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Lunedì, 07 Febbraio 2011 11:49

Monitoraggio del territorio e dell’ambiente

africaIl monitoraggio del territorio e dell’ambiente richiede informazioni aggiornate per descrivere l’evoluzione dei fenomeni ed evidenziare eventuali situazioni di criticità. Le immagini dei sensori satellitari ben si prestano a questo scopo in quanto è oggi possibile avere riprese dello stessa porzione di territorio con rivisitazione quasi giornaliera. L’opportuno trattamento di queste serie di dati consente di estrarre informazioni a valore aggiunto circa le caratteristiche della superficie osservata. Le serie temporali di dati possono fornire nel tempo parametri di diretto interesse modellistico per una loro assimilazione (i.e. mappe di superficie nevata per modelli idrologici), possono essere elaborate per estrarre informazioni stagionali sintetiche (stato degli ecosistemi e fenologia della vegetazione) o grazie al confronto con serie pluriannuali fornire indicatori di anomalia (criticità ambientali).

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Terremoti, frane, eruzioni vulcaniche o, più in generale, fenomeni di deformazione della superficie terrestre, possono essere monitorati grazie all’uso di sensori  Radar ad Apertura Sintetica (SAR).

Il SAR è in grado di rivisitare la stessa area ad intervalli regolari, fornendo informazioni ad altissima risoluzione spaziale della scena osservata. Nel caso dei satelliti ERS 1/2 ed ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), attivi dal 1992 il tempo di rivisitazione stabilito è ogni 35 giorni, per i sensori invece di nuova generazione come ad esempio la costellazione Cosmo SKY-Med, tale intervallo si è ridotto ad 8 giorni. Utilizzando la tecnica denominata Interferometria Differenziale SAR (DInSAR), in cui si confrontano (si fanno “interferire”) due immagini acquisite da posizioni leggermente differenti (baseline spaziale) e in tempi diversi (baseline temporale) è possibile ottenere immagini tridimensionali della superficie terrestre, misurandone anche la topografia. Se qualcosa è cambiato, nell’intervallo di tempo tra le due acquisizioni, ossia se si rileva una deformazione del terreno tra i due passaggi successivi del sensore, questa viene visualizzata mediante una serie di strisce colorate, le cosiddette frange di interferenza o interferogramma.  Le onde elettromagnetiche utilizzate sono caratterizzate da una alternanza di creste distanziate di circa 5 cm; questa distanza è la cosiddetta lunghezza d’onda. È proprio “contando” queste creste che il radar riesce a capire a quale distanza si trova l’oggetto che sta osservando. Non solo, se l’oggetto, che può trovarsi anche a centinaia di chilometri di distanza, si sposta di appena qualche centimetro il numero di creste che caratterizzano le onde elettromagnetiche cambierà, consentendo di rilevare e misurare lo spostamento con accuratezza, appunto, centimetrica. 

Le tecniche interferometriche generano non solo le mappe di deformazione del suolo misurata lungo la linea di vista del sensore, ma usufruendo di una serie di immagini (invece di due sole) acquisite nel corso del tempo, consentono di seguire l’evoluzione temporale della deformazione stessa. Per esempio, la misura delle deformazioni del suolo in aree vulcaniche è di estrema importanza in quanto queste sono spesso precursori di eruzioni, o comunque indice di un incremento dell’attività vulcanica. E se si considera che i primi satelliti utilizzabili a tale scopo hanno raccolto dati fin dal 1992, è evidente la possibilità di analizzare con un dettaglio precedentemente impensabile la storia deformativa di un vulcano negli ultimi 19 anni. Tutto questo senza avere alcuna necessità di accedere al vulcano, un ulteriore vantaggio, in caso di crisi eruttiva, rispetto a tecniche più “tradizionali”.

Queste ultime prevedono una raccolta manuale di dati da effettuarsi mediante campagne di misura sul territorio, oppure l’istallazione, in postazioni fisse, di ricevitori GPS del tutto analoghi a quelli dei navigatori satellitari. In entrambi i casi, il numero di punti di misura risulta essere limitato.

Una mappa di deformazione satellitare, invece, permette di coprire aree molto vaste e con una densità di punti di misura molto elevata.

Giovedì, 28 Giugno 2012 09:50

All'IREA il Serit Award 2012

premio_Serit_smallNel corso della seconda giornata annuale di Serit (Security Research in ITaly), la piattaforma tecnologica nazionale sulla sicurezza promossa da Cnr e Finmeccanica, il laboratorio Radar per applicazioni di sicurezza e monitoraggio del territorio dell'IREA ha ricevuto ieri, 27 giugno, presso la sede del Consiglio Nazionale delle Ricerche a Roma, il Serit Award.

Il laboratorio, i cui referenti sono l'ing. Gianfranco Fornaro e l’ing. Francesco Soldovieri, opera nei domini "Tecnologie per crisis management & per la protezione di persone, asset e infrastrutture" e "Detection & Identification systems"

Il premio è un riconoscimento per il laboratorio pubblico e/o privato italiano che si è distinto per la ricerca e l’innovazione in ambito Security, valutato sulla base di criteri di Eccellenza Tecnologica & Innovazione, Eccellenza Gestionale, Ambiente di lavoro.

Serit raggruppa le aziende e gli enti italiani che si occupano di ricerca in ambito "Homeland Security", con cui si intende lo sviluppo di capacità e tecnologie volte ad individuare, prevenire, contrastare e gestire l’impatto di atti criminali e dolosi, inclusi quelli terroristici, o rivolte alla mitigazione dei rischi provenienti da disastri naturali, antropici e industriali.

Attualmente fanno parte di Serit oltre 250 partner tra cui il CNR, Alenia aeronautica, Selex Elsag, Enea, il Centro ricerche Fiat, l’Università cattolica del sacro Cuore, il Politecnico di Torino.

 

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modellazioneI processi geofisici che avvengono a diversi chilometri sotto la superficie terrestre, come il movimento di una faglia sismogenetica, l'accumulo di magma, la variazione di pressione nei serbatoi magmatici, provocano in molti casi deformazioni della superficie terrestre che possono essere misurate con metodi geodetici e con tecniche di telerilevamento come quelle SAR interferometriche (InSAR). I risultati di tali misure e la successiva modellazione geofisica delle sorgenti, causa delle deformazioni, possono fornire informazioni fondamentali per la valutazione del rischio vulcanico e sismico e per la corretta pianificazione delle attività umane e del territorio.

E’ possibile modellare le sorgenti di deformazione mediante approcci analitici e numerici. Nella modellazione analitica i modelli più diffusi riescono a riprodurre la deformazione osservata in maniera sufficientemente realistica utilizzando funzioni semplici caratterizzate da un numero limitato di parametri. Sebbene in questi approcci semplificati vengano trascurati diversi aspetti (le proprietà del magma all'interno della sorgente, tra cui la sua compressibilità, le asperità lungo il piano di faglia, le eterogeneità crostali), i modelli analitici costituiscono comunque un valido strumento per una valutazione preliminare della localizzazione e delle caratteristiche geometriche delle sorgenti che hanno generato la deformazione osservata, informazioni ottenute grazie all’inversione dei dati di deformazione superficiale misurati (InSAR, GPS, EDM, tiltmetria, ecc…).

La modellazione numerica è uno strumento avanzato in grado di consentire simulazioni realistiche dei processi geofisici mediante l’utilizzo di informazioni eterogenee e di efficienti metodi matematici. Esistono diverse tecniche di modellazione numerica; quella generalmente in uso nelle Scienze della Terra è la tecnica FEM (Finite Element Method). L’incremento esponenziale delle conoscenze sui sistemi geofisici e lo sviluppo tecnologico degli strumenti di calcolo numerico hanno consentito l’implementazione di modellazioni sempre più complesse, capaci di rappresentare la variabilità spazio temporale delle grandezze fisiche che condizionano l’evoluzione di un sistema naturale. In questo contesto la modellistica multi fisica agli elementi finiti rappresenta una nuova frontiera per la comprensione dell’evoluzione spazio temporale dei diversi contesti geodinamici quali le aree vulcaniche, sismiche e quelle affette da fenomeni di dissesto idrogeologico.

L’IREA è impegnata nello sviluppo di attività di ricerca sul tema della modellazione geofisica di dati telerilevati e geodetici; tali attività hanno già fornito importanti risultati nell’ambito dello studio dei principali eventi sismici che hanno colpito il territorio nazionale negli ultimi anni.Rilevanti sono stati anche i risultati relativi all’analisi dei principali vulcani italiani e di vari altri siti vulcanici di grande interesse scientifico.

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L’interferometria SAR differenziale (DInSAR) è una tecnica per la stima delle deformazioni del suolo con accuratezze centimetriche e in alcuni casi millimetriche. Negli ultimi decenni, grazie ad una sempre crescente disponibilità di dati SAR satellitari e allo sviluppo di algoritmi avanzati come la tecnica SBAS (Small BAseline Subset), l’interferometria differenziale si è affermata come un efficace strumento di telerilevamento non solo per comprendere meglio i fenomeni geofisici a scala locale e regionale ma anche per dare supporto alla gestione e mitigazione dei rischi naturali e antropici.

Lo scenario attuale del DInSAR vede un costante incremento della disponibilità di grossi archivi di dati SAR satellitari, acquisiti dai sensori ERS ed ENVISAT dell’ESA prima e dalle costellazioni TerraSAR-X (DLR) e COSMO-SkyMed (ASI) poi, passando per le missioni canadesi RADARSAT-1/2. Nel prossimo futuro, i sensori SAR a bordo della costellazione europea Sentinel-1 permetteranno di compiere un ulteriore passo in avanti nella disponibilità di dati acquisiti, grazie al tempo di rivisita che può scendere fino a 6 giorni (con Sentinel-1A e 1B) e alla politica di acquisizione global coverage adottata.

Al fine di poter beneficiare di questa enorme mole di dati per l’analisi e il monitoraggio interferometrico delle deformazioni del suolo, è necessario disporre non solo di risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC) ma anche di algoritmi DInSAR che siano in grado di sfruttarle in modo efficace ed efficiente.

In questo contesto, l’attività di ricerca di IREA si concentra sullo studio, sviluppo, ed implementazione di soluzioni algoritmiche DInSAR innovative che sfruttino piattaforme di calcolo ad alte prestazioni. In particolare, ci si concentra sull’utilizzo di architetture distribuite multi-nodo e multi-core (GRID e Cloud) per beneficiare di piattaforme di calcolo parallelo, con conseguente possibilità di abbattimento dei tempi di elaborazione.

Gli obiettivi dell’attività sono la ricerca di soluzioni algoritmiche DInSAR che permettano di gestire ed elaborare la crescente mole di dati SAR disponibili in tempi ragionevoli. Si sta studiando, inoltre, lo sviluppo di nuovi strumenti algoritmici per la generazione di mappe di deformazione del suolo a scala continentale che possano essere utilizzate per l’analisi di fenomeni deformativi di interesse globale. Oltre alle notevoli ricadute scientifiche, il raggiungimento di tali obiettivi ha importanti risvolti in ambiti di Protezione Civile per la gestione, la prevenzione e la mitigazione del rischio naturale ed antropico, sia in fase di preallerta sia in condizioni di emergenza. Infine, la possibilità offerta dalle piattaforme Cloud di ospitare gli archivi di dati, le risorse di processing e gli algoritmi di elaborazione, in congiunzione con la capacità di semplificare la condivisione di dati e risultati, apre nuovi scenari di diffusione e fruizione della conoscenza scientifica.

 

Venerdì, 28 Giugno 2013 09:53

Terza giornata annuale SERIT

logo seritIl prossimo 8 Luglio, con il supporto organizzativo e logistico dell'IREA, si svolgerà la Terza giornata annuale SERIT, la piattaforma tecnologica nazionale promossa da CNR e Finmeccanica che raggruppa le aziende e gli enti che in Italia si occupano di ricerca in ambito Sicurezza.

L'evento sarà l'occasione per presentare il Volume 3 della Piattaforma SERIT che include le priorità nazionali da supportare in Horizon 2020.

La giornata si aprirà con il saluto del Presidente del CNR, del Sindaco di Napoli e del Presidente della Regione Campania. A seguire, nella Tavola Rotonda presieduta da un rappresentante della Commissione Europea, si discuteranno le opportunità di finanziamento per le tematiche "Security in H2020", con particolare riferimento al ruolo della ricerca e dell'industria nell'Italia Meridionale.

Nel pomeriggio verrà dato spazio a una breve presentazione dell'IREA che, con il laboratorio Radar per applicazioni di sicurezza e monitoraggio del territorio, ha vinto il Serit Award 2012, il riconoscimento al laboratorio pubblico e/o privato italiano che si è distinto per la ricerca e l’innovazione in ambito Security.

L'evento si svolgerà presso l'aula conferenze dell'Istituto Motori del CNR di Napoli, in via Marconi 8.

Per registrarsi e consultare il programma completo della giornata andare all'indirizzo: http://www.piattaformaserit.it/?p=2003

 

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Sicurezza, monitoraggio di foreste, stima della biomassa e dell’umidità dei suoli, ghiacciai, archeologia, geologia, esplorazioni planetarie: sono alcune delle applicazioni del radar in banda P, un sistema di proprietà dell'Agenzia spaziale italiana (Asi), realizzato dal Corista e sperimentato con la partecipazione dell’Istituto per il rilevamento elettromagnetico dell’ambiente del Cnr, il Politecnico di Milano e l’Università di Trento

figura SAR P-band smallE’ stata completata con successo l'attività di ricerca e sviluppo finalizzata alla realizzazione e sperimentazione di un sistema radar multifrequenza operante in banda P (frequenze inferiori ad 1 GHz), in particolare nelle bande VHF e UHF, di proprietà dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Il sistema, realizzato dal Consorzio di Ricerca su Sistemi di Telerilevamento Avanzati (CORISTA) e sperimentato con la partecipazione dell’Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente del CNR, il Politecnico di Milano e l’Università di Trento, è costituito da un sensore "sounder", operante alla frequenza di 150 MHz, e da due sensori "imager" operanti alle frequenze di 450 e 900 MHz. Grazie all'impiego di frequenze più basse rispetto a quelle delle bande "classiche" L, C ed X, il sistema radar realizzato permette di acquisire informazioni anche sullo strato sub-superficiale dell'area investigata. 

La capacità penetrativa dei radar in banda P presenta interessanti ricadute sia in ambito scientifico (esplorazione planetaria e della Terra, comprensione delle dinamiche di ecosistema, studio dello spessore dei ghiacci) sia applicativo (individuazione nel sottosuolo di installazioni otticamente nascoste sia intenzionalmente - applicazione più propriamente militare - sia per cause naturali - p.es. reperti archeologici o ricerche post frane).
 
 

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L’interesse della Difesa verso l’esplorazione del potenziale offerto dall'impiego militare della banda P ha permesso, tramite i velivoli messi a disposizione dal Centro Sperimentale Volo dell’Aeronautica Militare, di effettuare la sperimentazione del radar, attraverso due campagne di volo, finalizzata ad investigare lo spettro applicativo di tale banda di frequenze con particolare riguardo all’analisi di aree terrestri.

Nell’ambito dell’esperimento l’IREA ha condotto le elaborazioni dei dati necessarie a fornire al radar in banda P la capacità di discriminare gli oggetti al suolo con dettaglio paragonabile a quello dell’occhio umano. Tali elaborazioni richiedono operazioni complesse di trattamento del segnale che, nel caso specifico di installazione su elicottero, hanno riguardato soprattutto la compensazione accurata degli errori di moto della piattaforma. “La capacità penetrativa dei radar in Banda P, ovvero di vedere in 3D anche attraverso la vegetazione o nel sottosuolo”, affermano Gianfranco Fornaro e Francesco Soldovieri, primi Ricercatori dell’IREA che hanno coordinato le attività dell’elaborazione dei dati sia della componente imager che sounder e la generazione delle immagini tra cui quella riportata in figura, “ha applicazioni rilevanti per la sicurezza, il monitoraggio di foreste, la stima della biomassa e dell’umidità dei suoli, come pure per i ghiacciai, l’archeologia, la geologia e le esplorazioni planetarie.”

 

News ASI

Comunicato stampa CNR

 



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Utilizzati per la prima volta dati satellitari e misure al suolo allo scopo di evidenziare le possibili risalite di magma che ‘annunciano’ l'attività eruttiva all’Etna. Lo studio è stato pubblicato su Scientific Reports di Nature
 

FotoL’utilizzo congiunto di dati satellitari e misure al suolo aiuta ad evidenziare le possibili risalite di magma precedenti la ripresa dell'attività eruttiva all’Etna. E’ quanto riporta uno studio nato dalla fruttuosa collaborazione tra il Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr), l'Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia (Ingv) e l’Agenzia spaziale italiana (Asi) che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Scientific Reports di Nature.

Capire la struttura interna di un vulcano e il suo funzionamento è uno degli obiettivi principali degli studi vulcanologici. Per fare questo i ricercatori possono basarsi solo su informazioni raccolte sulla superficie del vulcano e sull’analisi dei prodotti emessi (lava, gas, cenere, …). Lo studio, per la prima volta, utilizza sinergicamente le misure della deformazione del suolo, calcolate utilizzando dati raccolti da radar satellitari come Ers/Envisat e Cosmo-SkyMed, e le informazioni sulle piccole variazioni del campo gravitazionale misurate in prossimità della superficie del vulcano.

“Uno degli strumenti più importanti per la comprensione dei fenomeni che avvengono in profondità è lo studio delle deformazioni della superficie terrestre”, spiega Eugenio Sansosti del Cnr. “Deformazioni del suolo anche molto piccole, fino ad un centimetro, possono essere misurate dallo spazio utilizzando sensori radar ad apertura sintetica, chiamati Sar, montati a bordo di satelliti”.

È per questo che l’Etna è costantemente monitorato dai satelliti della costellazione dell’Asi Cosmo-SkyMed che dal 2009 acquisiscono con estrema regolarità, sul vulcano italiano.

Piccole variazioni della superficie terrestre sono l’effetto misurabile di vari processi geofisici, spesso complessi e sovrapposti. Tuttavia, nonostante l’estrema precisione delle tecniche Sar satellitari, non sempre fenomeni importanti, quali la risalita di magma in un vulcano, danno luogo a deformazioni del suolo significative.

“È proprio in questi casi che l’integrazione con altri dati fornisce i risultati più interessanti”, prosegue Sansosti. “Nel nostro lavoro, in aggiunta ai dati Sar, abbiamo utilizzato dati gravimetrici raccolti dall’Ingv. Con tali dati, che misurano le variazioni del campo gravitazionale, è possibile avere una stima delle masse magmatiche presenti sotto la superficie del vulcano. Questo permette di individuare fenomeni di risalita del magma anche se non causano deformazioni del suolo misurabili”.

Un lavoro che apre nuove prospettive per la comprensione del funzionamento dei vulcani. La risalita di magma, tuttavia, non è l’unico fenomeno che causa variazioni della superficie terrestre e del campo gravitazionale. “In un sistema vulcanico così complesso come l’Etna, molti sono i fattori che influenzano questi parametri”, spiega Gilda Currenti dell’Ingv “La capacità di creare nuovi modelli numerici che permettano, mediante simulazioni al computer, di separare i diversi fenomeni che avvengono contemporaneamente, permetterà di capire con maggiore precisione quando il vulcano inizierà una nuova fase eruttiva”. Ed è questa la sfida per il futuro.

Questo studio è stato co-finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana tramite il progetto Sar4Volcanoes che ha anche messo a disposizione i dati Sar acquisiti dai satelliti Cosmo-SkyMed. Per favorire la conoscenza dei fenomeni vulcanici, l’Asi aderisce all'iniziativa internazionale Supersites, mettendo a disposizione della comunità scientifica internazionale i dati della missione Cosmo-Skymed su alcuni vulcani nel mondo come Hawaii e Islanda.

Leggi l'articolo pubblicato sulla rivista Scientific Reports.

 
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Venerdì, 12 Ottobre 2012 10:14

Numero speciale newsletter SERIT

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E dedicato al laboratorio radar per applicazioni di sicurezza e monitoraggio del territorio dell'IREA, vincitore del SERIT Award 2012il numero speciale della newsletter Serit (Security Research in ITaly), la piattaforma tecnologica nazionale sulla sicurezza che raggruppa le aziende e gli enti italiani che si occupano di ricerca in ambito "Homeland Security".

"La Commissione per l’attribuzione dell’award", si legge nell'introduzione di Cristina Leone e Fabio Martinelli, "ha valutato positivamente i risultati e l’approccio descritti dal Laboratorio che hanno consentito di affrontare le sfide tecnologiche proprie della piattaforma SERIT in ambito Tecnologie per crisis management e per la protezione di persone, asset ed infrastrutture".

 

 

 

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I dati rilevati dai satelliti radar COSMO-SkyMed dell'Asi hanno mostrato la deformazione della superficie,
permettendo ai ricercatori di Cnr-Irea e Ingv di fare le prime valutazioni sulla zona colpita
 

mappa_spostamenti_IREANell’emergenza post terremoto dell’Emilia Romagna il Dipartimento della Protezione Civile, fin dalle primissime ore dopo il sisma, ha coinvolto l’ASI Agenzia Spaziale Italiana, il CNR-IREA Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente e l’INGV Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, per la programmazione di nuove acquisizioni radar dai satelliti della costellazione COSMO-SkyMed al fine di disporre, in tempi molto rapidi, di informazioni circa la deformazione crostale connessa alle scosse sismiche di maggiore energia: tipo di deformazione, entità ed estensione del territorio interessato.

Grazie alle informazioni satellitari è stato possibile completare il quadro della situazione dell’area colpita dal sisma. Per una parte dell’area studiata si è evidenziato che si è avuto un sollevamento il cui valore massimo è pari a circa 15 centimetri. Questi dati concordano con quelli sismologici e mostrano un piano di rottura principale immergente verso Sud lungo il quale la parte meridionale di questo settore della Pianura Padana si è accavallato sul settore settentrionale (faglia di sovrascorrimento).

Una delle più importanti capacità dei sistemi radar per l’Osservazione della Terra è quella di funzionare giorno e notte e in qualsiasi condizione atmosferica. Questa caratteristica, data la densa copertura nuvolosa che ha interessato la zona durante i primi giorni dell’emergenza, si è rilevata di particolare importanza: l’informazione radar è risultata l’unica capace di fornire, in tempi brevissimi, un quadro d’insieme della situazione, non rilevabile con le metodologie ottiche standard.

Mediante una tecnica denominata Interferometria Differenziale è possibile misurare spostamenti del terreno, anche dell’ordine dei centimetri, utilizzando immagini radar acquisite prima e dopo un evento sismico. L’ultima acquisizione dei satelliti COSMO-SkyMed sulla zona interessata dal sisma è avvenuta la sera del 19 maggio, poche ore prima dell’evento.

Per poter calcolare la deformazione del suolo è necessario attendere che uno dei satelliti ripassi esattamente sulla stessa orbita. L’Agenzia Spaziale Italiana ha immediatamente predisposto l’acquisizione del primo passaggio utile post-terremoto, avvenuto nella serata del 23 maggio. I dati sono stati prontamente elaborati da un team di ricercatori coordinati da Eugenio Sansosti del Consiglio Nazionale delle Ricerche e da Stefano Salvi dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia.

Per renderle più semplici da interpretare, le deformazioni misurate sono state rappresentate sulla cartografia di GoogleEarth mediante un codice di colori (vedi immagine). Le zone azzurre sono quelle affette da deformazione trascurabile, mentre quelle in rosso hanno raggiunto il valore di massimo sollevamento.

Questo primo risultato è particolarmente interessante in quanto, pur rappresentando solo il settore più orientale dell’area presumibilmente in deformazione, consente di capire che questa ha un orientamento prevalentemente est-ovest, parallelo alla struttura tettonica che ha generato il terremoto, e può quindi fornire utili informazioni per la definizione della geometria complessiva del processo in atto. La qualità delle immagini risulta buona, nonostante le caratteristiche non ottimali della superficie (presenza di coltivazioni e vegetazione).

Scarica il file che permette di vedere la mappa si deformazione in Google Earth sul tuo computer

Installa Google Earth

Ascolta l'intervista del GR1 a Eugenio Sansosti, 26 maggio 2012     ascolta

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