SOS-MT-Monitoring (SOil Slow MoTion Monitoring)

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1 2 Bando Tematico riservato alle P.M.I. Osservazione della Terra SOS-MT-Monitoring (SOil Slow MoTion Monitoring) Contratto ASI n.i/060/11/0 CUP F11C CIG F INNOVA Consorzio per l Informatica e la Telematica srl Dr.ssa V. A. Lorè Titolo: Studio e prototipazione di un applicazione innovativa finalizzata al monitoraggio dei movimenti lenti del suolo, attraverso l utilizzo di dati satellitari integrati con dati rilevati da sorgenti eterogenee. Durata: 24 mesi Gennaio 2012-Gennaio 2014 Agenzia Spaziale Italiana Centro di Geodesia Spaziale G. Colombo Matera 13 Marzo 2014

2 Descrizione Il progetto si colloca all interno delle Aree di particolare interesse ASI, aree relative a: gestione del rischio e risposta all emergenza, pianificazione territoriale, monitoraggio delle aree urbane, extra-urbane e infrastrutture. Obiettivo Sviluppo di un prototipo per la generazione di prodotti destinati al monitoraggio quantitativo di fenomeni naturali o di origine antropica, caratterizzati da movimenti lenti del suolo (i.e. subsidenza, frane, movimenti tettonici o di origine vulcanica, monitoraggio non distruttivo di manufatti, etc.) mediante l uso integrato di dati di telerilevamento da fonti eterogenee. Il progetto usa tecniche interferometriche su serie temporali di dati SAR da satellite e l utilizzo integrato di informazioni ricavabili da dati provenienti da altre fonti (dati GPS, dati di radio-occultazione, dati radiometrici ed iper-spettrali).

3 Struttura industriale INNOVA Consorzio per l Informatica e la Telematica s.r.l. Sede legale: Recinto II Fiorentini, Matera Partita IVA/ Codice Fiscale : EULOGOS s.p.a. Sede legale: via Cimone Roma Partita IVA/Codice Fiscale : MEOGEO srl :Sede Legale : Via S.Remo (PZ) Partita IVA/Codice Fiscale :

4 Elementi chiave Impiego di tecniche interferometriche multi-temporali (PS) Impiego di dati SAR in banda X ad alta risoluzione della missione COSMO-SkyMed. Utilizzo di algoritmi per la rimozione dei contributi di fase atmosferici (a monte dell analisi PS), mediante stime di ritardi di propagazione troposferica calcolati a partire da dati diversi da quelli SAR Sperimentazione con dati SAR ad altissima risoluzione acquisiti in modalità Spotlight. Dimostratore SW per incrementare la fruibilità del dato da parte dell utente finale (istituzionale e non) e l integrazione con sistemi geografici e di monitoraggio già esistenti.

5 Il sistema SMM-SAR elaborazione (PS)InSAR Stack SLC Generazione interferogrammi Mappe ZTD SMM-ATM stima ritardi atmosferici SMM-ATM-G elaborazione reti GPS + MF da dati RO SMM-ATM-R elaborazione dati radiometrici APS SMM-GIS Elaborazione PS Generazione mappe e prodotti Mappe Raster e/o Vettoriali

6 Dati di INPUT/OUTPUT SAR SLC Dati GPS DEM SMM-SAR (InSAR + PS) SMM Stima ritardi atmosferici SMM-ATM-G SMM-ATM-R Dati di supporto Dati di supporto Dati orbitali SMM-GIS Dati iperspettrali Dati di supporto Layer Esterni WMS WFS

7 Dataset di Parkfield (1/3) Modalità Polarizzazione Orbita Look side HIMAGE VV Beam ID 05 Angolo di incidenza 34 Numero di prodotti 55 Centro AOI DESCENDING RIGHT 35 53'58.87"N '57.55"O 5 DEM (free) disponibili: utilizzato NED10 con grigliato a 1/3 arcsec (~10m)

8 Modalità Polarizzazione Orbita Look side Dataset di Parkfield (2/3) Enhanced Spotlight VV Beam ID 27 Angolo di incidenza 54 Numero di prodotti 35 Centro AOI ASCENDING RIGHT 35 53'58.87"N '57.55"O 5 DEM (free) disponibili: utilizzato NED10 con grigliato a 1/3 arcsec (~10m)

9 Dataset di Parkfield (3/3) Dati GPS (rete UNAVCO) N STATION_ID N STATION_ID N STATION_ID N STATION_ID 1 CAND 16 P P P546 2 CARH 17 P P P547 3 CRBT 18 P P P552 4 GR8R 19 P P P576 5 HOGS 20 P P P578 6 HUNT 21 P P P602 7 LAND 22 P P P782 8 LOWS 23 P P P789 9 MASW 24 P P P MEE1 25 P P POMM 11 MEE2 26 P P RNCH 12 MIDA 27 P P TBLP 14 MNMC 28 P P P P P P P P542 Riunione Finale

10 Dataset di Potenza (1/2) Modalità Polarizzazione Orbita Look side HIMAGE VV Beam ID 16 ASCENDING RIGHT Angolo di incidenza 49.6 Numero di prodotti 69 Centro AOI DEM disponibili: SRTM (90m) 40 38'14.07"N 15 48'08.00"E

11 Dataset di Potenza (2/2) N DATE APPROX TIME SENSOR 1 25/11/ :00 UTC MODIS 2 09/03/ :00 UTC MODIS 3 02/04/ :00 UTC MODIS 4 10/04/ :00 UTC MODIS 5 20/05/ :00 UTC MODIS 6 08/08/ :00 UTC MODIS 7 16/08/ :00 UTC MODIS 8 24/08/ :00 UTC MODIS 9 09/09/ :00 UTC MODIS 10 10/09/ :00 UTC MODIS 11 13/09/ :00 UTC MODIS 12 03/10/ :00 UTC MODIS 13 11/10/ :00 UTC MODIS 14 23/01/ :00 UTC MODIS N DATE APPROX TIME SENSOR 1 28/12/ :00 UTC MERIS 2 05/02/ :00 UTC MERIS 3 21/02/ :00 UTC MERIS 4 17/03/ :00 UTC MERIS 5 25/03/ :00 UTC MERIS 6 03/04/ :00 UTC MERIS 7 19/04/ :00 UTC MERIS 8 05/05/ :00 UTC MERIS 9 13/06/ :00 UTC MERIS 10 24/07/ :00 UTC MERIS 11 09/08/ :00 UTC MERIS 23 12/08/ :00 UTC MERIS 13 28/08/ :00 UTC MERIS 14 20/11/ :00 UTC MERIS

12 Sito PZ - APS da dati MERIS/MODIS (1/6) 28 prodotti disponibili (14 MERIS + 14 MODIS) MASTER date 28/08/2011 Due test con compensazione APS: Test con 28 immagini (compensazione APS su tutti i dati) Test con 61 immagini (compensazione APS parziale) cm

13 Sito PZ - APS da dati MERIS/MODIS (2/6) No APS comp (28 IMG) APS comp (28 IMG) latitude (deg) latitude (deg) longitude (deg) longitude (deg) N. PS PS/km 2 Note Elaborazione standard Elaborazione con APS comp variazione trascurabile

14 Sito PZ - APS da dati MERIS/MODIS (3/6) No APS comp (28 IMG) APS comp (28 IMG) latitude (deg) latitude (deg) longitude (deg) longitude (deg) STDDEV Median Note Elaborazione standard 3,78 mm/anno Elaborazione con APS comp 3,73 mm/anno lievissimo miglioramento

15 Sito PZ - APS da dati MERIS/MODIS (4/6) No APS comp (61 IMG) APS comp (61 IMG) latitude (deg) latitude (deg) longitude (deg) longitude (deg) N. PS PS/km 2 Note Elaborazione standard Elaborazione con APS comp variazione trascurabile

16 Sito PZ - APS da dati MERIS/MODIS (5/6) No APS comp (61 IMG) APS comp (61 IMG) latitude (deg) latitude (deg) longitude (deg) longitude (deg) STDDEV Median Note Elaborazione standard mm/anno Elaborazione con APS comp 1,608 mm/anno variazione trascurabile

17 Sito PZ - APS da dati MERIS/MODIS (6/6) Risultati sostanzialmente identici per l analisi con 61 prodotti (compensazione APS su 28 di 61 prodotti) Risultato positivo nel caso di analisi con 28 prodotti (tutti compensati) Lieve miglioramento dei valori di STDDEV Il caso è particolarmente difficoltoso: numero di prodotti un po basso i prodotti utilizzati non sono selezionati tra i meno rumorosi ma sono quelli per cui è disponibile la mappa ZWD

18 Mappe di MLV non calibrate Sito di Parkfield (area non urbanizzata) 43 prodotti (su 56) MASTER 27/11/2009

19 Selezione stazioni di calibrazione ID Latitude deg Longitude deg Elevation m CARH HOGS HUNT LAND P P P RNCH stazioni selezionate Riunione Finale

20 Serie temporale GPS Componenti East, North, Up oppure ECEF Serie temporale giornaliera più estesa rispetto all intervallo di acquisizione SAR (banda gialla) Trend linear delle componenti orizzontali Componente verticale rumorosa

21 Mappa spaziale dei dati GPS Mappe delle tre componenti della deformazione GPS Mappa del modulo della deformazione Si distinguono due aree con caratteristiche di moto differenti (componenti orizzontali)

22 Deformazione GPS in direzione LOS Proiezione della deformazione in direzione LOS Confronto diretto con le misurazioni PS

23 Selezione PS adiacenti ai punti GPS Selezione PS adiacenti alle stazioni GPS di calibrazione Distanza massima 50m Media pesata delle serie temporali di deformazione La serie temporale ottenuta e la relativa MLV vengono confrontate direttamente con la serie GPS

24 Calcolo costante di calibrazione Si calcola un unico valore costante di velocità che minimizza l errore medio di MLV rispetto alle misure GPS Le mappe di velocità vengono compensate applicando l offset stimato (costante di calibrazione) Le serie temporali vengono corrette applicando un termine lineare la cui pendenza è pari alla costante di calibrazione K = mm/anno (per il dataset HIMAGE su Parkfield) Station ID Mean PS MLV Mean PS MLV GPS MLV GPS MLV (mm/year) STDDEV (mm/year) (mm/year) STDDEV (mm/year) CARH HOGS HUNT LAND P P P

25 Mappe di MLV calibrate

26 Validazione (1/2) Validazione delle mappe di velocità media (MLV) Confronto dei valori calibrati con le misure GPS (8 punti) MLV_RMSE = 1.23 mm/anno Tutti i valori GPS sono all interno del margine di errore delle stime PS

27 Validazione (2/2) Validazione delle serie temporali di deformazione Confronto delle serie temporali calibrate (media PS nel raggio di 50m) con le misure serie di deformazione GPS (8 punti) Station ID Calibrated PS RMSE (mm) CARH HOGS HUNT LAND P P P

28 Dataset Spotlight FASCIO 27 ANGOLO DI INCIDENZA 54 POLARIZZAZIONE VV ORBITA ASCENDING LOOK-SIDE RIGHT PRODUCT TYPE SCS_U LINE SPACING 0.70 m PIXEL SPACING (SLANT) 0.41 m N. PRODOTTI 35 DEM NED 10

29 Sperimentazione con dati Spotlight (1/2) il SW di elaborazione non supporta adeguatamente la modalità Spotlight non tiene conto delle variazioni del centroide Doppler in azimuth sotto opportune condizioni gli effetti negativi sono limitati

30 Sperimentazione con dati Spotlight (2/2) lo schema di puntamento deve essere identico per i prodotti della coppia la geometria di acquisizione delle immagini deve essere molto simile (le posizioni di zero Doppler delle due immagini devono essere molto vicine) l estensione dell area elaborata (direzione alongtrack) deve essere contenuta (perdita di banda Doppler ed incremento incidenza errori di elaborazione proporzionale alla distanza dal centro)

31 Generazione Interferogrammi immagine MASTER: 27/06/2010 no oversampling valori contenuti di baseline geometrica valori di coerenza in linea con quelli HIMAGE (nonostante le condizioni subottimali) Riunione Finale

32 Densità di PS molto elevata 32 su 35 prodotti utilizzati per l analisi PS PS identificati su un area di circa 60.4 km 2 densità media di PS pari a circa 1700 PS/km 2 (circa 680 PS/km 2 nel vaso HIMAGE)

33 Calibrazione due soli GPS utili per la calibrazione raggio di ricerca 75m costante di calibrazione k=+18,2mm/anno

34 Mappa di deformazione calibrata

35 Errore residuo MLV_RMSE=1,27mm/anno Station ID RMSE (mm) CARH 5.62 HUNT 8.19 Riunione Finale

36 Dimostratore GIS Piattaforma GIS Identificazione caso di studio: evento franoso o subsidenza Identificazione prodotti, formati e standard di riferimento specifici utilizzati per il monitoraggio del fenomeno oggetto del caso di studio Fruibilità delle mappe di deformazione da parte dell utente finale Integrazione con gli altri dati utili a caratterizzare il fenomeno

37 Architettura SMM-GIS SMM-SAR Elaborazione PS Generazione mappe e prodotti Mappe Vettoriali e file xml SMM-GIS SMM-GIS_DataIngestion <<COTS>> OGC - Servers Layer Esterni WMS WFS CSW SMM- GIS_WebViewer Third party client GIS Web Browser

38 Interoperabilità I principali vantaggi sono: Compatibilità con i principali client GIS presenti sul mercato Compatibilità con i client WMS/WFS Possibilità di inserire il sistema all interno di network di distribuzione di dati.

39 SMM-GIS_WebViewer Il modulo SMM-GIS_WebViewer fornisce un interfaccia Web-GIS con funzionalità di base per poter immediatamente visualizzare ed analizzare i risultati ottenuti senza l ausilio di alcuno strumento aggiuntivo. Parkfield Area di potenza

40 Analisi dei Risultati - 1 Identificata frana non segnalata dal PAI (Strada Basentana, nei pressi dello svincolo per Melfi) WebGis QGIS Riunione Finale

41 Analisi dei Risultati - 1 Immagini Google Street Map

42 Analisi dei Risultati - 2 Identificata frana segnalata dal PAI (Strada Basentana, nei pressi dello svincolo Potenza Est) WebGis QGIS

43 Sviluppi Futuri -Scenari applicativi Sistema autonomo per l erogazione di un servizio per il monitoraggio dei movimenti lenti catalogo e interrogazioni geografiche sistema di archiviazione e distribuzione dei dati sistema di processamento gestione utenti ed ordini helpdesk Integrazione in un framework più ampio e.g. per allerta e gestione emergenze sistema di processamento sistema di archiviazione e distribuzione dei dati interfaccia per la gestione delle richieste definizione dei criteri di allerta e modalità di segnalazione integrazione con il sistema di gestione delle emergenze e supporto alle decisioni

44 Erogazione servizio di monitoraggio

45 Implementazione operativa Fase 1: sviluppo prototipale (SMM) - definizione e sviluppo del cuore del sistema sistema di elaborazione catalogo servizi di distribuzione Fase 2: ingegnerizzazione e development ingegnerizzazione delle componenti che lo richiedono integrazione con il portale aziendale e servizi analoghi già gestiti da INNOVA (registrazione/gestione utenti, profili, ) sviluppo componenti mancanti (gestione ordini, ) Fase 3: attività operativa produzione assistenza agli utenti aggiornamento della policy (dati, prodotti, prezzi) in funzione dell evoluzione del mercato customizzazione prodotti/servizio in base alle richieste degli utenti

46 GRAZIE PER L ATTENZIONE! INNOVA Consorzio per l Informatica e la Telematica s.r.l. Sede legale: Recinto II Fiorentini, 12/ Matera (MT) Sede operativa: Z.I. La Martella, III Traversa G. B. Pirelli s.n Matera (MT) Telefono: Fax: Sito Web: EULOGOS s.p.a. Sede legale: Via Cimone, Roma Sede operativa: Via Cimone, Roma Telefono: Fax: Sito Web:

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