Il potenziale dell’Interferometria SAR satellitare e terrestre per il monitoraggio delle dighe

ABSTRACT

L'interferometria SAR (Synthetic Aperture Radar) è una metodologia di telerilevamento molto utilizzata e tra le più efficaci per monitorare le deformazioni della superficie terrestre e delle strutture costruite dall’uomo. In questo articolo vengono messe in luce le potenzialità delle tecniche dell'interferometria SAR satellitare e terrestre per il monitoraggio strutturale delle dighe, attraverso la presentazione di quattro casi di studio in Europa e in Asia. L'interferometria SAR satellitare ed in particolare la tecnica Advanced Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (A-DInSAR) è uno strumento dalle potenzialità uniche per il monitoraggio di strutture complesse come le dighe, soprattutto grazie alla capacità di fornire informazioni su territori di vaste dimensioni (diversi chilometri quadrati), con elevata risoluzione spaziale (alcuni metri) e precisione millimetrica. La tecnica Terrestrial Interferometric Synthetic Aperture Radar (TInSAR) consente invece di monitorare le deformazioni su aree localizzate, con un’elevata frequenza delle misurazioni, dimostrando di essere quindi efficace per un monitoraggio in tempo reale delle deformazioni del corpo diga.
Queste tecnologie hanno dimostrato di essere un ottimo strumento per il monitoraggio strutturale sia delle dighe sia dei versanti che si affacciano sui bacini idrici artificiali, fornendo un contributo fondamentale per la gestione di queste infrastrutture e della loro sicurezza.

1.    INTRODUZIONE

Il monitoraggio tramite telerilevamento è un’attività chiave per la valutazione dello stato di salute strutturale di una diga ed in generale di una struttura ingegneristica ed è il modo migliore per conoscere il suo comportamento nel passato. Negli ultimi decenni sono stati adottati diversi approcci di monitoraggio, che vanno dall'ispezione visiva al monitoraggio strumentale continuo (Fuhr & Huston, 1993; Kronenberg et al., 1997; Alonso Pérez de Agreda & Gens Solé, 2006; Alba et al., 2006).
In questo articolo vengono presentati quattro casi di studio di monitoraggio tramite le tecniche dell'interferometria SAR (Synthetic Aperture Radar) satellitare e terrestre relativi a dighe con caratteristiche molto diverse ed in diversi contesti strutturali ed ambientali.
In generale, l'interferometria SAR si è rivelata un ottimo strumento per gli ingegneri responsabili del monitoraggio strutturale, in quanto in grado di fornire informazioni sulle deformazioni superficiali del suolo e delle strutture, con precisione millimetrica e con buona risoluzione spaziale.
In particolare, le tecniche Advanced Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (A-DInSAR), grazie alle immagini radar di archivio disponibili dagli inizi degli anni '90, forniscono la possibilità unica di indagare a ritroso nel tempo sulle condizioni della struttura, studiando a posteriori la storia delle deformazioni strutturali, anche dal punto di vista quantitativo e riuscendo inoltre a coprire vaste aree (Wang et al., 2011; Tomás et al., 2013).
La tecnica Terrestrial Interferometric Synthetic Aperture Radar (TInSAR), invece, consente di monitorare gli spostamenti di aree localizzate con un’elevata frequenza di misura (pochi minuti), dimostrandosi così efficace per un monitoraggio in tempo reale della deformazione delle dighe (Luzi, 2010; Mazzanti, 2011) e quindi per scopi di Early Warning.

2.    METODOLOGIE

2.1.     A-DInSAR

La tecnica A-DInSAR utilizza diverse immagini SAR satellitari per misurare la deformazione della superficie terrestre e degli oggetti su di essa ed è in grado così di monitorare nel tempo i fenomeni di deformazione con un'elevata precisione (Curlander & McDonough, 1991; Massonnet et al., 1993; Hanssen, 2005; Strozzi, 2005). Rispetto ad altri metodi tradizionali, la tecnologia A-DInSAR offre un punto di forza peculiare, ovvero quello di permettere di ricostruire la storia degli eventi passati di deformazione e seguire la loro evoluzione nel tempo, grazie agli archivi di dati gestiti dalle agenzie spaziali nazionali e internazionali.
Le prime missioni satellitari con sensori SAR sono state lanciate nei primi anni '90 e da allora le immagini sono state raccolte in diverse parti del mondo, con tempi di rivisitazione della stessa area dell'ordine di alcuni giorni (ad esempio, il sensore Envisat-ASAR aveva un tempo di rivisitazione di 35 giorni, mentre la recente costellazione Sentinel-1, ad esempio, ha un tempo di rivisitazione di soli 6 giorni).
L'immagine SAR è costituita da una matrice di celle (pixels) la cui dimensione dipende dal sensore (di solito varia da alcuni metri fino a meno di un metro) e contiene le informazioni sulle distanze tra il satellite ed i punti sulla superficie terrestre. L’interferometria SAR differenziale classica (DInSAR) consiste nella misurazione delle differenze di fase tra due immagini radar acquisite in tempi diversi. In particolare, la variazione delle distanze misurate durante la prima e la seconda acquisizione dal satellite sulla stessa area, rappresentano lo spostamento dei targets a terra, ovvero la deformazione del suolo. Gli spostamenti vengono misurati lungo la linea di vista (Line Of Sight, LOS) satellite-target.
Al fine di superare le principali limitazioni della tecnica DInSAR, come l'influenza dell’atmosfera (Atmospheric Phase Screen), sono state sviluppate alcune tecniche avanzate raggruppate sotto il nome di metodologie A-DInSAR, che utilizzano numerose immagini SAR (Ferretti et al., 2001; Berardino et al., 2002; Cigna et al., 2011; Bozzano et al., 2012; Figura 1a e b). Tra queste, la tecnica PSI (Persistent Scatterers Interferometry) si basa sull'analisi di alcuni particolari targets sulla superficie terrestre (chiamati Persistent Scatterers), caratterizzati da un'elevata riflettività del segnale radar, costante nel tempo (Ferretti et al., 2001; Kampes, 2006). Di solito, questi targets sono edifici, strade, strutture metalliche, infrastrutture o rocce affioranti (Figura 1c). I dati di output di un’analisi PSI consistono in: i) la velocità media (o lineare) della deformazione nel periodo di tempo esaminato; ii) la serie temporale di deformazione per ogni PS, con una precisione fino ad alcuni millimetri; iii) la quota del target rispetto al terreno; iv) le deformazioni cicliche (non lineare) dovuta a diversi fattori (ad esempio variazioni di temperatura stagionali).

Figure 1. Schema che illustra i principi di base delle metodologie A-DInSAR: (a) acquisizioni del satellite sulla stessa area di studio in tempi diversi; (b) image stacking; (c) Persistent Scatterers e differenza di fase (parte rossa dell’onda) del segnale SAR.

2.2.     TInSAR

La TInSAR utilizza un sensore attivo a microonde basato a terra, per la generazione di mappe di spostamento 2D di aree grandi fino a pochi km2, con un tasso di campionamento temporale elevato. Il radar terrestre è formato da un binario lungo il quale si spostano due antenne i cui segnali riflessi e ricevuti vengono combinati. In questo modo, è possibile ottenere immagini ad alta risoluzione sia in range (direzione sensore-target o LOS) sia in cross-range (direzione ortogonale alla LOS; Mazzanti, 2012; Figura 2a e b).
Il monitoraggio TInSAR può essere eseguito installando l'apparecchiatura su un sito stabile e cioè non soggetto a deformazione, situato di fronte all'area investigata (Figura 2c). Diversamente da altri sistemi geodetici, l'installazione di targets o riflettori aggiuntivi non è obbligatoria, anche se può fornire un valido supporto all’analisi di zone molto vegetate o con scarsi riflettori naturali.
Lo spostamento viene misurato attraverso l'analisi della differenza di fase (tecnica interferometrica) di ogni pixel tra due o più immagini SAR acquisite in tempi diversi. Per ogni pixel delle mappe di spostamento 2D, è possibile ottenere la serie temporale di spostamento, ovvero osservare come si evolve la deformazione nel tempo presso ogni singolo pixel. Come per l’interferometria radar satellitare, la misurazione della variazione delle distanze (e quindi degli spostamenti) avviene lungo la LOS.
L'applicazione più comune del TInSAR è il monitoraggio in continuo di pendii e infrastrutture instabili, come edifici, ponti ed in particolare dighe.
L'accuratezza della tecnica TInSAR è influenzata dal rumore atmosferico: esso varia da decimi di millimetri a pochi millimetri, a seconda della distanza a cui viene installato lo strumento e delle condizioni atmosferiche. La risoluzione dei pixel di un'immagine SAR terrestre varia da pochi decimetri a diversi metri (a seconda dell'apparecchiatura e della distanza di monitoraggio). Ad esempio, considerando una distanza di 1 km tra il sensore ed il target, l'attrezzatura commerciale più comune ha una risoluzione di circa 0,75 m x 4 m.
Uno dei vantaggi del TInSAR è la capacità di monitorare gli spostamenti da una posizione relativamente lontana dal pendio o dalla struttura di interesse, senza l’obbligo di installarvi dei targets artificiali o dei sensori. Altri vantaggi includono (i) la possibilità di acquisire misurazioni in tutte le condizioni di illuminazione e clima, tra cui le piogge, le nuvole e la nebbia, (ii) l'elevata velocità di campionamento dei dati (pochi minuti) e quindi di fornire un monitoraggio in continuo (Mazzanti, 2015), in grado di funzionare da sistema di allertamento (Early Warning).

Figure 2. a) Schema che rappresenta il sistema TInSAR e b) le sue geometrie di acquisizione; c) sistema TInSAR installato in posizione frontale rispetto ad una diga in calcestruzzo.

ALL'INTERNO DELL'ARTICOLO INTEGRALE ALCUNI CASI STUDIO