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Martedì, 08 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.

I dati rilevati dai satelliti radar COSMO-SkyMed dell'Asi hanno mostrato la deformazione della superficie,
permettendo ai ricercatori di Cnr-Irea e Ingv di fare le prime valutazioni sulla zona colpita
 

mappa_spostamenti_IREANell’emergenza post terremoto dell’Emilia Romagna il Dipartimento della Protezione Civile, fin dalle primissime ore dopo il sisma, ha coinvolto l’ASI Agenzia Spaziale Italiana, il CNR-IREA Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente e l’INGV Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, per la programmazione di nuove acquisizioni radar dai satelliti della costellazione COSMO-SkyMed al fine di disporre, in tempi molto rapidi, di informazioni circa la deformazione crostale connessa alle scosse sismiche di maggiore energia: tipo di deformazione, entità ed estensione del territorio interessato.

Grazie alle informazioni satellitari è stato possibile completare il quadro della situazione dell’area colpita dal sisma. Per una parte dell’area studiata si è evidenziato che si è avuto un sollevamento il cui valore massimo è pari a circa 15 centimetri. Questi dati concordano con quelli sismologici e mostrano un piano di rottura principale immergente verso Sud lungo il quale la parte meridionale di questo settore della Pianura Padana si è accavallato sul settore settentrionale (faglia di sovrascorrimento).

Una delle più importanti capacità dei sistemi radar per l’Osservazione della Terra è quella di funzionare giorno e notte e in qualsiasi condizione atmosferica. Questa caratteristica, data la densa copertura nuvolosa che ha interessato la zona durante i primi giorni dell’emergenza, si è rilevata di particolare importanza: l’informazione radar è risultata l’unica capace di fornire, in tempi brevissimi, un quadro d’insieme della situazione, non rilevabile con le metodologie ottiche standard.

Mediante una tecnica denominata Interferometria Differenziale è possibile misurare spostamenti del terreno, anche dell’ordine dei centimetri, utilizzando immagini radar acquisite prima e dopo un evento sismico. L’ultima acquisizione dei satelliti COSMO-SkyMed sulla zona interessata dal sisma è avvenuta la sera del 19 maggio, poche ore prima dell’evento.

Per poter calcolare la deformazione del suolo è necessario attendere che uno dei satelliti ripassi esattamente sulla stessa orbita. L’Agenzia Spaziale Italiana ha immediatamente predisposto l’acquisizione del primo passaggio utile post-terremoto, avvenuto nella serata del 23 maggio. I dati sono stati prontamente elaborati da un team di ricercatori coordinati da Eugenio Sansosti del Consiglio Nazionale delle Ricerche e da Stefano Salvi dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia.

Per renderle più semplici da interpretare, le deformazioni misurate sono state rappresentate sulla cartografia di GoogleEarth mediante un codice di colori (vedi immagine). Le zone azzurre sono quelle affette da deformazione trascurabile, mentre quelle in rosso hanno raggiunto il valore di massimo sollevamento.

Questo primo risultato è particolarmente interessante in quanto, pur rappresentando solo il settore più orientale dell’area presumibilmente in deformazione, consente di capire che questa ha un orientamento prevalentemente est-ovest, parallelo alla struttura tettonica che ha generato il terremoto, e può quindi fornire utili informazioni per la definizione della geometria complessiva del processo in atto. La qualità delle immagini risulta buona, nonostante le caratteristiche non ottimali della superficie (presenza di coltivazioni e vegetazione).

Scarica il file che permette di vedere la mappa si deformazione in Google Earth sul tuo computer

Installa Google Earth

Ascolta l'intervista del GR1 a Eugenio Sansosti, 26 maggio 2012     ascolta

Pubblicato in Notizie in evidenza

Nuovi dati dei satelliti radar Cosmo-SkyMed dell’Agenzia Spaziale Italiana hanno mostrato gli effetti permanenti dei movimenti del suolo relativi al terremoto del 29 maggio permettendo ai ricercatori di IREA-CNR e INGV di valutarne gli effetti. Rilevato un sollevamento dell’area fino a 12 centimetri

 

defo_map_google_IREAContinua l’attività di monitoraggio dallo Spazio delle aree dell’Emilia Romagna colpite dal terremoto, avviata dal Dipartimento della Protezione Civile dopo l’inizio della sequenza sismica. Le nuove acquisizioni radar dei satelliti della costellazione Cosmo-SkyMed programmate dall’Agenzia Spaziale Italiana su tutta l’area in cui sono in atto fenomeni sismici hanno permesso di studiare gli effetti permanenti dei movimenti del suolo causati dalla scossa del 29 maggio 2012.

Lo studio è stato condotto da un team congiunto di ricercatori dell’Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IREA-CNR) di Napoli e dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) mediante una tecnica denominata interferometria differenziale, che permette di misurare spostamenti del terreno anche dell’ordine di pochi centimetri su grandi aree.

L’ultima acquisizione del sistema Cosmo-SkyMed sulla zona interessata dal sisma era avvenuta la sera del 27 maggio, due giorni prima del secondo evento. Il calcolo della deformazione del suolo dovuta alla forte scossa del 29 maggio è stato possibile dopo il primo passaggio utile del primo dei quattro satelliti della costellazione sulla orbita, avvenuto nella serata del 4 giugno.

L’uso dei satelliti di Cosmo-SkyMed, caratterizzati da tempi di rivisita molto brevi, ha permesso di studiare e separare gli effetti delle prime scosse sismiche del 20 maggio da quelle avvenute il 29. Questi ultimi hanno causato un sollevamento del suolo fino a 12 centimetri. La zona maggiormente interessata si estende per circa 50 chilometri quadrati, tra Mirandola e San Felice sul Panaro nella provincia di Modena.

L’immagine mostra la mappa degli spostamenti ricavata dall’interferogramma. Le zone in rosso sono quelle che hanno subito il maggior innalzamento, mentre le aree stabili sono in verde. Il sollevamento è stato causato dallo scorrimento in profondità dei due lembi della faglia sulla quale si è originato il terremoto del 29 maggio.

Il risultato ottenuto è particolarmente interessante in quanto consente una analisi completa della zona interessata dalle deformazioni del suolo, che mostra un orientamento prevalentemente est-ovest. Le sue caratteristiche, e il confronto con i dati della sismicità, indicano che la faglia del 29 maggio si colloca nella continuazione verso ovest di quella del terremoto del 20 maggio.

A partire dalle informazioni fornite dall' INGV, i ricercatori dell’IREA hanno poi realizzato un modello della sorgente responsabile delle deformazioni osservate, che ne descrive forma e localizzazione. L’analisi preliminare dei residui, ossia le differenze tra le deformazioni reali e quelle ricostruite dal modello, evidenzia la presenza di effetti deformativi riferibili agli eventi di magnitudo superiore a 5 verificatesi all'interno dell'intervallo temporale considerato. 

terremoto_modello

 

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Giovedì, 03 Febbraio 2011 14:55

SBAS

Sbas1smallL’approccio DInSAR denominato SBAS, acronimo di Small BAseline Subset  è una tecnica interferometrica che consente di generare mappe di velocità media di deformazione e di seguire l’evoluzione temporale degli spostamenti di singoli punti dell’immagine; questo può essere fatto a due scale spaziali: a media risoluzione (risoluzione al suolo di circa 100x100m) e a piena risoluzione (risoluzione al suolo di circa 10x10m) .

Una delle caratteristiche peculiari della metodologia SBAS è la possibilità di preservare le caratteristiche di ampia copertura tipiche dei sistemi di immagini satellitari. Per ottenere questo, la tecnica SBAS utilizza interferogrammi ottenuti a partire da dati satellitari acquisiti da orbite sufficientemente vicine (piccole baseline spaziali) e con tempi di rivisitazione non elevati (piccole baseline temporali). Queste caratteristiche consentono di minimizzare alcuni effetti (denominati rumore di decorrelazione spaziale e temporale) che disturbano i dati, aumentando il numero di punti per unità di area sui quali si riesce a fornire una misura affidabile della deformazione. I prodotti ottenuti con questo metodo sono, quindi, caratterizzati da un’elevata densità spaziale di punti monitorabili, i quali presentano un’accuratezza di circa 1 mm/anno sulle misure di velocità media di deformazione e di circa 5 mm sulle misure di deformazione (Casu et al., 2006). Inoltre, l’estensione tipica dell’area analizzabile (a media risoluzione spaziale) è dell’ordine dei 100x100 km, benché sia stata dimostrata l’applicabilità della tecnica anche ad aree molto più vaste. Una versione estesa dell’algoritmo SBAS, infatti, è in grado di generare mappe di velocità e serie storiche di deformazione in aree molto vaste (estensione spaziale dell’ordine di varie decine di migliaia di km2) e di fornire informazioni sulle caratteristiche spazio-temporali delle deformazioni individuate con accuratezze che sono risultate essere in linea con quelle tipiche dell’algoritmo SBAS convenzionale.

Un ulteriore sviluppo della tecnica sopra descritta, particolarmente importante per la continuità nel tempo del monitoraggio delle deformazioni superficiali, consiste nella possibilità di utilizzare congiuntamente dati acquisiti da sensori diversi, purché caratterizzati dalla stessa geometria di illuminazione. E’ questo il caso dei sensori messi in orbita dall’Agenzia Spaziale Europea, ERS-1/2 ed ASAR-ENVISAT, entrambi operanti in banda-C (5 GHz) e caratterizzati da frequenze portanti leggermente diverse. L’algoritmo sviluppato in IREA (Pepe et al., 2005) offre il vantaggio di poter estendere “temporalmente” le serie storiche ottenute con dati acquisiti dai sensori ERS-1 ed ERS-2 lanciati rispettivamente nel 1991 e 1995 e già (ERS-1) o in procinto di essere (ERS-2) dismessi. Tale estensione è possibile mediante l’utilizzo dei dati acquisiti dal sensore ENVISAT (in orbita dal 2002) e consente, pertanto, di ottenre una analisi dei fenomeni deformativi su intervalli temporali sempre più lunghi (dal 1992 ad oggi).

Da questa analisi ne consegue che l’elaborazione SBAS fornisce un grande numero di misure di deformazione, implicando, pertanto, la gestione di un’elevata mole di dati. Allo stato attuale le procedure SBAS disponibili permettono di ottenere mappe di deformazione e le relative serie storiche nell’arco di circa 30 giorni, per un data set di dati ERS-1/2 ed ENVISAT composto in media da circa 40-60 immagini.

La tecnica SBAS a media risoluzione spaziale è oramai consolidata ed è stata già sperimentata con esito positivo (utilizzando dati SAR ERS-1/2 ed ENVISAT) per lo studio di deformazioni in aree soggette a deformazioni di natura vulcanica, sismica, antropica, ecc.. In particolare, è stata applicata con successo all’analisi delle deformazioni dell’Etna  del Vesuvio e del Pico de Teide (Fernandez et al., 2009), delle caldere dei Campi Flegrei (Trasatti et al., 2008) e di Long Valley; in tali contesti spesso sono stati individuati trend deformativi di grande entità (con tassi di spostamento compresi tra 1 mm/anno e qualche cm/anno) e caratterizzati da andamenti prettamente non lineari. Ad alcuni di tali risultati è stato dato risalto, tra l’altro, anche dalla stampa non specializzata nazionale ed estera (Science, Le Scienze, la Repubblica, Il Mattino, Il Corriere della Sera, etc.).

La tecnica SBAS a piena risoluzione spaziale è stata ampiamente applicata nello studio di dettaglio delle deformazioni di strutture antropiche. In particolare, sono stati analizzati deformazioni relative a singoli edifici.

Pubblicato in Elenco metodologie
Giovedì, 19 Aprile 2012 11:32

Interferometria SAR

Tirocinante: Carmen Esposito

argomento/titolo: Interferometria SAR

tutor: Paolo Berardino, Gianfranco Fornaro, Stefano Perna

Università: Università degli Studi di Napoli "Parthenope"

Facoltà: Ingegneria

Corso di Laurea: Ingeneria delle Telecomunicazioni

Anno accademico: 2010-2011

Tipo di tirocinio: Laurea Specialistica

Pubblicato in Formazione

Una delle attività di ricerca irea

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