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L’interferometria radar satellitare per il monitoraggio di strutture e infrastrutture civili

I sistemi satellitari rappresentano una valida risorsa per la gestione di strutture ed infrastrutture civili. Oltre ai già consolidati sistemi GNSS, i sistemi satellitari radar ad apertura sintetica (SAR) forniscono attualmente un’alternativa al monitoraggio statico in sito. In questo articolo vengono presentati i principi generali delle tecniche di interferometria radar satellitare esponendone aspetti salienti e campi d’applicazione nell’ambito dell’ingegneria civile.

Applicazioni satellitari in ingegneria civile

Secondo le stime dell’ufficio delle Nazioni Unite per gli affari dello spazio extra-atmosferico (UNOOSA), ci sono circa 8261 satelliti in orbita di cui 4852 pienamente operativi. I servizi offerti da questi sistemi spaziali includono applicazioni militari, industriali e civili, distinguendo la tecnologia satellitare per versatilità e potenzialità.

All’incirca 1200 di questi satelliti forniscono servizi di navigazione, di geolocalizzazione e di osservazione della terra: i primi due sono assicurati dai sistemi satellitari GNSS (Global Navigation Satellite System). Uno dei più noti è il sistema americano GPS (Global Positioning System) originariamente concepito per scopi di navigazione in campo militare. Nel tempo sono comparsi altri sistemi GNSS tra cui il russo GLONAS, l’europeo GALILEO, il sistema cinese BDS-3, il giapponese QZSS e il sistema indiano IRNSS. Grazie al progresso tecnologico e allo sviluppo di strategie di rilevamento, i sistemi GNSS hanno iniziato ad essere sfruttati in svariate applicazioni civili come la navigazione e la topografia, semplificando enormemente la georeferenziazione degli oggetti sulla terra. Attualmente, l’uso dei sistemi di monitoraggio GNSS è ampiamente consolidato per l’acquisizione di misure con precisione millimetrica su strutture civili. L’evoluzione delle tecniche GNSS è comune a molte tecnologie satellitari: spesso, il fine e l’ambito del metodo, oltre che le sue potenzialità applicative, vengono ampliati grazie allo sviluppo tecnologico e al progresso scientifico.

Lo stesso è accaduto con le tecniche di interferometria radar satellitari InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar), che attualmente forniscono valide strategie di monitoraggio statico delle strutture civili grazie al progresso dei sensori radar e alla comparsa di algoritmi di processamento avanzati. I satelliti ottici e radar si muovono su orbite quasi polari e più prossime alla superficie terrestre rispetto ai sistemi GNSS e forniscono immagini della superficie terrestre operando su bande diverse dello spettro elettromagnetico. I satelliti ottici operano prevalentemente nel campo ottico, caratterizzato da lunghezze d’onda comprese fra 100nm e 20μm ed hanno un funzionamento ‘passivo’ nel senso che acquisiscono l’immagine sfruttando la riflettanza naturale dei bersagli. Sono ampiamente utilizzati nella classificazione del suolo terrestre, nello studio della flora terrestre e in altri ambiti legati allo studio dell’ambiente. I satelliti radar ad apertura sintetica SAR (Synthetic Aperture Radar) operano invece nella banda delle microonde, con lunghezze d’onda comprese fra 1mm e 100cm, e hanno un funzionamento ‘attivo’ cioè proiettano un segnale elettromagnetico verso il bersaglio e acquisiscono il segnale riflesso da questo.

Grazie al loro funzionamento attivo, i satelliti radar possono acquisire misure anche in assenza di sorgente luminosa, diversamente dai satelliti ottici che possono operare solo di giorno. Attualmente, i dati interferometrici satellitari sono largamente utilizzati per il monitoraggio di fenomeni geofisici a larga scala quali subsidenza, frane e movimenti tettonici delle placche. Recentemente, grazie al miglioramento della qualità delle immagini radar in termini di risoluzione spaziale e temporale, e allo sviluppo di nuovi algoritmi di analisi dei segnali SAR, le tecniche di elaborazione delle immagini SAR consentono, in condizioni ideali, di fornire anche spostamenti con precisione millimetrica di oggetti di dimensioni più contenute, come strutture civili. L’interpretazione delle misure SAR consiste nell’analisi della fase e dell’ampiezza del segnale riflesso al fine di determinare l’evoluzione degli spostamenti della superficie terrestre. L’attività scientifica sul tema è in pieno fermento e non mancano casi studio aventi per oggetto ponti, gallerie, edifici, dighe e altre opere ingegneristiche (Giordano et al, 2022).

L’interferometria radar satellitare: dalle immagini agli spostamenti

I satelliti SAR acquisiscono immagini digitali della superfice terrestre in cui ad ogni pixel è associato un numero complesso che contiene informazioni sulla fase e sull’ampiezza del segnale riflesso (eco retro diffusa) dalla porzione di superficie terrestre associata al pixel. L’ampiezza dell’eco retro diffusa è influenzata soprattutto dalla geometria di acquisizione e dalle peculiarità topografiche e fisiche della porzione di superfice terrestre acquisita. La fase dell’eco è correlata principalmente alla distanza satellite-bersaglio misurata lungo la loro congiungente (Line of Sight, LOS).

Esistono vari metodi per l’analisi delle immagini SAR, uno dei più utilizzati è l’interferometria SAR multi-temporale MT-InSAR (Multi-temporal Interferometric Synthetic Aperture Radar). Al fine di comprendere come sia possibile determinare delle serie temporali di spostamento a partire da immagini digitali si può pensare ad un’immagine digitale radar come ad una matrice in cui ad ogni cella (pixel) è associato un numero complesso la cui parte reale contiene l’informazione sulla fase della eco.

Alcuni passaggi della procedura di processamento delle immagini radar possono essere descritti come operazioni tra matrici. In una condizione ideale in cui la fase della eco è influenzata solo dalla distanza satellite-bersaglio, la differenza tra le fasi di due immagini acquisite in momenti diversi (al tempo T0 e al tempo T0+∆T) contiene informazioni sulla differenza tra i segnali riflessi nei due momenti, e quindi sulla variazione della distanza satellite-bersaglio misurata lungo il LOS.

Se una porzione della scena (e quindi uno o più pixels) cambia assetto nel lasso di tempo intercorso tra le due acquisizioni, si registrerà una differenza di fase non nulla. Su tale evidenza è basata l’interferometria radar satellitare che, nota la lunghezza d’onda del segnale elettromagnetico emesso dal radar, consente la stima degli spostamenti lungo la direzione LOS mediante l’analisi delle differenze di fase tra due o più immagini (Figura 1).

Figura 1 – Rappresentazione semplificata del monitoraggio statico mediante sistemi satellitari radar. Nella figura, ∆r rappresenta lo spostamento reale della struttura.
Figura 1 – Rappresentazione semplificata del monitoraggio statico mediante sistemi satellitari radar. Nella figura, ∆r rappresenta lo spostamento reale della struttura.

Nelle applicazioni reali è necessario tenere in conto dei fenomeni naturali come rumore, effetti atmosferici e topografia, che determinano ulteriori variazioni di fase indipendenti dagli spostamenti della superficie terrestre.

Uno dei metodi proposti per mitigare alcuni di questi effetti consiste nell’analizzare più immagini della stessa area acquisite in tempi differenti, e focalizzare lo studio su oggetti che nelle varie scene acquisite esibiscono una risposta elettromagnetica stabile (eco stabile). L’interferometria radar satellitare presenta alcune limitazioni per le misure degli spostamenti planimetrici in direzione nord-sud. Questa limitata sensibilità ai movimenti in direzione nord-sud è dovuta al metodo di acquisizione dei satelliti radar: essi percorrono orbite in direzione nord-sud proiettando solo in direzione laterale il segnale radar di cui poi verrà studiata la eco, pertanto, movimenti planimetrici in direzione nord-sud inducono esigue variazioni di fase della eco rispetto a quelli in direzione ovest-est e altimetrici. Agli inizi degli anni 2000 è stata sviluppata una tecnica MT-InSAR, chiamata PSInSAR (Persistent Scatterers Inteferometric Syntethic Aperture Radar), la quale fornisce le serie temporali di spostamenti lungo la direzione LOS in corrispondenza dei cosiddetti ‘scatteratori permanenti’ (Persistent Scatterers, PS) (Ferretti et al., 2001).

L’individuazione e il numero dei PS ottenibili mediante un’analisi PSInSAR dipendono da una serie di fattori.

  • Il numero delle immagini usate. Maggiore è il numero delle immagini usate e più grande è il campione statistico su cui si basa la discriminazione dei scatteratori permanenti.
  • La risoluzione spaziale delle immagini cioè la dimensione della porzione di superficie terrestre associata al singolo pixel. Soprattutto nelle applicazioni che hanno per oggetto le strutture civili è necessario disporre di immagini ad alta risoluzione visto il livello di dettaglio richiesto dallo studio.
  • La natura della superfice terrestre acquisita. Gli scatteratori permanenti vengono maggiormente individuati in corrispondenza di elementi rocciosi ed antropici per via della loro eco costante nel tempo.  La qualità dell’informazione contenuta nei PSs è descritta da un parametro definito ‘coerenza’.

Oltre che da questi aspetti, le misure mediante MT-InSAR sono influenzate anche dalla banda elettromagnetica dei sensori radar: operando su bande microonde diverse la sensibilità alle variazioni di fase cambia.

In (Sartorelli et al., 2021) viene presentato un caso studio in cui la medesima opera viene monitorata sfruttando due satelliti aventi risoluzione spaziale diversa ed equipaggiati con sensori radar differenti (TerraSAR-X: banda X, frequenza =9.65 GH, lunghezza d’onda =3.11 cm; RadarSAT: banda C; frequenza =5.3 GH; lunghezza d’onda =5.66 cm).

I risultati di questo studio mostrano come le entità degli spostamenti registrate mediante i due sensori siano sensibilmente diverse tra loro. Rispetto ai metodi di monitoraggio statico che sfruttano sensori e cablaggi in situ, l’interferometria radar satellitare non necessita di componenti montate sulla singola struttura e quindi, in principio, consente il monitoraggio di qualunque struttura situata nella zona coperta dalle immagini SAR.

Inoltre, disponendo delle immagini SAR raccolte nel passato è possibile in un certo senso ‘monitorare il passato’ e analizzare l’evoluzione della struttura nel periodo coperto dai dati disponibili.

Dagli spostamenti InSAR alla valutazione della condizione strutturale

Come discusso in precedenza, il risultato delle analisi interferometriche è costituito da una serie di PS caratterizzati da coordinate geografiche (Latitudine, Longitudine, coerenza, e quota ellissoidica), coseni direttori del LOS, velocità di deformazione e spostamenti lungo il LOS nel tempo. Questi dati vengono solitamente importati in ambiente GIS, pertanto, i PS possono essere visualizzati sulla superficie terrestre.

In Figura 2, è mostrato un esempio di queste elaborazioni, dove il colore dei PS indica la loro velocità di spostamento annuale lungo il LOS.

PS localizzati in prossimità del Ponte Palatino a Roma. I PS sono stati ottenuti da CNR-IREA processando dati satellitari COSMO-SkyMed mediante la tecnica MT-InSAR “Parallel SBAS Interferometry Chain” nell’ambito del progetto WP6 – Monitoraggio e Dati Satellitari – ReLUIS.
PS localizzati in prossimità del Ponte Palatino a Roma. I PS sono stati ottenuti da CNR-IREA processando dati satellitari COSMO-SkyMed mediante la tecnica MT-InSAR “Parallel SBAS Interferometry Chain” nell’ambito del progetto WP6 – Monitoraggio e Dati Satellitari – ReLUIS.

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