Progetto Strategico Interreg IIIa Risknat. Le tecniche radarinterferometriche nella pianificazione territoriale

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1 Progetto Strategico Interreg IIIa Risknat Le tecniche radarinterferometriche nella pianificazione territoriale

2 Enti realizzatori Regione Liguria, Settore Assetto del Territorio Regione Piemonte, Direzione Opere Pubbliche, Difesa del Suolo, Economia Montana e Foreste Regione Valle d Aosta, Servizio Geologico Tele-Rilevamento Europa (TRE) Arpa Piemonte, DT Geologia e Dissesto Università di Genova, Dip. Ingegneria Costruzioni, Ambiente e Territorio Università di Pavia, Dip. Scienze della Terra e dell Ambiente Fondazione Montagna Sicura

3 Presentazione Il Progetto RiskNat ha rappresentato per la Regione Liguria, nel contesto di un difficile momento economico, una straordinaria risorsa, grazie alla quale è stato possibile acquisire utili strumenti per ampliare la conoscenza geologica del territorio. Tali strumenti, insieme a tutti i dati raccolti e diffusi attraverso il web, costituiranno un importante elemento di base per le future azioni di pianificazione e di tutela del territorio. Basti pensare che sono state realizzate due carte geologiche di elevato valore scientifico, complete dei rilievi marittimi e terrestri della zona compresa tra Imperia e Ventimiglia. Sono stati acquisiti i dati di interferometria radar satellitare multi temporale relativi al periodo di tutta la Provincia di Imperia. Non meno importanti sono state le numerose azioni di informazione e di formazione realizzate sui temi del rischio sismico e geomorfologico, che hanno visto la partecipazione di numerosissime persone e che hanno anche trovato il sostegno degli Ordini professionali dei Geologi, degli Avvocati e dei Giornalisti. Questo volume non solo offre preziose indicazioni sull utilizzo dei dati radar satellitari per l analisi dei fenomeni franosi, ma costituisce la sintesi della proficua collaborazione tecnica tra Liguria, Piemonte e Valle d Aosta. La comunità dei tecnici ha ora a disposizione uno strumento scientifico in più, grazie al quale si potrà continuare a lavorare nella direzione della prevenzione dai rischi naturali. Renata Briano Assessore all Ambiente della Regione Liguria Il progetto Interreg IIIa Alcotra Risknat è stato un progetto strategico non solo nella definizione formale ma nella realtà dei prodotti realizzati. Capitalizzando una rete transfrontaliera di professionalità e di conoscenze che data oramai da più di 20 anni il progetto ha permesso di sviluppare un gran numero di aspetti relativi ad un tema attuale e sostanziale come quello della difesa dai rischi naturali. Tra i vari prodotti realizzati spicca, quale prodotto strategico, il presente manuale di linee guida sull interferometria satellitare applicata ai movimenti franosi. Tale tecnica vede le tre regioni italiane coinvolte nel progetto Risknat: Liguria, Valle d Aosta e Piemonte come regioni pioniere a scala nazionale ed internazionale. Si tratta infatti di una tecnica recente nata e sviluppata nel nostro paese e nello stesso trova, ad oggi, i migliori casi di applicazione. Ci auguriamo che la diffusione di questo manuale possa contribuire ad un miglior uso dei dati disponibili per una più efficace opera di mitigazione dei rischi naturali legati ai fenomeni franosi. Roberto Ravello Assessore all Ambiente, Difesa del suolo, Attività estrattive e Protezione civile della Regione Piemonte I progetti di Cooperazione territoriale transfrontaliera hanno sempre rappresentato una grande opportunità, per l Amministrazione regionale, per confrontarsi con partner d oltralpe sulle buone pratiche di gestione del territorio di montagna. In quest ultima programmazione, Programma Operativo di Cooperazione territoriale europea transfrontaliera, Italia/Francia (Alpi) 2007/2013, il Dipartimento difesa del suolo e risorse idriche della Regione, ha voluto dare una forte connotazione pratica a tutte le attività intraprese all interno dei progetti di Cooperazione territoriale. Nel momento della stesura delle proposte progettuali riguardanti i rischi naturali in montagna, si è cercato, infatti, 5

4 di introdurre e sviluppare delle metodologie anche innovative e tecnologicamente avanzate, ma con un occhio sempre rivolto allo scambio di buone pratiche ed alla concreta applicazione di queste nella gestione quotidiana del territorio. A questo proposito, sono nati i progetti transfrontalieri, tra cui RISKNAT (gestione in sicurezza dei territori di montagna transfrontalieri). Quest ultimo si differenzia da altri progetti semplici poiché è un progetto cosiddetto strategico e cioè fortemente voluto da tutte le Amministrazioni del territorio transfrontaliero, italiane e francesi, e che tocca tutti i rischi naturali che interessano un territorio di montagna, dalle valanghe ai ghiacciai, dalle piene torrentizie ai movimenti gravitativi s.l.. Nato a metà 2009, il progetto RISKNAT prevede, tra l altro, nell ambito dello studio dei fenomeni franosi l acquisizione di dati tele rilevati per il monitoraggio del territorio. Nello specifico, il Servizio geologico del Dipartimento difesa del suolo e risorse idriche, ha provveduto all acquisto di dati radar da piattaforma satellitare ESA ERS 1&2 (relativi al periodo ) e Radarsat (relativi al periodo ), elaborati con tecnica interferometrica con appositi algoritmi per l ottenimento di dati PS (Permanent Scatterer). Tali dati hanno permesso di acquisire informazioni importanti ed indispensabili per l analisi e la conoscenza del territorio della Valle d Aosta, costituendo una banca dati informativa unica nel suo genere per lo studio di fenomeni di deformazione superficiale. Marco Viérin Assessore alle Opere pubbliche, difesa del suolo e edilizia residenziale pubblica della Regione Autonoma Valle d Aosta 6

5 Il progetto strategico Interreg IIIa Alcotra RiskNat Le regioni transfrontaliere delle Alpi occidentali condividono non solo rischi comuni, ma anche un vasto patrimonio di conoscenze ed esperienze di lavoro in comune, realizzate nel corso di quasi venti anni di cooperazione transfrontaliera. Numerose Istituzioni pubbliche dei territori alpini condividono lo stesso bisogno di valorizzare i risultati delle ricerche e sperimentazioni già realizzate, per declinarne delle applicazioni concrete a beneficio delle popolazioni, nonché la necessità di identificare insieme gli assi di miglioramento prioritari e di pianificare in modo coordinato le nuove azioni da svolgere. Peraltro, una coordinazione ampia in termini di estensione territoriale e mirata alla messa in comune del potenziale scientifico e tecnico disponibile nei territori alpini rende possibili diagnosi, sperimentazioni e innovazioni maggiormente efficaci. La proficua collaborazione, quasi ventennale, delle regioni transfrontaliere delle Alpi occidentali è alla base della volontà di costituire un Polo di risorse transfrontaliere sui rischi naturali. Il progetto strategico RiskNat, sviluppato tra il 2009 ed il 2012 (Italia/Francia), si pone come elemento centrale di una rete transfrontaliera consolidata, con l obiettivo principale di creare e gestire una piattaforma interregionale di scambio di esperienze, di valorizzazione delle informazioni e di riflessione strategica condivisa. Gli obiettivi specifici del progetto: rafforzare l azione dei servizi tecnici - pubblici di protezione contro i rischi naturali verso soluzioni di politiche di sviluppo territoriale impostate sulla sostenibilità; costituire una piattaforma interregionale rischi naturali di scambio delle esperienze, di valorizzazione delle informazioni e di riflessione strategica, funzionante in rete; mettere a punto servizi e metodi innovativi di previsione e mitigazione ad alto contenuto tecnologico; realizzare degli interventi pilota, quali buone pratiche di gestione di rischi integrati con la gestione ambientale e territoriale; sensibilizzare i gestori dei rischi alle buone pratiche di gestione ambientale e territoriale; stimolare la memoria collettiva delle popolazioni esposte; tendere ad una progressiva integrazione delle strutture e dei dispositivi della protezione civile in area transfrontaliera. Il progetto strategico è articolato in 3 assi ( o volet) principali: a. creazione di una piattaforma interregionale di scambio di esperienze, di valorizzazione delle informazioni e di riflessione strategica, funzionante in rete; b. sviluppo di metodi e di strumenti operativi, azioni innovative volte alla gestione del territorio; c. azioni pilota di buone pratiche di presa in conto dei rischi naturali nella gestione ambientale e territoriale. Il volet A del progetto ha permesso una coordinazione ed una validazione effettiva delle azioni transfrontaliere presenti e passate sui rischi naturali, tramite un ampia diffusione delle attività e dei risultati presso le popolazioni e la comunità tecnico-amministrativa. Ha permesso altresì ai decisori, attraverso appositi gruppi di lavoro ed atelier, di valutare queste azioni così come di definire le nuove azioni prioritarie da intraprendere. 7

6 I volet B e C hanno permesso di realizzare delle azioni innovative su territori pilota, direttamente al servizio della sicurezza delle popolazioni e degli utilizzatori delle infrastrutture. L aspetto innovativo è derivato sia dalla messa in opera coordinata ed integrata di diversi savoir-faire, altrimenti troppo sovente dissociati, sia dalle metodologie innovative sviluppate dal volet B ed in particolar modo per i siti pilota del volet C. Fondazione Montagna Sicura, Courmayeur (AO) 8

7 Sommario Il presente manuale riassume le esperienze maturate nell ambito del progetto strategico Interreg Alcotra IIIa Risknat dalle Regioni Liguria, Piemonte e Valle d Aosta nel capo dell applicazione della tecnica radarinterferometriche tramite persistent scatterers alla caratterizzazione dei movimenti di versante. La tecnica permette, ove sia disponibile una sufficiente serie di immagini radar satellitari, di valutare lo spostamento al suolo nel tempo, con precisione dell ordine dei mm a -1, di bersagli radar a terra costituiti da rocce, fabbricati manufatti ecc.. La densità di tali punti, nelle analisi a scala regionale, può arrivare a migliaia per km 2, permettendo un ottima identificazione e caratterizzazione delle frane a cinematica lenta. A poco più di dieci anni dalla sua nascita la tecnica è, in molte regioni italiane, divenuta strumento di lavoro ordinario. Nel corso del progetto sono stati sviluppati numerosi applicativi per svolgere numerose funzioni di analisi, sia in di preche di post-elaborazione. Tra i vantaggi della tecnica il principale è probabilmente la possibilità di indagare aree molto vaste in tempi ristretti ed a costi contenuti, ottenendo informazioni circa i cinematismi di un gran numero di fenomeni franosi. Gli svantaggi sono legati essenzialmente ad aspetti geometrici, in quanto la tecnica rileva solo una componente del movimento totale, lungo l asse tra il bersaglio ed il satellite. Nelle tre regioni interessate sono numerosi i casi di utilizzo per l interpretazione dei movimenti franosi complessi e per il supporto alle procedure di pianificazione territoriale. Résumée Le rapport concerne les expériences faites, dans le projet stratégique Interreg Alcotra IIIa Risknat, par les Régions Liguria, Piemonte et Vallée d Aoste dans l application des techniques radarinterférométriques satellitaires persistent scatterers au domaine des mouvements de terrain. S il y a sur une zone un numéro suffisant d images radar, la technique peut identifier des cibles radar au sol (dites PS ou DS) et évaluer leurs déplacements avec précisions dans l ordre des mm a -1. Les cibles sont des roches exposées, des bâtiments, des structures etc.. La densité de ces points, dans une analyse à l échelle régionale, peut arriver à milliers de points par km 2, ainsi permettent une bonne identification et caractérisation des mouvements de terrain à cinématique lente. La technique, âge d une douzaine d années, est devenue un instrument de travail routinière dans plusieurs régions italiennes. Au cours du projet, on était développés beaucoup de logiciels pour effectuer des analyses tant de pre- que de post-élaboration. Entre les avantages de la technique, le principal est probablement la possibilité de couvrir des zones très vastes à bas prix, en obtenant ainsi des informations cinématiques sur un grand numéro de mouvements de terrain. Les limites sont reliées surtout aux aspects géométriques, car il n est possible de détecter qu une composante du déplacement total, le long de l axe de visée (LOS, line of sight) entre le satellite et le cible. Dans les trois régions la technique a été beaucoup utilisée pour l interprétation des mouvements de terrain et pour l aménagement du territoire. 9

8 Abstract The paper describes the experiences made in the Interreg Alcotra IIIa RiskNat project by three Italian regions, Liguria, Piemonte and Valle d Aosta, in the field of landslide assessment by means of persistent scatterers radarinterferometry. If a sufficient series of radar images is available, the technique allows, with accuracies in the order of mm a -1, to evaluate the displacement of ground radar targets represented by rocks, buildings and other structures. In a regional scale analysis the density of these points (named PS or DS) may reach several thousands per km 2, thus permitting a very good cinematic characterization of slow-moving landslides. The technique is about twelve years old and, in many Italian regions, is now an ordinary working tool. Within the project, several software tools were developed in order to perform both pre- and post-processing analyses. The technique has numerous advantages, the most important being the possibility of surveying wide areas at minimal cost, thus providing information about a large number of landslides. The drawbacks are basically related to geometric aspects, for the technique detects only one component of the total displacements, the one along the line connecting the radarsatellite and the ground target (named LOS, line of sight). In the three regions the technique was positively used both for landslides assessment and for land use planning. 10

9 Elenco autori Autore Ente Principali contributi nei capitoli Riccardo Berardi 1 6 Rossella Bovolenta 1 6 Massimo Broccolato 2 3, 6, 7 Alessio Colombo 3 3, 5, 7 Emanuela Curti 1 6 Daniele Drago 4 6 Alessandro Ferretti 5 1 Roberto Locatelli 5 1 Claudia Meisina 6 4 Davide Notti 6 4 Fabrizio Novali 5 1 Marco Paganone 2 3,6 Sonia Parodi 1 6 Stefano Podestà 1 6 Flavio Poggi 7 3, 6, 7 Anna Roccati 7 6 Rosanna Spezzano 3 6 Laura Sportaiuolo 3 6 Carlo Troisi 4 3, 5, 7 Francesco Zucca Università di Genova, Dip. Ingegneria Costruzioni, Ambiente e Territorio, Via Montallegro 1, Genova 2. Regione Valle d Aosta, Servizio Geologico, Loc. Amérique 33, Quart (AO) 3. Arpa Piemonte, DT Geologia e Dissesto, v. Pio VII 9, Torino 4. Regione Piemonte, Direzione Opere Pubbliche, Difesa del Suolo, Economia Montana e Foreste; Settore Prevenzione del Rischio Geologico, via Belfiore 23, Torino 5. Tele-Rilevamento Europa (TRE), Ripa di Porta Ticinese 79, Milano 6. Università di Pavia, Dip. Scienze della Terra e Ambiente, via Ferrata 1, Pavia 7. Regione Liguria, Settore Assetto del Territorio, v. D Annunzio 111, Genova Coordinamento editoriale a cura di Alessio Colombo, Flavio Poggi e Carlo Troisi 11

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11 Indice 5 Presentazione 7 Il progetto strategico Interreg IIIa Alcotra RiskNat 9 Sommario 11 Elenco autori 13 Indice 1. Introduzione 15 Introduzione 2. Principi di base del metodo Nozioni elementari sui sistemi radar SAR L Interferometria SAR (misure InSAR) La Tecnica PS - PSInSAR Tecniche PS di seconda generazione: SqueeSAR Precisione ed Accuratezza 3. Esperienze dei partecipanti Introduzione Il PST, Piano Straordinario di Telerilevamento Ambientale Esperienze nella Regione Liguria Esperienze della Regione Piemonte Esperienze della Regione Autonoma Valle d Aosta 4. Organizzazione e trattamento dei dati Introduzione Carta della probabilità di identificazione di bersagli radar (metodo cr-index) Metodi di interpretazione dei dati interferometrici a scala regionale Confronto tra monitoraggio satellitare e monitoraggio strumentale Alcune problematiche nell analisi del dato psi: salti di fase e periodi di misura Applicabilità delle tecniche PS alle varie tipologie di frana 5. Vantaggi e limiti del metodo Introduzione Vantaggi Limiti del metodo Esempi di utilizzo improprio 6. Applicazione della tecnica alla pianificazione territoriale Procedure ed esempi applicativi Esempi applicativi in Regione Liguria Esempi applicativi in Regione Valle d Aosta Problematiche riscontrate Linee guida esistenti Effetti delle deformazioni registrate con tecnica PSInSARTM sui fabbricati 7. Considerazioni conclusive 169 Considerazioni conclusive APPENDICE A Diffusione del dato PS/DS APPENDICE B Analisi di fattibilità e capitolati APPENDICE C Scheda per il censimento dei bersagli radar sui fabbricati sviluppata dall Università Bibliografia di base 189 Testi consigliati 190 di Genova, Dip. Ingegneria Costruzioni, Ambiente e Territorio per la Regione Liguria. 13

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13 Introduzione Capitolo 1 Capitolo 1 Introduzione La presente pubblicazione è il frutto delle esperienze da parte delle Regioni Liguria, Piemonte e Valle d Aosta nel campo della caratterizzazione di movimenti franosi tramite tecniche radar-interferometriche satellitari nell ambito del progetto Interreg IIIa Alcotra Risknat. La redazione è stata curata da funzionari dei servizi tecnici delle amministrazioni di cui sopra nonché dalle Università di Genova e Pavia e dalla Tele- Rilevamento Europa s.r.l., che hanno fornito assistenza tecnico-scientifica. Le tecniche di utilizzo delle analisi radarsatellitari sono relativamente recenti. Se l utilizzo in campi quali le ricerche petrolifere, la valutazione di subsidenze ecc. è ora diffusa e normalmente utilizzata dai comparti tecnici che si interessano di tali fattispecie, la tecnica è ancora relativamente poco nota ai tecnici ed ai professionisti che potrebbero o dovrebbero utilizzarla a scala locale o regionale per attività di pianificazione e caratterizzazione dei movimenti franosi. Scopo di questo volume è quello di cercare di colmare, quantomeno in parte, questa lacuna offrendo un testo a carattere eminentemente pratico, che si rivolge a tecnici delle Pubbliche Amministrazioni e professionisti che intendano utilizzare i dati radar-interferometrici disponibili o che intendano proporre od effettuare nuove elaborazioni. Gli Autori sottolineano come la ratio di base della redazione sia stata quella di confrontare, esporre e commentare le risultanze delle proprie esperienze, senza pretesa alcuna di voler produrre un testo dottorale esaustivo dell argomento. Un altro importante aspetto merita adeguata attenzione. Tutto quanto esposto si riferisce ad indagini effettuate tramite elaborazioni di immagini radar satellitari con gli algoritmi PSInSAR e SqueeSAR, entrambe tecniche proprietarie brevettate dal Politecnico di Milano e commercializzate tramite la società Tele-Rilevamento Europa - T.R.E. s.r.l. (TRE), spin-off dello stesso Politecnico. Questo in quanto tale società è risultata, a seguito di procedure di gara, affidataria dei rilievi in tutte le tre Regioni interessate. Per tal motivo la Società Tele-Rilevamento Europa - T.R.E. s.r.l. (TRE) ha redatto il capitolo della pubblicazione relativo ai principi generali del metodo e dell utilizzo degli algoritmi di cui sopra. Esistono altre società, a livello europeo e mondiale (comunque in numero limitato: 5-6 a livello europeo e meno di una decina a livello mondiale) che offrono prodotti consimili, tutti basati su algoritmi proprietari brevettati. Benché, per quanto noto a livello della letteratura scientifica disponibile, le varie tecniche elaborative sembrino produrre prodotti simili e confrontabili, gli scriventi non hanno, a tal riguardo, alcuna esperienza. In altri termini, anche se in generale la gran parte delle considerazioni proposte dovrebbero potersi applicare anche ad elaborazioni prodotte con altre tecniche, non vi è a riguardo, alcuna garanzia. L articolazione del testo prevede essenzialmente: i principi di base della tecnica (cap. 2) una breve rassegna delle esperienze relative 15

14 all acquisizione ed all interpretazione delle tecniche radarinterferometriche sviluppate dalle tre regioni interessate (cap. 3) la descrizione di alcune delle tecniche sviluppate per l organizzazione ed il trattamento dei dati radarinterferometrici (cap. 4); una esposizione dei vantaggi e dei limiti delle tecniche radarinterferometriche nel campo della caratterizzazione dei movimenti franosi (cap. 5); l utilizzo dei dati per le attività di pianificazione territoriale, con esempi dalle tre regioni (cap. 6); le modalità di diffusione dei dati adottate dalle regioni Liguria e Piemonte (appendice A) una serie di considerazioni relative alle analisi di fattibilità ed alla redazione di capitolati, utili alle pubbliche amministrazioni che vogliano affidare servizi di acquisizione dati con la tecnica dei persistent scatterers (appendice B). 16

15 Principi di base del metodo Capitolo 2 Capitolo 2 Principi di base del metodo 2.1 Nozioni elementari sui sistemi radar SAR L analisi di immagini satellitari acquisite da sistemi SAR satellitari è solitamente associata ad una catena di elaborazione molto complessa. La stessa formazione delle immagini ed il loro successivo utilizzo sono infatti frutto di diversi processi. In questa sezione si vuole darne una descrizione elementare, che potrà aiutare il lettore a conoscere alcune nozioni di base utili ad orientarsi nel mondo dei dati radar interferometrici Radar ad apertura sintetica (SAR) Le immagini satellitari fanno ormai parte del quotidiano in molte applicazioni. L utilizzo, ad esempio, di Virtual Earth, Google Earth e Google Maps ha rivoluzionato i sistemi informatici territoriali, mettendo a disposizione di tutti un enorme quantità di dati ottici (ovvero fotografie ) acquisiti da sensori satellitari dotati di ottiche potenti e raffinate. Un sensore radar non genera immagini di questo tipo (si veda la Figura 2-1), dato che opera in un altra banda dello spettro elettromagnetico: quella delle microonde (le lunghezze d onda sono di qualche centimetro, volte maggiori dello spettro visibile). Essendo poi un sistema attivo, il radar crea immagini mediante l emissione e la ricezione di onde elettromagnetiche, ovvero non sfrutta la radiazione solare per illuminare il terreno. Una caratteristica chiave dei sistemi radar, ben nota sin dalla seconda guerra mondiale, è poi la capacità di penetrare le nuvole ed ottenere informazioni relative ad eventuali target indipendentemente dalle condizioni meteorologiche locali. Proprio queste due caratteristiche, ovvero: la capacità di funzionare sia di giorno sia di notte e la capacità di penetrare le nuvole, hanno reso il radar lo strumento principe per applicazioni di Osservazione della Terra (OT) e di telerilevamento satellitare. Rispetto ad un sistema radar convenzionale, un Radar ad Apertura Sintetica (Synthetic Aperture Radar - SAR) mostra alcune peculiarità che sono legate alla tecnica utilizzata per ottenere immagini ad alta risoluzione anche operando a notevole distanza dall area d interesse (nel caso di sensori satellitari, si tratta di distanze di centinaia di km). Il lettore interessato può riferirsi alle numerose descrizioni disponibili in letteratura e su internet Sensori SAR In termini molto generali, i diversi tipi di sensore SAR oggi disponibili differiscono in funzione dei seguenti parametri; frequenza di funzionamento del radar; geometria e modalità di acquisizione; risoluzione ottenibile. La frequenza di funzionamento influenza Tabella 2-1: Bande dello spettro elettromagnetico. Banda Frequenza Lunghezza d onda (media) P 0.25 / 0.5 GHz 100 cm L 1.0 / 2.0 GHz 30 cm S 2.0 / 4.0 GHz 10 cm C 4.0 / 8.0 GHz 6 cm X 8.0 / 12 GHz 3 cm K 12 / 40 GHz 1 cm Q 40 / 50 GHz 0.5 cm 17

16 sensibilmente le caratteristiche del SAR, soprattutto nel modo in cui interagisce con il terreno: gli oggetti tendono ad interagire con l onda elettromagnetica quando le loro dimensioni fisiche diventano paragonabili alla lunghezza d onda, la quale è direttamente legata alla frequenza di funzionamento del radar. Quest ultima appartiene, solitamente, ad una delle bande dello spettro elettromagnetico riportate nella Tabella 2-1. Escludendo i SAR ad uso militare, per applicazioni civili sono disponibili SAR satellitari nelle bande L, C ed X. In generale, più alta è la frequenza utilizzata dal radar, migliore è la risoluzione delle immagini generate dal sensore e maggiore è la sensitività a possibili spostamenti del bersaglio in applicazioni interferometriche Proprietà del segnale SAR Il segnale radar è caratterizzato da due proprietà fondamentali: l ampiezza e la fase. L ampiezza è strettamente legata all energia del segnale riflesso e rilevato dall antenna del sensore: tutti gli impulsi che vengono emessi hanno la stessa energia, quelli Figura 2-1: Confronto tra immagine SAR (in alto) e immagine ottica (in basso) di una stessa area (aeroporto di Milano Linate). 18

17 Principi di base del metodo Capitolo 2 riflessi presentano livelli di energia anche molto diversi (e comunque sempre inferiori all energia dell impulso trasmesso). Generalmente i metalli e gli oggetti solidi quali manufatti e rocce esposte, presentano una elevata capacità di riflessione del fascio radar illuminante (in termini tecnici, questi elementi sono associati a valori elevati della cosiddetta Radar Cross Section o RCS) e sono pertanto ben visibili in un immagine radar. Al contrario, materiali quali, ad esempio, legno, campi coltivati e foreste, hanno assai minore capacità di riflettere il segnale radar verso il sensore e, conseguentemente, generano dati SAR di bassa ampiezza. L ampiezza è caratteristica delle immagini SAR di facile visualizzazione, ma non di immediata interpretazione a causa dell inevitabile rumore di speckle. Lo speckle appare visivamente nella forma di un rumore sale e pepe che affligge l immagine SAR, ma non è sintomo di bassa qualità della stessa, bensì è una caratteristica inevitabile indotta dall interazione dell impulso elettromagnetico con il terreno. Infatti ogni cella di risoluzione può contenere molti elementi riflettenti, ciascuno dei quali Figura 2-2: immagine di ampiezza SAR ERS-2 area aeroporto di Linate presso Milano (Italia), lo speckle è visibile come rumore tipo sale e pepe. Figura 2-3: La stessa area della Figura 2 - soprastante ottenuta come MIR: lo speckle è drasticamente ridotto. 19

18 reagisce in modo indipendente con l impulso proveniente dal radar. I contributi dei vari elementi si sommano ora in modo costruttivo, ora in modo distruttivo, dando luogo a valori molto diversi di riflettività, anche per pixel che appartengono ad una stessa tipologia di superficie. è possibile ridurre l effetto dello speckle mediante opportune tecniche di filtraggio dei dati SAR, la più semplice delle quali, se si dispone di una serie di immagini della stessa area acquisite dallo stesso sensore in istanti diversi, consiste nel mediarne i valori di ampiezza. L immagine media così ottenuta è comunemente detta Multi-image Reflectivity Map (MIR). In Figura 2-2 e Figura 2-3 si può apprezzare la forte riduzione di rumore di speckle ottenuta mediando oltre 50 immagini SAR acquisite sull aeroporto di Milano Linate. La seconda proprietà essenziale del segnale SAR è la fase, ed è ciò che rende possibile l interferometria. Infatti, ad ogni pixel di una immagine SAR di ampiezza, è associato un valore di fase compreso 0 e 2π (oppure tra π e +π). Un immagine SAR è perciò costituita da due matrici di numeri: una contiene la classica immagine, legata all energia retrodiffusa dagli elementi al suolo, e l altra contenente valori molto più difficili da utilizzare, perché di più difficile interpretazione (Figura 2-4). La fase è determinata dal tempo di volo dell impulso radar ed è perciò legata alla distanza tra il sensore e l oggetto che riflette l impulso radar a terra. È anche la caratteristica più difficile da interpretare per i non addetti ai lavori a causa della sua natura matematica. Semplificando, si può pensare al segnale SAR come ad un onda sinusoidale: un ciclo completo di sinusoide coincide con la lunghezza d onda (indicata spesso con il simbolo λ) corrispondente alla frequenza a cui opera il radar. La distanza tra sensore e bersaglio a terra può sempre essere espressa in un numero intero di cicli, più un segmento pari ad una frazione di lunghezza d onda. La fase associata ad ogni pixel dell immagine SAR descrive proprio questa frazione di ciclo, descrivibile con un numero da 0 a 2π. Più precisamente, tenendo conto del fatto che il segnale radar percorre due volte la distanza sensore-bersaglio (andata e ritorno), il parametro-chiave che determina il valore di fase del segnale radar è pari a due volte la distanza sensore-bersaglio. Semplificando un po le cose, ma andando al cuore del problema, si supponga di avere un radar che operi in banda C con lunghezza d onda pari a 6 cm e che illumini un oggetto puntiforme distante esattamente 60 m. In questo caso la distanza sensore-bersaglio è esattamente pari a 1000 lunghezze d onda Figura 2-4: Esempio di immagine SAR. Dati di ampiezza (a sinistra) e fase (a destra). ampiezza fase 20

19 Principi di base del metodo Capitolo 2 (60 m diviso 6 cm) e, anche considerando l andata e il ritorno, la fase del pixel dell immagine radar corrispondente al bersaglio sarà pari a 0: infatti, con esattamente 2000 lunghezze d onda, copriamo il percorso dell impulso radar. Se ora allontaniamo l oggetto di 1 cm dal radar, le cose cambiano perché, sempre considerando l andata e il ritorno, servirà un terzo di lunghezza d onda in più per coprire il cammino dell impulso illuminante. Questo fa sì che il valore di fase sia ora pari a 2π/3. Analogamente si possono calcolare i valori di fase per tutte le posizioni intermedie dell oggetto comprese tra 0 (posizione iniziale) e 3 cm che andranno coprire tutto l intervallo compreso tra 0 e 2π. Si noti come, portando l oggetto a 3 cm dalla posizione iniziale, il parametro chiave (considerando sempre l andata e il ritorno) diventi pari a 2 x m = 120 m + 6 cm, ovvero ancora un numero intero di lunghezze d onda (in questo secondo caso pari a 2001). Da questo esempio deduciamo perciò che qualsiasi spostamento del bersaglio di multipli di λ/2 (ovvero metà della lunghezza d onda del segnale radar) non darà luogo a variazioni di fase: fase 0 e fase 2π corrispondono esattamente alla stessa configurazione. Un po come un orologio a lancette che segna le 12: senza informazioni a priori non possiamo sapere se è mezzogiorno o mezzanotte. L esempio dell orologio, o del cronometro, è un altra similitudine usata spesso per avvicinare i non-esperti al concetto di fase del segnale SAR. Qui il protagonista è il tempo Figura 2-5: Illustrazione dei moti orbitali ascendenti e discendenti rispetto all asse nord-sud. Figura 2-6: Illustrazione della geometria di acquisizione di un sistema SAR satellitare. Il moto del sensore è ortogonale al disegno 21

20 di volo dell impulso radar. Supponendo, infatti, di far scattare un cronometro con una sola lancetta nell istante in cui trasmettiamo l impulso radar verso il nostro target e di fermarlo nell istante in cui se ne riceve l eco, la fase del segnale associata al bersaglio sarà legata alla posizione della lancetta, indipendentemente dal numero di giri da questa effettuata. Terminiamo questa sezione facendo notare come il tempo di volo dell impulso radar, ovvero il tempo di propagazione tra antenna e terreno e viceversa, è influenzato, oltre dalla distanza sensore-oggetto a terra, anche dal mezzo di propagazione dell onda elettromagnetica, ovvero l atmosfera: nubi, pioggia, nebbia influenzano la velocità di propagazione del segnale e introducono, di conseguenza, effetti sulla fase rilevata. Acquisire dati SAR in zone ove sono presenti forti turbolenze in troposfera o in aree molto umide porta ad avere, a parità di sensore, dati maggiormente affetti da contributi di fase spuri dovuti all atmosfera. Questo è un aspetto da sottolineare, dato che rappresenta spesso il maggiore ostacolo all elaborazione dei dati interferometrici e può compromettere la qualità delle misure ad essi associate Geometria di acquisizione delle immagini Tutti i satelliti SAR oggi disponibili, seguono orbite polari eliosincrone, ovvero orbitano intorno alla terra passando in prossimità dei poli e sorvolando la stessa area ogni certo numero di giorni (questo parametro è detto tempo di rivisitazione o Repeat Cycle) e sempre alla stessa ora del giorno. È da notare che il moto combinato della rotazione terrestre e del satellite lungo l orbita, fa sì che ogni area del pianeta risulti visibile dal sensore in due distinte geometrie di acquisizione: una con il satellite che scende da nord verso sud con l antenna che solitamente è puntata verso ovest, e una da sud verso nord con l antenna che puntata verso Est. Per questa ragione si afferma che è possibile acquisire immagini lungo tratti di orbita ascendente (da sud a nord) e discendente (da nord a sud). Le orbite polari eliosincrone mostrano con l asse nordsud (ovvero rispetto ai meridiani terrestri) un angolo assai contenuto, che in genere è intorno ai 10 gradi, a seconda del satellite considerato (Figura 2-5). Oltre al moto ascendente e discendente, è l angolo di puntamento dell antenna radar a determinare in modo rilevante la geometria di acquisizione. Nella Figura 2-6 viene Figura 2-7: Confronto tra immagine SAR (a sinistra) ed ottica (destra): si notano i fenomeni di deformazione prospettica sulla immagine SAR nella zona montuosa. 22

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