Interferometria radar satellitare (InSAR)

PREMESSA

L'interferometria satellitare SAR (Syntetic Aperture Radar) è una metodologia di telerilevamento attivo di ultima generazione, in particolare la metodologia avanzata D-InSAR\MTI (Differential InterferometriySAR/Multi Temporal) consiste nel confrontare dati acquisiti ripetutamente nel tempo su una stessa area di interesse da sensori radar satellitari ad apertura sintetica (SAR) e consente l’individuazione di alcuni bersagli al suolo (denominati PS/Permanent Scatterers e DS/Distributed Scatterers) su cui risultano possibili misure di spostamento estremamente accurate (mm) su serie storiche di diversi anni, mediante l'estrazione di PS (permanent scatterers) e SBAS (small baseline subset).

BREVI CENNI SULLA TECNICA INTERFEROMETRICA SAR

L’obiettivo principale delle analisi eseguite è quello di fornire informazioni utili a quantificare, quantitativamente e qualitativamente, le modificazioni dell’area in esame a supporto dell’attività di progettazione e monitoraggio di infrastrutture antropiche (strade, aeroporti, dighe, ponti, gallerie, edifici ecc.) e nell’attività di prevenzione e gestione del rischio geologico.

Il dataset oggetto dell’analisi e quello ottenuto elaborando immagini radar satellitari acquisite dalla costellazione di satelliti Sentinel-1 (*) dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), tramite la tecnica multi-interferogramma InSAR (Interferometric Aperture Sintetic Radar).

(*) Con opportune modifiche agli scripts di pre-processing tale metodologia può essere applicata anche con altre tipologie di satelliti SAR (Terrasar X, Cosmo Skymed, Ers, Envisat, Alos Palsar ecc.).

TECNICA PSI (PERMANENT SCATTERS INTERFEROMETRY)

L’analisi di dati acquisiti ripetutamente nel tempo su una stessa area di interesse da sensori radar satellitari consente l’individuazione di alcuni bersagli al suolo (denominati PS) su cui risultano possibili misure di spostamento estremamente accurate.

L’idea di base è semplice: il radar ad ogni acquisizione misura la distanza sensore bersaglio al suolo. Avendo a disposizione sequenze di immagini sulla stessa zona e lungo la stessa orbita registrate in istanti di tempo successivi, è possibile mettere in evidenza (almeno per certi oggetti) l’evoluzione di eventuali spostamenti.

I PS corrispondono solitamente a manufatti, parti di edifici, elementi metallici, ma anche rocce affioranti od altri elementi naturali possono mostrare caratteristiche tali da renderne possibile il monitoraggio.

L’elevata densità di punti di misura, soprattutto in corrispondenza di centri abitati (densità oltre 500 PS/kmq), ha permesso di evidenziare i possibili impieghi della Tecnica PS legati al monitoraggio dei fabbricati ed al controllo della stabilità di singole strutture.

Le caratteristiche peculiari della Tecnica PS, quali la capacità di analisi di vaste aree in tempi brevi, la dimensione puntuale e quantitativa delle misure e la loro precisione, l’elevata densità spaziale di bersagli radar per i quali ottenere informazioni di spostamento e la possibilità di accedere ad un archivio storico di dati di ineguagliabile valore, mettono in luce la complementarietà del suo utilizzo con tecniche ormai consolidate quali la livellazione ottica e le misurazioni GPS.

Ad oggi sono le analisi maggiormente diffuse e sono già state utilizzate con successo su decine di migliaia di kmq in varie tipologie di ambiente: da aree alpine o appenniniche a deserti, da pianure ad aree densamente urbanizzate.

TECNICA SBAS (SMALL BASELINE SUBSET)

La tecnica SBAS, sviluppata da Berardino et al. (2002), può considerarsi complementare della tecnica PS poiché consente di analizzare anche aree non antropizzate e parzialmente coperte da vegetazione. L’approccio che sta alla base dell’algoritmo trova il suo punto di forza nell’utilizzo di tutti gli interferogrammi disponibili nel dataset.

Mentre la tecnica PS genera interferogrammi utilizzando tutti i dati disponibili rispetto ad un’unica immagine master, nella tecnica SBAS si vanno a creare interferogrammi tra tutte le coppie di immagini disponili aumentando di fatto anche di 3-4 volte la mole di informazioni processabili e il numero di scatterers disponibili.

Una delle caratteristiche peculiari della metodologia SBAS è la possibilità di preservare le caratteristiche di ampia copertura tipiche dei sistemi di immagini satellitari. Per ottenere questo, la tecnica SBAS utilizza interferogrammi ottenuti a partire da dati satellitari acquisiti da orbite sufficientemente vicine (piccole baseline spaziali) e con tempi di rivisitazione non elevati (piccole baseline temporali).

Queste caratteristiche consentono di minimizzare alcuni effetti (denominati rumore di decorrelazione spaziale e temporale) che disturbano i dati, aumentando il numero di punti per unità di area sui quali si riesce a fornire una misura affidabile della deformazione.

I prodotti ottenuti con questo metodo sono, quindi, caratterizzati da un’elevata densità spaziale di punti monitorabili, i quali presentano un’accuratezza di circa 1 mm/anno sulle misure di velocità media di deformazione e di circa 5 mm sulle misure di deformazione (Casu et al., 2006).

Da ciò la tecnica SBAS risulta sovente più adatta per l’analisi di hazard geologici e di aree poco urbanizzate e coperte da vegetazione. D’altronde l’utilizzo combinato, in parallelo, delle due tecniche (PS e SBAS) rappresenta l’approccio più efficace per il monitoraggio di cinematismi e deformazioni del terreno e strutture.

MATERIALI E METODI

Le elaborazioni sono effettuate totalmente in ambiente Linux (Ubuntu 18.04) e prevedono nella fase di pre-processing l'utilizzo mediante scripts in codice python e C+ dei software Snap (sviluppato da ESA), GMTSAR e ISCE (sviluppati da NASA-UNAVCO) e nella fase di processing l'utilizzo di StaMPS/MTI (Hooper 2018) mediante Matlab.

Questi software open source, ampiamente riconosciuti e utilizzati in ambiente accademico e professionale in tutto il mondo, rappresentano la più valida alternativa ai software commerciali blindati da costosissimi brevetti e/o da elaborazioni preconfezionate dalle Società detentrici di brevetti e consentono l'utilizzo delle metodologie avanzate

D-InSAR a costi decisamente più accessibili.

Per il processing è stato utilizzato StaMPS/MTI (Hooper 2012) su piattaforma Linux ubuntu ver. 18.04.

Elaborazione con tecnica PS D-InSAR di area in frana

Elaborazione con tecnica SBAS D-InSAR di area in frana

Elaborazione con tecnica SBAS D-InSAR cedimenti tratto ferrovia BO-PD e analisi storica dei movimenti

Elaborazione con tecnica SBAS D-InSAR uplift bacino termale Euganeo

Elaborazione con tecnica SBAS D-InSAR cedimenti tratto autostradale BO-PD e analisi storica dei movimenti

Elaborazione con tecnica PS D-InSAR di immagini TerraSAR X in area desertica

Elaborazione con tecnica PS D-InSAR di immagini TerraSAR X, in banda X, a Roma

Elaborazione con tecnica PS D-InSAR di immagini Alos 2, in banda L, in Giappone