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L’interpretazione dei dati InSAR satellitari per la definizione dei processi deformativi attivi sul territorio

Le tecniche InSAR rappresentano attualmente uno degli strumenti più diffusi per il monitoraggio e per la gestione del territorio e delle infrastrutture. Tuttavia, il prodotto finale di queste tecniche, rappresentato dalle mappe di velocità contenenti la distribuzione dei punti di misura, spesso può risultare di difficile interpretazione. Sempre maggiore importanza viene quindi data alle tecniche di post-elaborazione, poiché queste permettono di semplificare la comprensione del comportamento dei fenomeni deformativi o di valutare la stabilità di edifici e strutture. Infatti, grazie alle analisi di post-elaborazione è possibile trasformare il dato inSAR in informazioni dettagliate e di facile comprensione sul comportamento del territorio e delle infrastrutture.

Simone Battaglia | Michele De Carlo | Gianmarco Pantozzi | Marta Zocchi

Metodologie per la quantificazione dei fenomeni deformativi

Le tecniche basate su metodologie A-DInSAR (Advanced Differential Synthetic Aperture RADAR Interferometry) sono oramai ampiamente utilizzate per la quantificazione e la comprensione dei fenomeni deformativi che possono interessare il territorio e le strutture o le infrastrutture. Grazie all’uso di numerose acquisizioni SAR satellitari, tali tecniche permettono di analizzare processi (ad esempio frane o subsidenza) in aree vaste o inaccessibili, rispetto alle classiche metodologie di monitoraggio in-situ e senza la necessità di installazione di strumenti in loco.

La tecnica A-DInSAR più diffusa è la cosiddetta Persistent Scatterers Interferometry (PSI) che permette di ottenere numerosi punti di misura ognuno dei quali è caratterizzato da una serie temporale di spostamento con accuratezza dell’ordine dei millimetri. Tali punti (detti Persistent Scatterers - PS) possono essere classificati con colori che identificano gli spostamenti misurati in millimetri/anno (Figura 1). 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.

Figura 1 Esempi di risultati A-DInSAR ottenuti dall’analisi di dati interferometrici. Sono visibili i punti di misura con colori che identificano gli spostamenti (in millimetri/anno) in allontanamento dal satellite (dal giallo al rosso), in avvicinamento al sensore (dal celeste al blu) e stabili (verde). Nei riquadri vengono riportate serie temporali di spostamento di due punti di misura, in millimetri.
Figura 1- Esempi di risultati A-DInSAR ottenuti dall’analisi di dati interferometrici. Sono visibili i punti di misura con colori che identificano gli spostamenti (in millimetri/anno) in allontanamento dal satellite (dal giallo al rosso), in avvicinamento al sensore (dal celeste al blu) e stabili (verde). Nei riquadri vengono riportate serie temporali di spostamento di due punti di misura, in millimetri.

Generalità della tecnica A-DInSAR

I satelliti SAR possono acquisire in due geometrie diverse:

il passaggio del satellite su una stessa area avviene in direzione circa Nord-Sud (geometria discendente) ed in direzione circa Sud-Nord (geometria ascendente) (Figura 2). A causa della configurazione side-looking dei satelliti, la stessa area, quindi, viene rilevata da due angoli di vista quasi complementari.

Figura 2: geometrie di acquisizione delle immagini SAR.
Figura 2- Geometrie di acquisizione delle immagini SAR.

È bene osservare che la geometria di acquisizione, anche in funzione delle orbite dei sensori SAR, può determinare delle difficoltà oggettive nel rilevamento degli spostamenti con determinate caratteristiche. Ad esempio, in aree caratterizzate da elevata energia di rilievo o con geometria speculare rispetto all’inclinazione di misura del satellite sul piano orizzontale si possono presentare problemi di distorsione dell’immagine (layover) o addirittura zone d’ombra (shadowing) che possono rendere difficoltosa l’analisi dei dati (Figura 3).

Figura 3- Principali distorsioni geometriche.
Figura 3- Principali distorsioni geometriche.

Inoltre, sotto determinate condizioni di movimento (es. spostamenti a forte componente orizzontale con prevalente direzione N-S o con determinate inclinazioni), può risultare possibile l’analisi del dato, ma non la misura accurata del movimento.

In questi ultimi casi, se non analizzati attentamente, si possono determinare interpretazioni errate o non congruenti con il fenomeno indagato.

Importanza della post-elaborazione

Poiché ad un occhio inesperto potrebbe risultare complesso interpretare il significato di ogni elemento di un dataset contenente centinaia di PS, si sta attribuendo un peso sempre maggiore alle attività di post-elaborazione.

Infatti, la caratterizzazione e l’interpretazione di tali punti di misura durante le attività di post-elaborazione, è di fondamentale rilevanza per la comprensione del comportamento dei fenomeni deformativi o nel determinare la stabilità di un edificio o di una infrastruttura. Inoltre, tali analisi possono supportare un sistema decisionale in fase di progettazione di un’opera o nella identificazione delle passività ambientali indotte da rischi naturali che incidono il territorio.

Pertanto, le analisi di interferometria SAR satellitare possono essere divise in quattro macro-attività di pari importanza:

  • acquisizione del dato SAR: selezione del sensore SAR satellitare caratterizzato dalla frequenza temporale di campionamento inferiore nell’area di interesse;
  • analisi: elaborazione dei dati acquisti;
  • validazione dei risultati ottenuti;
  • post-elaborazione: trasformazione del dato elaborato in informazione.

Tali attività possono essere schematizzate nello schema riportato in Figura 4.

Figura 4-Le quattro macro-attività che caratterizzano le analisi di interferometria SAR satellitare.
Figura 4-Le quattro macro-attività che caratterizzano le analisi di interferometria SAR satellitare.

Ma come trasformare il dato grezzo dei punti di misura in informazioni utili per la comprensione del quadro deformativo di un’area?

Poiché 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 (Line of Sight - LOS), i movimenti misurati sono in realtà la proiezione degli spostamenti dei punti. Pertanto, una delle attività di post-elaborazione che vengono attuate è la scomposizione vettoriale (o vectorial decomposition) dei punti di misura che permette di scomporre la risultante nelle componenti principali dello spostamento ovvero verticale (Up-Down) e orizzontale (East-West).

In Figura 5 si riportano i dati di una frana localizzata in Italia rispettivamente in geometria orbitale ascendente e discendente dove i colori verso il blu identificano punti che si muovono verso il sensore, mentre i colori caldi (rosso e arancione) indicano un movimento in allontanamento dal sensore.

In tali condizioni può essere complesso definire in maniera dettagliata le caratteristiche del fenomeno, mentre grazie alla scomposizione vettoriale è possibile determinare il movimento reale caratterizzato da una componente predominante orizzontale con direzione ovest, concorde con la direzione di massima pendenza del versante.

Figura 5 In a) e in b) si riportano rispettivamente i punti di misura classificati secondo il campo velocità (mm/anno) in geometria ascendente e discendente di un fenomeno franoso in Italia. In particolare, i punti in blu indicano movimento in avvicinamento al sensore, in rosso movimento in allontanamento dal sensore. In c) e d) si riportano i risultati della scomposizione vettoriale calcolata a partire dalle due geometrie orbitali. La scomposizione riporta come la frana sia affetta da un movimento principale in direzione Ovest in accordo con la direzione di massima pendenza del versante. Un ulteriore mezzo per ottenere informazioni circa la distribuzione spaziale degli spostamenti analizzati è quello delle sezioni interferometriche. In generale, una sezione interferometrica è una rappresentazione grafica lungo una linea immaginaria degli spostamenti misurati. Attraverso tale rappresentazione è possibile visualizzare la distribuzione del movimento e compararlo con dati di altra natura come, ad esempio, una sezione geoelettrica o una sismica a riflessione, permettendo così una interpretazione di maggior dettaglio delle possibili cause innescanti del fenomeno (Figura 6).
Figura 5- In a) e in b) si riportano rispettivamente i punti di misura classificati secondo il campo velocità (mm/anno) in geometria ascendente e discendente di un fenomeno franoso in Italia. In particolare, i punti in blu indicano movimento in avvicinamento al sensore, in rosso movimento in allontanamento dal sensore. In c) e d) si riportano i risultati della scomposizione vettoriale calcolata a partire dalle due geometrie orbitali. La scomposizione riporta come la frana sia affetta da un movimento principale in direzione Ovest in accordo con la direzione di massima pendenza del versante. Un ulteriore mezzo per ottenere informazioni circa la distribuzione spaziale degli spostamenti analizzati è quello delle sezioni interferometriche. In generale, una sezione interferometrica è una rappresentazione grafica lungo una linea immaginaria degli spostamenti misurati. Attraverso tale rappresentazione è possibile visualizzare la distribuzione del movimento e compararlo con dati di altra natura come, ad esempio, una sezione geoelettrica o una sismica a riflessione, permettendo così una interpretazione di maggior dettaglio delle possibili cause innescanti del fenomeno (Figura 6).

Una sezione interferometrica può inoltre supportare l’individuazione di uno specifico settore di una infrastruttura (ad esempio un’autostrada) maggiormente influenzato da spostamenti che possono compromettere la sua stabilità.

In particolare, in Figura 7 si riporta il profilo interferometrico dei punti in geometria ascendente tracciato lungo una tratta stradale. Grazie alla sezione è possibile indentificare il settore affetto da maggior spostamento così da programmare e progettare i possibili interventi di messa in sicurezza del settore.

Figura 6- In alto, punti di misura in geometria discendente e traccia della sezione interferometrica A-A’ riportata in basso. In particolare, lungo l’asse delle ordinate si riporta la velocità in mm/anno mentre nelle ascisse la distanza della traccia. Attraverso tale rappresentazione è possibile visualizzare la distribuzione delle velocità rispetto alla distanza e comparare il grafo con dati di altra natura.
Figura 6- In alto, punti di misura in geometria discendente e traccia della sezione interferometrica A-A’ riportata in basso. In particolare, lungo l’asse delle ordinate si riporta la velocità in mm/anno mentre nelle ascisse la distanza della traccia. Attraverso tale rappresentazione è possibile visualizzare la distribuzione delle velocità rispetto alla distanza e comparare il grafo con dati di altra natura.

Figura 7- In a) si riporta la sezione A-B su cui è stata tracciata la sezione interferometrica riportata in b) e in c). In particolare, in b) si riporta la sezione interferometrica che mostra le velocità del settore della tratta indagata, in c) si riporta il medesimo profilo in cui vengono rappresentati gli spostamenti cumulati annuali dal 2011 al 2018.
Figura 7- In a) si riporta la sezione A-B su cui è stata tracciata la sezione interferometrica riportata in b) e in c). In particolare, in b) si riporta la sezione interferometrica che mostra le velocità del settore della tratta indagata, in c) si riporta il medesimo profilo in cui vengono rappresentati gli spostamenti cumulati annuali dal 2011 al 2018.

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