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Interferometria radar satellitare (InSAR)

Nuove tecnologie per la gestione e il monitoraggio delle infrastrutture lineari

Evento franoso

Per la foto in primo piano, photo credit: Wolfgang Hasselmann da Unsplash

La gestione di un’infrastruttura lineare è molto delicata, soprattutto quando attraversa un territorio caratterizzato da un’elevata complessità geologico-geomorfologica.

Numerosi processi deformativi tra cui frane di varia tipologia, subsidenza naturale o antropica, presenza di rocce solubili e fenomeni carsici, possono comprometterne le condizioni di stabilità, e, di conseguenza, la sicurezza in fase di esercizio.

Nonostante il prezioso supporto dato al Gestore dalle cartografie tematiche di settore, tra cui, ad esempio l’IFFI (Inventario dei Fenomeni Franosi Italiani), strumenti di sorveglianza territoriale capaci di rilevare i fenomeni deformativi lungo l’infrastruttura potrebbero fornire un contributo decisivo alla gestione del rischio.

L’installazione e il mantenimento di strumenti di monitoraggio degli spostamenti lungo tutto il tracciato dell’infrastruttura sarebbero molto onerosi sia da un punto di vista economico che logistico.

L’integrazione e l’interpretazione di dati di spostamento derivanti da diversi sensori è inoltre spesso complessa e di difficile interpretazione.

Nella maggior parte dei casi, infatti, le informazioni sono puntuali, discrete nello spazio, e non sempre consentono di comprendere le dinamiche di processi spesso complessi (www.fragilesrl.it).

Evento franoso
1. Un evento franoso (photo credit: Timo Volz da Unsplash)

Il telerilevamento, con la sua imbattibile prospettiva areale, può fornire strumenti di grande utilità per la gestione delle infrastrutture. In particolare, l’InSAR (Interferometria radar satellitare) negli ultimi anni ha fatto registrare un fortissimo sviluppo qualitativo.

La tecnica impiega immagini radar satellitari (SAR) e consente di monitorare gli spostamenti della superficie anche su aree molto estese con frequenze relativamente elevate (ad oggi, fino a sei giorni). L’InSAR, inoltre, è l’unico strumento che consente la ricostruzione storica degli spostamenti avvenuti nel passato, grazie all’archiviazione delle immagini satellitari.

Dal 2014, con il lancio del sistema satellitare Sentinel, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha reso disponibili gratuitamente e per l’intero globo le immagini radar, consentendo una notevole diminuzione dei prezzi dei servizi offerti. I dati radar satellitari possono essere elaborati con tecniche appartenenti a due categorie principali: l’InSAR standard e l’InSAR multi-temporale. 

Introduzione alla tecnica

Le tecniche interferometriche permettono di rilevare gli spostamenti della superficie del terreno attraverso il confronto tra successive immagini radar acquisite dal sensore del satellite che rivisita periodicamente la stessa area.

La differenza di fase dell’onda riflessa in due successive acquisizioni è proporzionale allo spostamento occorso e può essere utilizzata per misurarlo. In realtà, parte di tale differenza è dovuta al fatto che il punto di acquisizione del satellite non è mai perfettamente coincidente.

I principi della tecnica InSAR
2. I principi teorici della tecnica InSAR: un interferogramma contiene l’informazione principale per calcolare lo spostamento occorso in superficie, cioè la differenza di fase tra due acquisizioni successive

Inoltre, variazioni delle proprietà riflettenti possono essere causate dalle condizioni atmosferiche o da cambiamenti intervenuti al suolo tra due acquisizioni successive (e.g., crescita vegetazione, pratiche agricole).

Le tecniche di elaborazione interferometrica hanno proprio il compito di separare efficacemente la differenza di fase dovuta a reale spostamento del terreno dagli altri fattori che la influenzano.

Lo sviluppo dei radar satellitari

L’interferometria radar satellitare (InSAR) per il monitoraggio del territorio è una tecnica diffusa dagli anni Novanta, quando furono rese disponibili le prime immagini radar ERS-1, in banda C e con un tempo di rivisitazione di 35 giorni.

In Italia, lo sviluppo della tecnica è avvenuto nella seconda metà degli anni 2000, con il Piano Straordinario di Telerilevamento (PST, 2008-2009), basato sull’elaborazione dei dati ERS 1 ed ERS2 ed ENVISAT, tra il 1992 e il 2008, per l’intero territorio nazionale.

Dal 2007, l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) ha reso disponibili immagini radar COSMO-SkyMed caratterizzate da migliore risoluzione rispetto ad ERS ed ENVISAT, ed una frequenza di rivisitazione che può scendere a 16 giorni.

La vera rivoluzione avviene nell’Ottobre 2014 con il lancio del sistema satellitare Sentinel, caratterizzato da un tempo di rivisitazione di soli sei giorni che, oltre alla ricostruzione storica degli spostamenti, consente di immaginare il monitoraggio del territorio, o delle infrastrutture “quasi in tempo reale”.

Nel 2023, grazie a un accordo tra NASA e ISRO (Organizzazione per la Ricerca Spaziale Indiana) sarà lanciata la missione satellitare NISAR che, per la prima volta, acquisirà immagini radar in due lunghezze d’onda (banda L e banda S) consentendo una migliore penetrazione della vegetazione.

InSAR Interferometria radar satellitare
3. L’InSAR (Interferometria radar satellitare) negli ultimi anni ha fatto registrare un fortissimo sviluppo qualitativo

Come per Sentinel, le immagini saranno rese disponibili gratuitamente per l’intero globo, con un tempo di rivisitazione di 12 giorni.

Le strategie di analisi interferometrica 

L’interferometria standard

L’interferometria differenziale tradizionale, o interferometria standard, è in grado di fornire carte di deformazione quasi continue nello spazio anche in zone debolmente vegetate e scarsamente antropizzate e consente di rilevare velocità di spostamento comprese tra 30 mm/anno e 1 cm/settimana.

Il prodotto principale di questa tipologia di analisi è costituito da stack interferometrici, che derivano dalla sovrapposizione di numerosi interferogrammi selezionati sulla base della loro qualità. Gli stack interferometrici costituiscono vere e proprie mappe di spostamento che possono essere utilizzate per l’interpretazione dei fenomeni deformativi agenti sulla superficie.

Per ottenere risultati affidabili, è cruciale la corretta rimozione dei disturbi atmosferici e topografici e l’utilizzo di filtri spaziali che consentano di isolare il segnale deformativo.

Quando necessario, agli interferogrammi selezionati è applicato l’algoritmo di “unwrapping” per risolvere i salti di fase che si verificano quando una deformazione relativamente rapida si sviluppa in uno spazio ridotto.

Le mappe di spostamento (o stack), ottenute tramite la sovrapposizione di numerosi interferogrammi, consentono di minimizzare i termini di errore residuo contenuti nei singoli interferogrammi e di evidenziare le aree soggette a spostamenti persistenti nel tempo.

L'InSAR impiega immagini radar satellitari
4. La tecnica InSAR impiega immagini radar satellitari e consente di monitorare gli spostamenti della superficie anche su aree molto estese con frequenze relativamente elevate

Le mappe di spostamento consistono in raster che riportano per ogni pixel un valore medio di velocità di spostamento nel periodo di analisi.

Si tratta di valori qualitativi, tipicamente espressi in millimetri/anno, che descrivono lo spostamento rilevato lungo la linea di osservazione del satellite (LOS) o proiettato lungo altre direzioni.

Le mappe di spostamento sono particolarmente utili per l’individuazione sul territorio di aree soggette a deformazione, e per descriverne l’evoluzione spazio-temporale.

I risultati sono quantitativamente confrontabili solo in termini di ordine di grandezza con quelli rilevabili dagli strumenti di monitoraggio a terra.

L’interferometria multi-temporale

Data la numerosità delle immagini radar disponibili, sono stati sviluppati metodi che sfruttano le serie temporali per aumentare l’accuratezza delle misure interferometriche. In questo modo, si possono rilevare e quantificare spostamenti di piccole entità (fino a millimetri/anno).

Le tecniche di analisi multi-temporale possono essere schematicamente raggruppate in due categorie: la prima denominata Persistent Scatterer Interferometry o semplicemente PS-InSAR (vedi ad esempio la seconda Small Baseline interferometria).

InSAR per una frana complessa
5. Esempio di analisi InSAR standard per una frana complessa in zona rurale: dalla sovrapposizione di numerosi interferogrammi grezzi caratterizzati da chiari segnali di spostamento (a) è possibile ottenere stack interferometrici che evidenziano spostamenti persistenti nel tempo (b)

Le due tipologie metodologiche differiscono nel modo in cui vengono combinati gli interferogrammi, ma lo scopo di entrambe è quello di selezionare pixel, all’interno dell’immagine SAR, caratterizzati da un’elevata qualità del segnale, che rappresentano riflettori stabili sul terreno.

Rispetto all’InSAR tradizionale, l’interferometria multi-temporale rileva velocità tipicamente inferiori, comprese tra 5 e 100 mm/anno lungo la linea di vista del satellite.

Le tecniche multi-temporali forniscono misure di spostamento precise in termini numerici che sono confrontabili con quelle degli strumenti a terra.

Tali informazioni sono rilevabili solamente in corrispondenza dei riflettori stabili che corrispondono tipicamente a strutture antropiche o a zone dove la vegetazione è assente o scarsa.

La tecnica multi-temporale fornisce le serie storiche di spostamento, cumulato o incrementale, lungo la LOS (Linea di Vista del Satellite) o altra direzione, in corrispondenza dei riflettori stabili rilevati.

InSAR per un centro abitato
6. Esempio di analisi InSAR multi-temporale per una frana che coinvolge un centro abitato:
a) mappa di velocità media di spostamento;
b) serie storica di spostamento cumulato in corrispondenza di riflettori stabili di particolare interesse
I limiti delle tecniche interferometriche

La tecnica presenta anche alcuni limiti che è bene ricordare, per una corretta interpretazione dei risultati:

  • le velocità di spostamento massime misurabili corrispondono a circa > 1 cm/settimana, fenomeni rapidi come crolli o colate di detrito non sono rilevabili, ma si possono cogliere eventuali segnali premonitori prima della rottura catastrofica;
  • la distorsione geometrica del segnale SAR può influire negativamente sul rilevamento di spostamenti lungo versanti caratterizzati da acclività > 35° ed esposizione sfavorevole (i.e., Nord, Sud);
  • dove è presente fitta vegetazione è difficile ottenere risultati soddisfacenti, se non nei periodi in cui le foglie cadono (tipicamente buona coerenza in Novembre). La neve fresca rende gli interferogrammi decorrelati e inutilizzabili, mentre informazioni di buona qualità possono essere rilevate in corrispondenza di ghiacciai.

Conclusioni

L’InSAR è l’unico strumento che consente la ricostruzione storica dei processi deformativi ed è imbattibile dal punto di vista della copertura spaziale.

Soprattutto grazie alle immagini Sentinel, disponibili gratuitamente per l’intero globo, le analisi InSAR forniscono informazioni di spostamento su vaste aree, anche remote e di difficile accesso, fornendo prezioso supporto nella scelta del tracciato di nuove infrastrutture lineari.

InSAR per un bacino montano
7. Esempio di analisi InSAR standard per il rilievo di zone soggette a spostamenti persistenti nel tempo su un bacino montano

Nel caso di infrastrutture esistenti, le analisi InSAR permettono di integrare, nello spazio e nel tempo, i dati di monitoraggio a terra, contribuendo in maniera decisiva alla comprensione dell’evoluzione spazio-temporale dei processi deformativi.

Rappresentano, inoltre, un efficace strumento di sorveglianza territoriale lungo l’intero sviluppo dell’infrastruttura. 

Alcuni esempi di applicazione

In Figura 7 è illustrato un esempio di applicazione dell’analisi InSAR standard su un bacino montano di 1.700 km2. Lo scopo è quello di individuare aree soggette a spostamenti persistenti nel tempo per prioritizzare gli interventi di manutenzione ordinaria.

In Figura 8 è rappresentato il caso della frana di Marano (BO), interessata da una riattivazione parossistica il 1° Marzo 2018.

InSAR per la frana di Marano
8. Esempio di analisi InSAR standard per la frana di Marano. In destra, è riportato un singolo interferogramma che mostra chiari segnali di deformazione prima della rottura catastrofica

Ne sono conseguiti danni ingenti all’ex S.S. 64 “Porrettana” (di cui fu asportato un tratto di circa 200 m) e alla linea ferroviaria Bologna-Pistoia, in sponda opposta del Reno, interrotta per alcuni mesi.

Sebbene il processo abbia interessato una zona debolmente vegetata e scarsamente antropizzata, l’analisi InSAR standard effettuata a seguito del parossismo ha permesso di osservare come già nel mese di Gennaio fossero presenti segnali precursori lungo il versante di interesse.

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