Interferometria satellitare: applicazione alle discipline geologiche e geotecniche

L’interferometria radar satellitare trova eccellente impiego nelle attività di studio e monitoraggio delle deformazioni del terreno indotte da processi di dissesto geomorfologico, fenomeni di subsidenza e problematiche propriamente geotecniche connesse alla realizzazione di opere d’arte.

Tale metodologia di studio, che sostanzialmente si basa sull’impiego di segnali radar emessi da satelliti che ruotano attorno alla terra secondo orbite all’incirca polari, consente, ad ogni passaggio, il rilevamento puntuale e millimetrico di eventuali deformazioni della superficie terrestre, ciò grazie alla retrodiffusione del raggio da parte di riflettori naturali (Permanent Scatterers) e artificiali.

Il presente paper, a seguito di una breve illustrazione dei principi base dell’interferometria radar satellitare e della sua applicazione in materia geologica e geotecnica, espone in sintesi i punti focali di alcuni lavori e studi in cui gli scriventi, a complemento delle tecniche di studio tradizionali, hanno impiegato con particolare efficacia l’analisi dei dati derivanti dal processamento di immagini radar satellitari.

Come funzionano i sistemi radar satellitari

I sistemi radar satellitari (Radio Detecting and Ranging) sono sensori di tipo attivo invianti un segnale che, riflesso dalla superficie terrestre, viene nuovamente ricevuto dai sensori. Essi operano con continuità, per l’intera giornata, in quanto acquisiscono dati anche in presenza di copertura nuvolosa.

Il principio di funzionamento consiste nell’emissione, da parte dell’apparecchio trasmittente, di un segnale che illumina lo spazio circostante con un’onda elettromagnetica, caratterizzata da una specifica lunghezza d‘onda e frequenza, la quale, incidendo sugli oggetti rilevati al suolo (bersagli riflettori artificiali o naturali), subisce un fenomeno di riflessione disordinata (diffusione, scattering). Vengono pertanto misurate le caratteristiche di parte del campo diffuso che ritorna verso la stazione trasmittente, dotata di strumentazione atta anche alla ricezione.

A ogni acquisizione in forma di immagini radar viene pertanto sostanzialmente misurata la distanza intercorrente tra sensore e bersaglio al suolo.
Più precisamente, le immagini radar contengono due tipi di informazione (cfr. figura 1):

• la fase indicante la distanza sensore-bersaglio;
• l’ampiezza del segnale riflesso dal terreno.

Ogni cella di un’immagine contiene entrambe le quantità. La fase è impiegata per ricavare, attraverso algoritmi specifici, le deformazioni del terreno. L‘ampiezza è utilizzata per rilevare le variazioni fisiche delle superfici nel tempo (variazione di umidità nei terreni agricoli, alterazione della copertura vegetazionale, ecc.).

I satelliti radar consentono di misurare spostamenti superficiali del terreno con precisione millimetrica grazie all’impiego di specifiche tecniche di elaborazione dei dati denominate “tecniche interferometriche”.

La tecnica Squee-SAR consente di individuare al suolo particolari bersagli per i quali è possibile stimare lo spostamento nel tempo; essa rappresenta l’evoluzione della tecnica PS InSAR sviluppata e brevettata nel 1999 dal Politecnico di Milano e concessa in licenza esclusiva, nel 2000, a Tele-Rilevamento Europa (TRE) S.r.l., spinoff del Politecnico. Le tecniche PS InSAR e SqueeSAR rappresentano gli strumenti tra i più efficaci, con accuratezza millimetrica, per il monitoraggio da remoto dei fenomeni di deformazione della superficie terrestre.

L’interferometria satellitare si basa sulla misura delle variazioni di fase tra due acquisizioni del satellite nello stesso punto. Il satellite passa in un punto acquisendo un segnale (cfr. figura 2) la cui fase è dipendente dalla distanza sensore-bersaglio in quel dato momento; nel caso in cui la superficie del terreno subisca una deformazione (in figura è rappresentato un abbassamento tettonico), la distanza sensore-bersaglio aumenta e, di conseguenza, la fase subisce una variazione misurabile. Questo tipo di elaborazione viene comunemente chiamata interferometria differenziale (acronimo DInSAR).

Avendo a disposizione sequenze di immagini sulla stessa zona e lungo la stessa orbita, registrate in istanti di tempo successivi, è possibile evidenziare, almeno per certi oggetti, l‘evoluzione di eventuali spostamenti. I PS (Permanent Scatterers) e i DS (Distributed Scatterers), ovvero gli elementi presenti sul territorio che retrodiffondono i raggi radar, corrispondono a manufatti, parti di edifici, elementi metallici, rocce affioranti, e possono mostrare caratteristiche tali da renderne possibile il monitoraggio.

Ai fini dello studio evolutivo di ambiti in frana e aree interessate da subsidenza, oltreché a integrazione di sistemi di monitoraggio geotecnico tradizionale, ai PS naturali possono essere affiancati particolari riflettori artificiali, consistenti solitamente in triedri d’acciaio, i quali, idoneamente installati e orientati, consentono di registrare le deformazioni del terreno.

L’osservazione della superficie terrestre da parte del satellite avviene mediante la combinazione del movimento orbitale lungo i meridiani (orbita quasi polare) con la rotazione della terra nel piano equatoriale. I satelliti acquisiscono dati lungo le orbite ascendente (da sud verso nord) e discendente (da nord verso sud).
Il processamento dei dati interferometrici satellitari (analisi differenziale delle immagini radar) comporta la creazione di file “data base” correlati a ciascuno dei bersagli riflettenti il raggio radar (corner artificiali installati; PS e DS “naturali”), contenenti i dati riportati nella tabella a lato (Figura 3).

Il file relativo alla distribuzione dei PS viene pertanto solitamente trasposto in ambiente GIS su cartografie tecniche e riprese aeree georeferenziate della zona di studio.

Si rimarca come il parametro “coerenza (coh)” del data base associato a singoli PS (tabella di fig. 3) rivesta particolare importanza in quanto più il valore è prossimo all’unità (coh≈1) tanto più il dato interferometrico è affidabile.

Limiti dell'interferometria satellitare

Nell’effettuare le interpretazioni dei dati interferometrici occorre tenere presenti una serie di limitazioni, nel seguito brevemente riassunte.

Copertura del territorio

Non tutto il territorio si presta all’applicazione della tecnica PSInSAR in quanto si registrano spesso settori totalmente privi di PS. L’assenza di informazioni (ovvero l’assenza di riflettori PS) è dovuta a:

• aspetti geometrici legati alle relazioni tra le orbite satellitari e l’orientazione dei versanti (i versanti paralleli alla direzione di vista del sensore non sono analizzabili);
• distorsioni prospettiche dei pendii a elevata pendenza;
• versanti caratterizzati da fitta vegetazione o da presenza di neve ;
• assenza di fabbricati o infrastrutture che fungano da riflettori PS.

Misure di velocità relative

Tutte le misure di velocità attribuite ai PS sono misure relative in quanto derivanti dal confronto tra il singolo PS e un Permanent Scatterers di riferimento, considerato come stabile. Vi è in media un PS di riferimento ogni 2000 kmq. Benché si sia posta estrema cura nella localizzazione del PS di riferimento, è comunque possibile che gli stessi non siano perfettamente stabili. Inoltre, la deviazione standard dell’errore della misura di velocità aumenta con l’aumentare della distanza dal punto di riferimento.

Aspetti geometrici

Il metodo rileva la deformazione lungo un solo asse, ovvero in corrispondenza della congiungente tra il bersaglio a terra e il satellite (Line Of Sight, o LOS) che presenta orientazione spaziale differente per le orbite ascendenti e discendenti.
Ciò comporta alcune implicazioni delle quali si deve necessariamente tener conto, in fase di interpretazione dei dati, in quanto, in ragione dell’orientazione dei versanti e degli assi di spostamento:

• potranno essere rilevati valori prossimi allo spostamento totale, o solo una minima frazione degli stessi;
• saranno meglio rilevati spostamenti lungo assi est-ovest, poiché tali spostamenti comportano più decisi avvicinamenti, o allontanamenti, dal satellite.

Campi di velocità rilevabili

La tecnica PS è in grado di individuare deformazioni all’interno di uno specifico campo di velocità, per quanto sempre e comunque velocità della componente lungo la LOS. Bersagli con velocità tali da subire spostamenti superiori a un quarto di lunghezza d’onda tra due acquisizioni successive non sono individuati come PS. Non vengono dunque rilevati spostamenti, lungo la LOS (congiungente sensore–bersaglio), superiori a 5-6 cm/anno. Le caratteristiche del metodo portano a ritenere che, nel campo delle interpretazioni relative ai fenomeni franosi, possano essere ritenuti stabili punti con velocità lungo la LOS pari a ±2 mm/anno.

Orientazione del vettore di traslazione

I movimenti lungo gli assi nord-sud non comportano sensibili allontanamenti o avvicinamenti al satellite e non vengono di norma rilevati o, meglio, vengono registrate solo componenti minime di velocità. La presenza, quindi, di PS lungo versanti caratterizzati da fenomeni franosi con vettore di movimento lungo la direzione nord–sud, deve essere valutata con particolare attenzione.

Inoltre, nel caso gli spostamenti avvengano lungo l’asse est-ovest, il medesimo PS può indicare valori di spostamento opposti nelle elaborazioni relative alle orbite ascendenti e discendenti, in quanto, in funzione dell’orbita, il riflettore risulta in avvicinamento o in allontanamento dal satellite.

Esempi di applicazione dell'interferometria satellitare a casi specifici di studio

Gli esempi di seguito riportati riguardano lo studio di potenziali interferenze con tracciati autostradali da parte di processi di dissesto geomorfologico connessi alla dinamica di versante in contesti geologici e geomorfologici differenziati tra loro, nonché il monitoraggio delle deformazioni del terreno di fondazione contestualmente alla realizzazione dei rilevati stradali di un tratto di un’importante opera infrastrutturale in costruzione nel novarese.

Più precisamente, le aree esaminate si localizzano in Piemonte (Autostrada A32 Torino - Bardonecchia; Lotti 0-1 in costruzione della Tangenziale di Novara; autostrada SAV A5 Torino – Aosta) e in Liguria (A6 Autostrada dei Fiori, tratto Savona – Priero).

Si rimarca che, nei lavori esposti, i dati derivanti dalle tecniche interferometriche satellitari sono stati impiegati a integrazione delle fondamentali attività d’indagine comunemente e necessariamente utilizzate nella progettazione geologica e geotecnica, ovvero: acquisizione di dati cartografici e bibliografici inerenti l’area di studio, interpretazione degli esiti di prove geognostiche strumentali e di monitoraggi terresti, rilievi geologici e geomorfologici tradizionali in loco, analisi di riprese aeree fotografiche ottiche.

Tratto Autostradale A32 (Torino - Bardonecchia)

I versanti in cui sono modellati i fianchi della valle di Susa, attraversati al piede dal tracciato autostradale in esame, sono interessati da estesi Fenomeni Franosi Complessi e da Deformazioni Gravitative di Versante (DGPV).
Il quadro conoscitivo generale dei processi di dissesto riguardanti l’area è stato desunto dalla documentazione cartografica ufficiale in materia, sia a scala regionale (SiFraP- Sistema Informativo Frane in Piemonte) che comunale (documentazione geologica dei Piani Regolatori), nonché dall’esame interpretativo di fotografie aeree ottiche. A riguardo dei principali areali in frana, sono stati inoltre acquisiti i dati di monitoraggio terrestre laddove esistenti (inclinometri, piezometri, ecc. forniti dall’ente gestore dell’autostrada), ai fini della comparazione con i dati interferometrici satellitari.

Nello specifico caso, l’interpretazione dei dati interferometrici satellitari riguardante una porzione di territorio con estensione complessiva di 50 Kmq, è mirata all’individuazione di eventuali “aree anomale”, ovvero ambiti in cui i PS naturali (Permanent Scattereres) presentano variazioni delle velocità medie annuali potenzialmente correlabili ad accelerazioni, riattivazioni e espansione dei fenomeni franosi. Sono pertanto stati utilizzati i dati derivanti dal processamento di immagini radar della costellazione satellitare Cosmo Sky Med (formata da n° 4 satelliti che montano dispositivi radar in banda X) sia in orbita ascendente che discendente.

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Nei prossimi paragrafi verranno enunciati altri esempi di monitoraggio, oltre alle conclusioni della trattazione.