Paolo Berardino

Paolo Berardino

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Sbas1smallL’approccio DInSAR denominato SBAS, acronimo di Small BAseline Subset  è una tecnica interferometrica che consente di generare mappe di velocità media di deformazione e di seguire l’evoluzione temporale degli spostamenti di singoli punti dell’immagine; questo può essere fatto a due scale spaziali: a media risoluzione (risoluzione al suolo di circa 100x100m) e a piena risoluzione (risoluzione al suolo di circa 10x10m) .

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). Inoltre, l’estensione tipica dell’area analizzabile (a media risoluzione spaziale) è dell’ordine dei 100x100 km, benché sia stata dimostrata l’applicabilità della tecnica anche ad aree molto più vaste. Una versione estesa dell’algoritmo SBAS, infatti, è in grado di generare mappe di velocità e serie storiche di deformazione in aree molto vaste (estensione spaziale dell’ordine di varie decine di migliaia di km2) e di fornire informazioni sulle caratteristiche spazio-temporali delle deformazioni individuate con accuratezze che sono risultate essere in linea con quelle tipiche dell’algoritmo SBAS convenzionale.

Un ulteriore sviluppo della tecnica sopra descritta, particolarmente importante per la continuità nel tempo del monitoraggio delle deformazioni superficiali, consiste nella possibilità di utilizzare congiuntamente dati acquisiti da sensori diversi, purché caratterizzati dalla stessa geometria di illuminazione. E’ questo il caso dei sensori messi in orbita dall’Agenzia Spaziale Europea, ERS-1/2 ed ASAR-ENVISAT, entrambi operanti in banda-C (5 GHz) e caratterizzati da frequenze portanti leggermente diverse. L’algoritmo sviluppato in IREA (Pepe et al., 2005) offre il vantaggio di poter estendere “temporalmente” le serie storiche ottenute con dati acquisiti dai sensori ERS-1 ed ERS-2 lanciati rispettivamente nel 1991 e 1995 e già (ERS-1) o in procinto di essere (ERS-2) dismessi. Tale estensione è possibile mediante l’utilizzo dei dati acquisiti dal sensore ENVISAT (in orbita dal 2002) e consente, pertanto, di ottenre una analisi dei fenomeni deformativi su intervalli temporali sempre più lunghi (dal 1992 ad oggi).

Da questa analisi ne consegue che l’elaborazione SBAS fornisce un grande numero di misure di deformazione, implicando, pertanto, la gestione di un’elevata mole di dati. Allo stato attuale le procedure SBAS disponibili permettono di ottenere mappe di deformazione e le relative serie storiche nell’arco di circa 30 giorni, per un data set di dati ERS-1/2 ed ENVISAT composto in media da circa 40-60 immagini.

La tecnica SBAS a media risoluzione spaziale è oramai consolidata ed è stata già sperimentata con esito positivo (utilizzando dati SAR ERS-1/2 ed ENVISAT) per lo studio di deformazioni in aree soggette a deformazioni di natura vulcanica, sismica, antropica, ecc.. In particolare, è stata applicata con successo all’analisi delle deformazioni dell’Etna  del Vesuvio e del Pico de Teide (Fernandez et al., 2009), delle caldere dei Campi Flegrei (Trasatti et al., 2008) e di Long Valley; in tali contesti spesso sono stati individuati trend deformativi di grande entità (con tassi di spostamento compresi tra 1 mm/anno e qualche cm/anno) e caratterizzati da andamenti prettamente non lineari. Ad alcuni di tali risultati è stato dato risalto, tra l’altro, anche dalla stampa non specializzata nazionale ed estera (Science, Le Scienze, la Repubblica, Il Mattino, Il Corriere della Sera, etc.).

La tecnica SBAS a piena risoluzione spaziale è stata ampiamente applicata nello studio di dettaglio delle deformazioni di strutture antropiche. In particolare, sono stati analizzati deformazioni relative a singoli edifici.

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Un ulteriore sviluppo, particolarmente importante in ambito urbano, si è avuto con l’estensione dell’approccio SBAS per l’elaborazione di dati SAR a piena risoluzione spaziale (circa 5-10 m) al fine di rilevare fenomeni deformativi, anche molto localizzati spazialmente, che mostrano uno spostamento relativo rispetto a quello medio del terreno.
 
L’approccio SBAS consente, quindi, di generare serie temporali di deformazione a due differenti scale spaziali, definite scala regionale e locale. La prima sfrutta i dati SAR a media risoluzione spaziale (dimensione dei pixel intorno ai 90-100 m), che consentono di generare mappe di velocità media e serie storiche di deformazione relative all’intero frame (tipicamente intorno ai 100 x 100 km). Alla scala locale, la tecnica sfrutta gli interferogrammi single-look generati a piena risoluzione spaziale (dimensione dei pixel intorno ai 5-10 m), che permettono di individuare ed analizzare fenomeni deformativi localizzati che possono interessare singoli edifici e strutture isolate. L’approccio SBAS a due scale spaziali necessita, come punto di partenza, dell’informazione di deformazione media del suolo, generata dall’analisi alla scala regionale, la quale viene opportunamente sottratta dagli interferogrammi a piena risoluzione spaziale per isolare la sola componente ad alta frequenza, che deve essere successivamente elaborata per estrarre il segnale di deformazione ad alta risoluzione spaziale.
 
Un esempio della capacità dell’approccio SBAS-DInSAR a piena risoluzione spaziale di identificare deformazioni molto localizzate alla scala della singola struttura è riportato in Figura 1, dove è rappresentata la mappa di velocità di deformazione a piena risoluzione spaziale, sovrapposta ad un’immagine ottica della diga sul Lago Locone, relativa all’elaborazione dei dati ERS-1/2 ed ENVISAT acquisiti da orbite discendenti nel periodo 1992-2007. E’ da notare la precisione con cui è stato possibile tracciare il campo di deformazione a piena risoluzione della struttura.
 
In tale ambito, l’attività in corso è principalmente focalizzata sulla generazione di serie storiche di deformazione a piena risoluzione spaziale utilizzando lunghe sequenze di dati SAR acquisiti dai più sensori, in particolare dai sensori europei ERS-1/2 ed ENVISAT. Un risultato di questo tipo consente di sfruttare a pieno l’archivio di dati SAR acquisiti dai sensori ERS ed ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea dal 1992 fino ad oggi e permette di creare serie storiche di deformazione molto lunghe relative ad un intervallo di studio anche superiore a 15 anni, consentendo, così, di studiare fenomeni deformativi lenti in atto da parecchi anni.
 
AreaUrbana1smallI risultati ottenuti finora hanno dimostrato l’importanza di avere a disposizione dati ad alta risoluzione spaziale con tempi di rivisitazione più bassi possibile per l’analisi efficace delle deformazioni localizzate alla scala del singolo edificio. A tal proposito, la disponibilità di dati SAR acquisiti dai sensori di nuova generazione, come ad esempio la costellazione italiana COSMO-SkyMed ed il sensore TerraSAR-X, ha certamente ricadute importanti sullo studio e monitoraggio delle deformazioni che interessano singole strutture ed edifici isolati.  Tali sensori, infatti, operanti in banda X, grazie alle loro elevate risoluzioni spaziali (circa 3m e fino a 1 m nella modalità denominata spotlight), alle accuratezze geometriche delle immagini prodotte e alla riduzione dei tempi di rivisitazione dei satelliti stessi (circa 8 giorni), diventano strategici per il monitoraggio del territorio, consentendo un controllo molto spinto delle aree urbane, grazie alla possibilità di rilevare anche movimenti differenziali degli edifici (movimenti intra-buildings).

Figura 1. Mappa geocodificata della velocità di deformazione a piena risoluzione spaziale, espressa in mm/anno, sovrapposta ad un’immagine ottica della diga sul Lago Locone (Puglia). L’immagine si riferisce all’elaborazione dei dati ERS-1/2 ed ENVISAT acquisiti da orbite discendenti nel periodo 1992-2007. La serie storica DInSAR a piena risoluzione spaziale di un punto selezionato in corrispondenza della zona di massima deformazione è riportato nel plot sottostante.

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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.

SIstema di osservazione spaziale per la Gestione Rischio Sismico

L’obiettivo del progetto pilota “SIstema Gestione Rischio Sismico” è la definizione, lo sviluppo e la dimostrazione pre-operativa di un sistema di supporto alle decisioni nella gestione del rischio sismico basato sull’uso di dati di Osservazione della Terra. Il progetto promuove la ricerca scientifica necessaria a far avanzare la tecnologia disponibile allo stato dell’arte al fine di soddisfare le necessità operative dell’utente, individuato nel Dipartimento di Protezione Civile.

Il progetto è svolto in collaborazione con la Advanced Computer Systems S.p.a. (prime), l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (resp. scientifico), l’Università di Siena, l'Elsag Datamat e la TeleRilevamento Europa

http://www.sigris.it/

Committente: Agenzia Spaziale Italiana

Prime contractor: Advanced Computer Systems (ACS)

Periodo di attività: 2008 - 2011

 

Responsabile IREA:

Paolo Berardino

Personale coinvolto:

Gianfranco Fornaro, Fabiana Calò, Francesco Casu, Mariarosaria Manzo, Antonio Pepe, Diego Reale

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Una delle attività di ricerca irea

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