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Terremoti, frane, eruzioni vulcaniche o, più in generale, fenomeni di deformazione della superficie terrestre, possono essere monitorati grazie all’uso di sensori  Radar ad Apertura Sintetica (SAR).

Il SAR è in grado di rivisitare la stessa area ad intervalli regolari, fornendo informazioni ad altissima risoluzione spaziale della scena osservata. Nel caso dei satelliti ERS 1/2 ed ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), attivi dal 1992 il tempo di rivisitazione stabilito è ogni 35 giorni, per i sensori invece di nuova generazione come ad esempio la costellazione Cosmo SKY-Med, tale intervallo si è ridotto ad 8 giorni. Utilizzando la tecnica denominata Interferometria Differenziale SAR (DInSAR), in cui si confrontano (si fanno “interferire”) due immagini acquisite da posizioni leggermente differenti (baseline spaziale) e in tempi diversi (baseline temporale) è possibile ottenere immagini tridimensionali della superficie terrestre, misurandone anche la topografia. Se qualcosa è cambiato, nell’intervallo di tempo tra le due acquisizioni, ossia se si rileva una deformazione del terreno tra i due passaggi successivi del sensore, questa viene visualizzata mediante una serie di strisce colorate, le cosiddette frange di interferenza o interferogramma.  Le onde elettromagnetiche utilizzate sono caratterizzate da una alternanza di creste distanziate di circa 5 cm; questa distanza è la cosiddetta lunghezza d’onda. È proprio “contando” queste creste che il radar riesce a capire a quale distanza si trova l’oggetto che sta osservando. Non solo, se l’oggetto, che può trovarsi anche a centinaia di chilometri di distanza, si sposta di appena qualche centimetro il numero di creste che caratterizzano le onde elettromagnetiche cambierà, consentendo di rilevare e misurare lo spostamento con accuratezza, appunto, centimetrica. 

Le tecniche interferometriche generano non solo le mappe di deformazione del suolo misurata lungo la linea di vista del sensore, ma usufruendo di una serie di immagini (invece di due sole) acquisite nel corso del tempo, consentono di seguire l’evoluzione temporale della deformazione stessa. Per esempio, la misura delle deformazioni del suolo in aree vulcaniche è di estrema importanza in quanto queste sono spesso precursori di eruzioni, o comunque indice di un incremento dell’attività vulcanica. E se si considera che i primi satelliti utilizzabili a tale scopo hanno raccolto dati fin dal 1992, è evidente la possibilità di analizzare con un dettaglio precedentemente impensabile la storia deformativa di un vulcano negli ultimi 19 anni. Tutto questo senza avere alcuna necessità di accedere al vulcano, un ulteriore vantaggio, in caso di crisi eruttiva, rispetto a tecniche più “tradizionali”.

Queste ultime prevedono una raccolta manuale di dati da effettuarsi mediante campagne di misura sul territorio, oppure l’istallazione, in postazioni fisse, di ricevitori GPS del tutto analoghi a quelli dei navigatori satellitari. In entrambi i casi, il numero di punti di misura risulta essere limitato.

Una mappa di deformazione satellitare, invece, permette di coprire aree molto vaste e con una densità di punti di misura molto elevata.

 

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L’interferometria SAR differenziale (DInSAR) è una tecnica per la stima delle deformazioni del suolo con accuratezze centimetriche e in alcuni casi millimetriche. Negli ultimi decenni, grazie ad una sempre crescente disponibilità di dati SAR satellitari e allo sviluppo di algoritmi avanzati come la tecnica SBAS (Small BAseline Subset), l’interferometria differenziale si è affermata come un efficace strumento di telerilevamento non solo per comprendere meglio i fenomeni geofisici a scala locale e regionale ma anche per dare supporto alla gestione e mitigazione dei rischi naturali e antropici.

Lo scenario attuale del DInSAR vede un costante incremento della disponibilità di grossi archivi di dati SAR satellitari, acquisiti dai sensori ERS ed ENVISAT dell’ESA prima e dalle costellazioni TerraSAR-X (DLR) e COSMO-SkyMed (ASI) poi, passando per le missioni canadesi RADARSAT-1/2. Nel prossimo futuro, i sensori SAR a bordo della costellazione europea Sentinel-1 permetteranno di compiere un ulteriore passo in avanti nella disponibilità di dati acquisiti, grazie al tempo di rivisita che può scendere fino a 6 giorni (con Sentinel-1A e 1B) e alla politica di acquisizione global coverage adottata.

Al fine di poter beneficiare di questa enorme mole di dati per l’analisi e il monitoraggio interferometrico delle deformazioni del suolo, è necessario disporre non solo di risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC) ma anche di algoritmi DInSAR che siano in grado di sfruttarle in modo efficace ed efficiente.

In questo contesto, l’attività di ricerca di IREA si concentra sullo studio, sviluppo, ed implementazione di soluzioni algoritmiche DInSAR innovative che sfruttino piattaforme di calcolo ad alte prestazioni. In particolare, ci si concentra sull’utilizzo di architetture distribuite multi-nodo e multi-core (GRID e Cloud) per beneficiare di piattaforme di calcolo parallelo, con conseguente possibilità di abbattimento dei tempi di elaborazione.

Gli obiettivi dell’attività sono la ricerca di soluzioni algoritmiche DInSAR che permettano di gestire ed elaborare la crescente mole di dati SAR disponibili in tempi ragionevoli. Si sta studiando, inoltre, lo sviluppo di nuovi strumenti algoritmici per la generazione di mappe di deformazione del suolo a scala continentale che possano essere utilizzate per l’analisi di fenomeni deformativi di interesse globale. Oltre alle notevoli ricadute scientifiche, il raggiungimento di tali obiettivi ha importanti risvolti in ambiti di Protezione Civile per la gestione, la prevenzione e la mitigazione del rischio naturale ed antropico, sia in fase di preallerta sia in condizioni di emergenza. Infine, la possibilità offerta dalle piattaforme Cloud di ospitare gli archivi di dati, le risorse di processing e gli algoritmi di elaborazione, in congiunzione con la capacità di semplificare la condivisione di dati e risultati, apre nuovi scenari di diffusione e fruizione della conoscenza scientifica.

 

Lunedì, 07 Febbraio 2011 12:01

Tecniche di interferometria SAR da aereo

PresentLe piattaforme SAR da aereo garantiscono elevata flessibilità operativa consentendo il superamento di alcuni limiti dei sistemi di acquisizione satellitare. Purtroppo, l’estensione della tecnica DInSAR ai dati da aereo non è banale, a causa dei cosiddetti errori residui di moto che tipicamente caratterizzano le immagini SAR acquisite da aereo. Nell’ultimo decennio l’interferometria differenziale SAR (DInSAR) ha consentito di generare, mediante l’impiego di dati acquisiti da satellite, serie storiche di deformazione del suolo con accuratezze millimetriche.
 
Tuttavia, in alcuni casi, la tecnica DInSAR da satellite può risultare non pienamente adeguata. Infatti, le orbite descritte dai satelliti impiegati per il telerilevamento non permettono le misure di deformazione del suolo lungo la direzione Nord-Sud. Inoltre, l’intervallo temporale tra due acquisizioni consecutive della stessa scena a terra (“revisiting time”) è fisso e non consente (al momento) di monitorare fenomeni di deformazione su scala giornaliera, come richiesto in situazioni di emergenza.

Presso l’IREA sono state sviluppate tecniche di compensazione degli errori residui di moto in immagini SAR da aereo. Tali tecniche sono state applicate a dati acquisiti dal sensore aviotrasportato OrbiSar (operante in banda X) durante la missione sperimentale organizzata nel 2004 sull’area di Perugia dall’IREA in collaborazione con IRPI, Osservatorio Vesuviano e OrbiSat remote Sensing. Ciò ha consentito la generazione di interferogrammi differenziali SAR da aereo in banda X caratterizzati da accuratezze millimetriche.

L’IREA, al fine di applicare con successo le suddette tecniche anche a sensori italiani, si e occupata dell’upgrading del sistema aviotrasportato AeS4 TELAER operante in banda X (10 Gigahertz) e di proprietà di AGEA.

Il modulo SAR AeS4, pur consentendo di ottenere risoluzioni molto spinte (inferiori al metro), era originariamente dotato di una sola antenna e non consentiva, pertanto, applicazioni InSAR single-pass. Il CNR ha finanziato, su fondi propri attribuiti dal MIUR, il potenziamento del modulo SAR AeS4 mirato all’acquisizione di una configurazione InSAR single-pass per applicazioni across-track ed along-track, e di un sistema di navigazione avanzato per applicazioni DInSAR. L’IREA è stata incaricata della gestione di tutte le attività connesse al suddetto potenziamento, ivi compreso lo sviluppo progettuale della configurazione interferometrica che è stato condotto dall’IREA stessa in collaborazione con la Compagnia Orbisat, leader nel settore.

Il collaudo del sistema SAR AeS4 in configurazione interferometrica è stato effettuato tra la fine di gennaio e l’inizio di febbraio 2013. A tale scopo sono state eseguite con il velivolo Learjet 35A quattro missioni aeree, sui siti vulcanici del Vesuvio, dei Campi Flegrei e dell’isola di Ischia, con la conseguente acquisizione di dati per un’estensione di circa 4000 km2. a valle di un complesso processo di elaborazione effettuato su tali dati presso l’IREA-CNR, sono state ottenute ricostruzioni topografiche caratterizzate da risoluzione e accuratezza dell’ordine del metro.

Lunedì, 06 Dicembre 2010 12:01

Misura delle deformazioni dei vulcani

tenerife250La misura delle deformazioni del suolo in aree vulcaniche è di estrema importanza in quanto queste si presentano spesso come precursori di eruzioni, o comunque sono indice di un incremento dell’attività vulcanica. Sotto la spinta del magma presente al di sotto dei vulcani, infatti, l’edificio vulcanico tende a “gonfiarsi”, le sue pareti a deformarsi, fino a quando il magma non trova una via di uscita. Diversamente da ciò che si può immaginare, anche in concomitanza di fenomeni imponenti la deformazione può essere relativamente piccola, dell’ordine di alcuni centimetri o decine di centimetri.

L’utilizzo delle tecniche di Interferometria Differenziale Radar ad Apertura Sintetica (DInSAR) risulta di fondamentale importanza in questo caso. In particolare, la tecnica SBAS (acronimo di Small BAeline Subset), sviluppata interamente presso l’IREA-CNR di Napoli, permette di seguire l’evoluzione temporale della deformazione.

I vantaggi dell’applicazione di questa tecnica allo studio dei vulcani sono notevoli. Considerando che i primi satelliti utilizzabili a tale scopo hanno raccolto dati fin dal 1992, è evidente la possibilità di analizzare con un dettaglio precedentemente impensabile la storia deformativa di un vulcano negli ultimi 19 anni. Tutto questo senza avere alcuna necessità di accedere al vulcano, un ulteriore vantaggio, in caso di crisi eruttiva, rispetto a tecniche più “tradizionali”.

Inoltre, le mappe di deformazione satellitare permettono di coprire aree molto vaste e con una densità di punti di misura molto elevata. La possibilità di avere una copertura spaziale così fitta permette di tenere sotto controllo e analizzare fenomeni anche in zone dove non sono presenti sensori delle reti di sorveglianza perché non sono attesi effetti deformativi.

Inoltre, le moderne tecnologie informatiche permettono anche un accesso semplice, veloce ed intuitivo ai risultati di queste misure. A tale scopo, l’IREA-CNR di Napoli ha anche sviluppato una piattaforma web (http://webgis.irea.cnr.it/) molto semplice da utilizzare perché utilizza una interfaccia derivata da Google Maps e quindi familiare anche ad un pubblico non specialistico.

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Giovedì, 16 Giugno 2011 07:35

Studio dei Terremoti

Terremoti1SmallA causa dei continui e lenti movimenti che hanno luogo nelle profondità del nostro pianeta, la crosta terrestre si deforma immagazzinando una certa quantità di energia elastica. Le deformazioni, e di conseguenza gli sforzi accumulati in un certo intervallo di tempo, si possono rilasciare improvvisamente attraverso rapidi scorrimenti ai due lati di spaccature della crosta stessa, dette faglie. Questo rapido scorrimento, causato dalla fratturazione delle rocce sottoposte a sforzo, genera un terremoto, che rappresenta quindi il rilascio violento dell’energia elastica accumulatasi nel tempo. Inoltre, il processo di deformazione avviene in tempi lunghissimi e continua fino a quando l'energia accumulatasi per l'azione di questi sforzi supera il punto critico di resistenza delle rocce per cui si ha la loro frattura.

L'analisi delle deformazioni superfici associate ad un evento sismico (cioè la deformazione permanente associata ai terremoti) è estremamente utile per una migliore conoscenza della sorgente sismica, soprattutto quando parte del rilascio di sforzo avviene lentamente. In quest’ottica l’utilizzo delle tecniche di interferometria differenziale DInSAR riveste un ruolo fondamentale nello studio e analisi delle deformazioni (i) pre-, (ii) co- e (iii) post-sismiche a piccola e a grande scala. In particolare, (i) il rilevamento della deformazione pre-sismica potrebbe consentire l’individuazione di aree potenzialmente soggette a futuri eventi sismici, con conseguente ricaduta nella definizione di corretti scenari di pericolosità sismica dell’area investigata; (ii) l’analisi delle deformazioni co-sismiche permette lo studio e l’individuazione (in termini di geometria, localizzazione e tipo di faglia) della struttura sismogenetica che ha generato il terremoto in esame; infine (iii) lo studio delle deformazioni post-sismiche, soprattutto con l’ausilio dei satelliti di nuova generazione (Cosmo Sky-Med dell’ASI) che producono immagini di una stessa area Terremoto2Smallcon tempi di rivisitazione molto brevi (4 giorni), consente di seguire nello spazio e nel tempo in maniera molto più dettagliata rispetto a qualche anno fa, l’evoluzione del rilascio di stress accumulato durante e dopo il terremoto. In buona sostanza la tecnica satellitare DInSAR permette l’osservazione costante e dettagliata di aree tettonicamente attive anche molto estese e di aggiornare, rapidamente e con precisione, dati e informazioni relativi alla scena osservata anche laddove, misure puntuali in situ, sebbene spesso più precise, non sono agevolmente ottenibili. Ne discende che tale tecnica può fornire un valido supporto al fine dell’individuazione e del monitoraggio di zone sismiche e, conseguentemente, si pone anche come un potente strumento di pianificazione territoriale delle attività umane.

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Lunedì, 18 Luglio 2011 06:22

Monitoraggio di frane

Frane1_260x300L’ampia diffusione dei fenomeni franosi è causa di un elevato numero di vittime e d’ingenti danni economici alle proprietà pubbliche e private in Italia e nel resto del mondo. In particolare, se ci concentriamo sul caso italiano, gli eventi franosi costituiscono la principale causa di morte tra tutti i rischi naturali; nonostante ciò, la loro pericolosità è spesso sottostimata e scarsamente considerata dalla collettività. Al verificarsi di un disastro, infatti, i danni prodotti dalle frane sono spesso inclusi in quelli derivanti dai processi di attivazione (ad esempio inondazioni, terremoti, eruzioni vulcaniche), a scapito, quindi, di una dettagliata informazione sul rischio da frana. A tale contesto va aggiunto che la continua evoluzione del sistema Terra (cambiamenti climatici, incontrollato uso del suolo, urbanizzazione, deforestazione) rende ipotizzabile un aumento dei fenomeni franosi su scala globale.

È quindi evidente la necessità di approntare efficaci misure di prevenzione e mitigazione del rischio da frana tramite una conoscenza dettagliata della cinematica dell’evento franoso e in particolar modo della distribuzione delle velocità attraverso la massa in movimento.

A tal proposito, le tecniche d’interferometria differenziale SAR (DInSAR) forniscono dati preziosi che possono integrare efficacemente i metodi tradizionali di analisi della frana, permettendo l’individuazione, la mappatura e il monitoraggio dei movimenti dei versanti. Lo studio delle frane può trarre grandi vantaggi dalle tecniche DInSAR in termini di analisi spaziale e temporale dei fenomeni. L'approccio avanzato DInSAR denominato Small Baseline Subset (SBAS), grazie generazione di mappe di velocità e serie storiche di deformazione, permette analisi a scala sia regionale sia locale, che consentono di rilevare fenomeni franosi attivi su vaste aree e allo stesso tempo di concentrarsi sulla deformazione locale che insiste su singoli elementi a rischio.

Un’altra caratteristica della tecnica SBAS è la capacità di sfruttare al meglio grandi archivi di dati SAR, come nel caso dei sensori europei ERS-1/2 ed ENVISAT, permettendo così di studiare fenomeni deformativi su lunghi intervalli temporali.

La figura mostra i risultati dell’analisi SBAS a piena risoluzione spaziale sull’area di Ivancich (Assisi, Italia) interessata da un lento movimento che sta provocando gravi danni a edifici e infrastrutture. La mappa di velocità e le corrispondenti serie storiche di deformazione generate elaborando immagini ERS-1/2 ed ENVISAT offrono importanti informazioni sul movimento del pendio esaminato e sul suo comportamento nel tempo, fornendo dati precisi che possono essere sfruttati in successive analisi e modellazioni. L’esempio mostra chiaramente l'efficacia dell’applicazione delle tecniche d’interferometria differenziale DInSAR (in particolar modo della tecnica SBAS) nello studio e nel monitoraggio delle frane. Queste analisi possono contribuire al miglioramento e alla gestione del rischio da frana, grazie anche all’attuale disponibilità di nuovi sistemi SAR, come la costellazione italiana Cosmo-SkyMed, caratterizzati da elevata risoluzione spaziale (in alcuni casi inferiore al metro) e breve tempo di rivisitazione (potenzialmente 4 giorni).

 

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Tirocinante: Salvatore Coppola

argomento/titolo: Sperimentazioni di elaborazione interferometrica con Software ROI-Pack

tutor: Gianfranco Fornaro

Università: Università Parthenope

Facoltà: Ingegneria

Corso di Laurea: Telecomunicazioni

Anno accademico: 2007

Tipo di tirocinio:  Laurea I livello

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