L’interferometria SAR satellitare per lo studio dei processi di subsidenza

I casi di studio del bacino delle Acque Albule e della piana di Fiumicino

INTRODUZIONE

La subsidenza è un fenomeno con il quale ci interfacciamo comunemente sia per il danneggiamento delle strutture sia per la pianificazione/progettazione di eventuali interventi di espansione urbanistica e/o di sfruttamento delle risorse del sottosuolo. I fenomeni di subsidenza sono legati a cause naturali (consolidazione di sedimenti, movimenti tettonici, ecc.), che fungono da cause predisponenti e al tempo stesso innescanti, o antropiche. Tra le principali attività antropiche che causano o accelerano la subsidenza vale la pena menzionare lo sfruttamento di risorse sotterranee (ad esempio emungimento di acqua o idrocarburi), e imposizione di carichi esterni causati dall'urbanizzazione. Il principale effetto tangibile della subsidenza è il danneggiamento di strutture e infrastrutture che possono portare al superamento del limite di esercizio fino al grave danno strutturale.

Oggi sono disponibili diversi strumenti per misurare le deformazioni relative alla subsidenza con elevata precisione. Negli ultimi 20 anni è avvenuta una rivoluzione grazie all'uso di immagini radar satellitari che, analizzate attraverso le tecniche di Interferometria SAR, risultano particolarmente adatte a rilevare questo tipo di processi. Attraverso tali tecniche, si può analizzare il processo di subsidenza su ampie aree, dando così uno sguardo globale alle aree interessate e consentendo la zonazione degli effetti in termini di tassi di deformazione. La disponibilità di archivi di immagini radar a partire dal 1992 consente di dedurre in maniera esaustiva l’evoluzione temporale di oltre un ventennio dei processi deformativi che affliggono vaste aree. Ottenere informazioni sulle deformazioni del terreno, di strutture ed edifici è una caratteristica chiave per valutare lo stato evolutivo del fenomeno di subsidenza in maniera quantitativa, ma sono necessari diversi studi integrativi e aggiuntivi per ottenere una conoscenza completa del meccanismo che controlla tali processi, specialmente ai fini della previsione e della valutazione degli eventi futuri attesi. Studi recenti si sono concentrati sull'indagine delle relazioni tra il processo di subsidenza e le caratteristiche geologiche, geotecniche e idrogeologiche dell'area per fare luce sull'evoluzione futura prevista del processo di instabilità (Bock et al., 2012; Bozzano et al., 2015a; Bozzano et al., 2015b; Bru et al., 2013; Chaussard et al., 2014; Heleno et al., 2011; Stramondo et al., 2008).

In questo contesto, NHAZCA S.r.l. offre servizi e competenza nell’analisi dei dati SAR satellitari, costituendo un riferimento per lo studio e la caratterizzazione dei processi superficiali del territorio, sia alla scala locale (come una singola struttura/infrastruttura) che a scala regionale (intere città o vaste porzioni di territorio). Grazie agli archivi storici delle immagini (disponibili a partire dal 1992), alle missioni attualmente in corso, NHAZCA S.r.l. esegue sia analisi degli spostamenti storici che servizi di monitoraggio per il controllo dell’evoluzione dei fenomeni oggetto di studio.

Il presente elaborato mostra i risultati di due aree soggette a fenomeni di subsidenza e cedimenti, analizzati con un approccio multidisciplinare che ha previsto l’integrazione di dati geologici, geotecnici o idrogeologici e tassi di deformazione del terreno ottenuti mediante l’utilizzo di dati interferometrici satellitari. Il primo caso mostra uno studio sui processi di subsidenza che interessano il Bacino delle Acque Albule (Piana di Tivoli - RM), innescato da intense attività di cava e sfruttamento delle risorse idriche: i risultati di una modellazione idrogeologica e di monitoraggio tradizionale con strumentazioni “a contatto” sono stati combinati coi tassi di subsidenza ottenuti da Interferometria SAR satellitare. Il secondo caso mostra i risultati preliminari ottenuti in alcune aree della Piana deltizia del Fiume Tevere (Roma), caratterizzata negli ultimi anni da intensa urbanizzazione che, con il sovraccarico trasmesso sul terreno, ha innescato intensi cedimenti del sottosuolo costituito da forti spessori di materiale compressibile: anche in questo caso le deformazioni superficiali osservate con analisi A-DInSAR sono state combinate con le conoscenze geologiche e geotecniche dell’area.

L’UTILIZZO DELL’INTERFEROMETRIA SAR SATELLITARE NEI PROCESSI DI SUBSIDENZA

La tecnica InSAR (Interferometric Synthetic Aperture RADAR) (Massonnet et al., 1998; Hanssen, 2001), che si basa sul confronto di immagini RADAR acquisite in tempi diversi, rappresenta una tra le principali tecniche di telerilevamento satellitare impiegate per la misura degli spostamenti della superficie terrestre. 

Per investigare l’evoluzione dei processi di subsidenza nei due casi di studio presentati in questo elaborato, sono stati utilizzati stack di immagini acquisite dai satelliti ERS ed ENVISAT nel caso del bacino delle Acque Albule e i satelliti ERS, ENVISAT e COSMO-SkyMed nel caso della Piana di Fiumicino. I casi di studio presentati mostrano i risultati di analisi interferometriche differenziali avanzate (A-DInSAR) eseguite per acquisire informazioni relative agli spostamenti precedenti che hanno interessato la superficie del suolo sull'intera area investigata a partire dal 1992. La tecnica A-DInSAR è l'unica in grado di fornire informazioni quantitative di spostamento passate con un’elevata densità spaziale e precisione millimetrica. Tali tecniche traggono vantaggio dalla presenza di oltre 20 anni di immagini SAR archiviate, a partire dalla missione ERS (European Space Agency) e rappresentano uno strumento importante per il rilevamento e la stima degli spostamenti passati. Nello studio di un fenomeno quale la subsidenza, numerosi sono i vantaggi che questa tecnica di telerilevamento ha introdotto:

  • i punti di misura formano una “rete geodetica naturale”, ovvero sono oggetti già presenti sul territorio, quali edifici, vie di comunicazione (strade, ferrovie), elementi antropici, rocce esposte;
  • l’estensione delle immagini permette di analizzare vaste aree in tempi ristretti;
  • l’accuratezza delle misure è molto elevata, permettendo così l’individuazione di fenomeni lenti su vaste aree altrimenti non rilevabili;
  • i risultati sono facilmente integrabili nei sistemi informativi territoriali permettendo così una rapida integrazione con altre tecniche di indagine;
  • la doppia geometria di acquisizione migliora la qualità delle informazioni del fenomeno analizzato: infatti, scomponendo i vettori delle velocità nelle loro componenti (orizzontale e verticale) e combinando le due geometrie, è possibile risalire al vettore di spostamento sul piano orizzontale (E-W) e su quello verticale.

Il principio alla base delle metodologie Multi-Image InSAR o Advanced DInSAR (A-DInSAR) è rappresentato dalla combinazione delle informazioni provenienti da un elevato numero di immagini acquisite in tempi diversi su una medesima area, che permette la ricostruzione di serie temporali di spostamento di oggetti a terra ben visibili dal satellite nell’intero periodo analizzato. L'utilizzo delle tecniche A-DInSAR permette, non solo di individuare un dato processo deformativo, passato o in atto, ma anche di stimarne l'evoluzione nel tempo e nello spazio.

L’immagine SAR satellitare è composta, da una matrice di pixel disposti lungo le direzioni di azimut (parallela al movimento del satellite) e di slant range (perpendicolare a quest’ultima). Ogni pixel contiene le informazioni di ampiezza e fase del segnale retrodiffuso dagli oggetti presenti sulla superficie osservata.  L’ampiezza individua l’energia del segnale riflesso verso il sensore., mentre la fase racchiude invece l’informazione più importante ai fini delle applicazioni interferometriche, ovvero il percorso compiuto dal segnale lungo il tragitto sensore-target.

La tecnica tradizionale per la derivazione di informazioni di spostamenti da dati SAR è l’Interferometria differenziale (DInSAR), che si basa sull’analisi della variazione del valore di fase tra due distinte acquisizioni e permette di calcolare gli spostamenti della superficie terrestre. 

L’informazione sulla differenza di fase viene ricavata dall’interferogramma, che costituisce l’elemento basilare della metodologia. Semplificando, la fase interferometrica ΔΦ è uguale a:

 ΔΦ = ( 4π / λ ) x ΔR

 ΔΦ è caratterizzata dai seguenti contributi principali:

  ΔΦ = ΔΦf + ΔΦtopo + ΔΦdisp + ΔΦatm + ΔΦerr

La ΔΦf è detta fase di terra piatta (flat earth) ed è dovuta ai differenti angoli di vista dei satelliti al momento dell’acquisizione dell’immagine, facilmente determinabile e rimovibile; ΔΦtopo  è la componente di fase che contiene l’informazione topografica, ovvero la relazione tra fase e quote. Questo contributo di fase viene stimato mediante l’utilizzo di un DEM (Digital Elevation Model); la ΔΦatm rappresenta un disturbo causato dal contributo di fase interferometrica generata dal variare delle condizioni atmosferiche tra le diverse acquisizioni delle immagini SAR; la ΔΦdisp è il contributo alla fase interferometrica totale dovuti agli spostamenti; la ΔΦerr è rumore di decorrelazione non direttamente determinabile. La presenza di disturbo atmosferico rappresenta uno dei principali limiti per l’osservazione delle deformazioni; con una sola coppia di immagini SAR, tuttavia, non è possibile stimare ed eliminare questo disturbo.

Lo sviluppo delle tecniche interferometriche multi-image (o Advanced DInSAR), ha rappresentato un notevole passo in avanti nell’analisi dei fenomeni deformativi della superficie terrestre attraverso l’uso di immagini SAR satellitari. Innanzitutto, l’uso di dataset composti da molte immagini SAR consente la stima e la rimozione del contributo atmosferico, che è in grado di nascondere i processi deformativi. Tali metodologie, inoltre, consentono l’analisi multi-temporale dei processi deformativi con la possibilità di ottenere le serie temporali storiche di spostamento, con un’accuratezza pari a pochi millimetri sulla singola misura per i punti più affidabili dello scenario osservato.

La più nota tecnica A-DInSAR si basa sull’analisi di oggetti presenti nell’area di studio caratterizzati da una forte stabilità nel tempo delle caratteristiche di riflettività, prendono il nome di Persistent Scatterers (PS) (Kampes, 2006, Ferretti et al., 2001). I PS sono, quindi, “punti di misura” privilegiati che presentano una buona e stabile retrodiffusione del segnale radar emesso dal satellite e che hanno proprietà tali da permettere misure accurate della loro distanza dal sensore. Tale caratteristica è propria di target come edifici, vie di comunicazione (strade, ferrovie), tralicci e opere quali dighe, ponti, rocce esposte ecc. Questa fitta rete naturale di “punti di misura” permette di conoscere sia lo spostamento puntuale (es. un singolo edificio), sia di ricostruire, su scala più ampia, l’andamento dei moti superficiali (es. subsidenze, frane, faglie, ecc.). Le misure di spostamento e di velocità dei punti di misura riguardano solo la componente dello spostamento e della velocità lungo la linea di vista del sensore (LOS). Questo implica che i movimenti misurati sono in realtà la proiezione degli spostamenti del punto lungo la congiungente sensore-bersaglio. In presenza di moti puramente verticali (es. subsidenza), il movimento stimato è facilmente riconducibile alla deformazione lungo la direzione verticale, ma se il bersaglio in analisi presenta anche spostamenti orizzontali, la misura ottenuta è il risultato della combinazione plano-altimetrica degli spostamenti. Inoltre, le misure di spostamento non esprimono un valore assoluto ma sono di tipo relativo nel tempo (rispetto all’acquisizione di riferimento, immagine master) e nello spazio (in relazione ad un punto di riferimento considerato stabile, detto reference point). Il reference point è un punto di misura che per ipotesi è considerato stabile e rispetto al quale tutte le altre velocità vengono calcolate.

Nell'articolo completo i due casi studio. Scarica il pdf.

IL CASO DI STUDIO DEL BACINO DELLE ACQUE ALBULE

IL CASO DI STUDIO DELLA PIANA DI FIUMICINO