων. Τα αποτελέσματα των εν λόγω αναλύσεων, έδειξαν πως στην περιοχή δεν υπάρχει ένα σταθερό μοτίβο εμφάνισης αστοχιών καθώς πολλά τμήματα της δεν είναι αμέσως προφανή ως προς την πιθανή ενεργοποίησή τους, και η αστοχία του εδάφους, εντός αυτών των περιοχών δεν συμβαίνει σε τακτική βάση. Παρόλα αυτά, στο δυτικό τμήμα της υπάρχει μια επιμέρους πλήρως ενεργή κατολίσθηση χαρακτηριζόμενη από έντονες εκδηλώσεις εδαφικών ασταθειών, από επιφανειακές ολισθήσεις, εδαφικούς ερπυσμούς και ροές κορημάτων, μέχρι και λασποροές στα κατώτερα τμήματα της, η οποία φαίνεται να είναι υπεύθυνη για την ευρύτερη ενεργοποίηση του φαινομένου. Συμπερασματικά τα κατολισθητικά φαινόμενα της περιοχής έχουν προβληματίσει στο παρελθόν και ενδέχεται να συνεχίσουν να προβληματίζουν και στο μέλλον, αποτελώντας ουσιωδώς ένα συνεχώς μεταβαλλόμενο σύστημα αστάθειας που εξελίσσεται με τον χρόνο, και γι’ αυτόν τον λόγο η έρευνά της περιοχής θα πρέπει να συμπληρώνεται και να αναθεωρείται συνεχώς. Τέλος, η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε, στην παρούσα διατριβή, για την διερεύνηση της κατολίσθησης, αποτελεί μια φθηνή και αποτελεσματική λύση για την παρακολούθηση της εξέλιξης του φαινομένου, και γι’ αυτόν τον λόγο θα ήταν εύλογο, έρευνες, υπό το ίδιο ή παραπλήσιο ερευνητικό πλαίσιο, να εκτελούνται συστηματικά για την περιοχή, τόσο σε ακαδημαϊκό όσο και σε ερευνητικό επίπεδο. Παράλληλα, διά της εφαρμογής εξειδικευμένων τεχνικών και μεθόδων της επιστήμης της πληροφορικής, στο ερευνητικό αυτό πλαίσιο, δόθηκε επιπροσθέτως, η ευκαιρία αξιολόγησης του βαθμού απόδοσης τέτοιων μεθόδων σε θέματα έρευνας της γήινης επιφάνειας και στην παρακολούθηση κατολισθητικών φαινομένων με αυτοματοποιημένο τρόπο.
description: The present thesis focuses on the geological engineering investigation of an extensive complex landslide, at the foot of the eastern side of the mountain range of Tymfristos in the Prefecture of Evrytania, a few kilometers west of the village Tymfristos, along the road network of Lamia – Karpenisi, with the use of Unmanned Aerial Vehicles Systems (UAV). This research, emphases on the complete assessment of the wider soil instability in the area, and the creation of a database, consisting of maps, reports, and markings regarding the surface deformation of the area, due to landslides phenomena, which will provide useful data for monitoring and forecasting the subsequent development of the phenomenon in the future. Historically, the area under examination, due to its intense relief but mainly due to the adverse geological and climatic conditions that prevail in it, is of particular interest in the creation of landslides, and has occupied many researchers and scholars. In the past, landslide surveys in the area have been conducted using conventional survey methods, such as topographic maps inspections, field mapping investigations and execution of geo-research drilling programs with the purpose of application instruments to monitor the soil movements of the area, but they were limited to a smaller scale landslide, within the wider, complex landslide area. In recent years, rapid development of Remote Sensing techniques opened new avenues for the study of landslides. High Resolution Digital Surface Models (HRDSM), as derivatives of digital ground scanning by unmanned aerial vehicles (UAVs), offer wealthy sums of metric and quality information that can be used to detect ground movement characteristics as well as to capture landslides with relative accuracy. In this master's thesis took place, on the one hand, the usual normal flow of work for the production and processing of four digital terrain models, from surveys of the area with UAV techniques, referring to a time period from 2018 to 2020, was conducted with detail, and on the other hand, the results of their visual interpretation were compared with an older digital terrain model of the area as it was captured by ALS (Airborne Laser Scanning) techniques in 2007. Additionally, an attempt to enhance the visual interpretation of all available models, has been executed through the innovative application of Machine Learning methods, through the PCA (Principal Component Analysis) method that allowed the reduction of the geo-analytical information of each model, and the automated extraction of additional augmented geomorphological information. The development of the PCA method, whose stages are analyzed step by step offering the reader a clear picture of the process, allowed the detailed evaluation of the morphology of the slopes, and the detailed identification of morphological signs of landslides, which in combination with on-site observations and markings in the field, before and after the application of the method, led to the final recording of the boundaries for the whole landslide, as well as the individual landslides that compose it, and to the mapping of their limits in all the thematic maps and the models made for it. The wider area of this landslide is under the constant influence of dynamic destabilizing factors, both from processes such as erosion and disintegration acting on the soil surface, and from the occasional activation of the landslide, which is triggered by a possible slow occurrence deep slipping of its base, as well as from superficial successive slides. The landslide has not regained even a degraded long-term stability but on the contrary at times and especially in periods of heavy rainfall it shows further instabilities. The mechanisms of its activation appear sporadically or seasonally and have gradual effects, and for this reason it is difficult to identify a clear mechanism of failure. At the same time, smaller local failures within the wider landslide area, such as smaller-scale rotational slide, soil and debris flows, and rockfall products from failures in its most stable parts, contribute to the further activation of the phenomenon, by reshaping the geometry of the slope and charging the landslide with additional material. In terms of activity, some comparative analyzes were performed to determine whether there is a consistent pattern of failures within the wider landslide area. These analyzes concern both the qualitative visual interpretation of satellite images of the area referring to a period of nine years (2010 - 2019), as well as the automated export of quantitative results, in relation to altitude differences between two examined digital models, through the application of computational operations, between the two of them, and the recording of morphological changes (Change Detection), in a new digital model called DEM of Difference (DoD) consisting of pixels with values corresponding to the differences of the two imported models. The results showed that there is no fixed pattern of failures in the area, as many parts of it are not immediately obvious in terms of their possible activation, and ground failure does not occur on a regular basis. However, in the western part of the total landslide there is an fully active individual landslide characterized by intense manifestations of soil instability, from surface landslides, soil creeps and steep flows, up to mudflows in the lower parts of the landslide, which seems to be responsible for the reactivation of the total phenomenon. In conclusion, the landslide of the area has been a problem in the past and may continue to be a problem in the future, being essentially an ever-changing system of instability that evolves over time, and therefore the research of the region should be constantly supplemented and revised. The methodology applied in the present thesis, for landslide investigation is a cheap and effective solution for monitoring the evolution of the phenomenon, and therefore additional research for the area, under the same or similar research framework, must performed in regular bases, both at academic and research level. Finally, through the application of specialized techniques and methods of computer science, in this research context, the opportunity to evaluate the efficiency of such methods in matters of earth’s surface investigation and landslide monitoring in an automated way was additionally and successfully given.