REGIONE LIGURIA DIPARTIMENTO AMBIENTE SETTORE ASSETTO DEL TERRITORIO

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1 REGIONE LIGURIA DIPARTIMENTO AMBIENTE SETTORE ASSETTO DEL TERRITORIO INDIRIZZI CIRCA L UTILIZZO DELLE INFORMAZIONI RELATIVE ALLE AREE ANOMALE INDIVIDUATE SULLA BASE DEI DATI OTTENUTI CON TECNICA DI INTERFEROMETRIA SATELLITARE PSINSAR NELL AMBITO DELLE ATTIVITA DI PIANIFICAZIONE TERRITORIALE

2 1. PREMESSA A supporto delle attività istituzionali di continuo aggiornamento e revisione degli strumenti di pianificazione territoriale portate avanti direttamente dagli uffici regionali che dagli altri Enti locali il Settore Assetto del Territorio, del Dipartimento Ambiente della Regione Liguria, nell ambito delle finalità di promozione ed innovazione tecnologica, ha acquisito, nel corso degli ultimi 2 anni, i dati relativi alle elaborazioni con tecnica PSInSAR dell archivio di scene radar acquisite dai satelliti ERS1 ed ERS2 dell ESA fra il 1992 ed il Ad oggi sono disponibili le informazioni relative ai seguenti areali: Provincia di Savona, per il solo versante padano, Provincia di Genova Provincia della Spezia, per la sola porzione di territorio non drenante nel bacino del fiume Magra. Attraverso tale tecnica di analisi vengono individuati bersagli radar a terra caratterizzati da una firma elettromagnetica costante nel periodo di tempo indagato (diffusori permanenti o permanent scatterers abbreviato PS) per i quali viene misurata la velocità media annua di spostamento. Per le porzioni di territorio sopra elencate, corrispondenti a circa il 50% del territorio regionale, sono stati localizzati oltre PS. Le principali applicazioni nelle quali ad oggi tali dati hanno dimostrato buona efficacia sono lo studio delle aree in subsidenza, dei cedimenti strutturali degli edifici e delle frane. 2. FINALITA E OBIETTIVI DEL LAVORO Per la natura stessa di questa tecnica di indagine i dati da essa desunti consentono di risolvere con grande precisione gli spostamenti di oggetti a comportamento rigido presenti sul territorio che avvengano prevalentemente sull asse verticale ed abbiano un andamento abbastanza uniforme nel tempo e velocità non superiori ad alcuni centimetri all anno. Tali peculiarità rendono questa tecnica particolarmente interessante per l analisi di aree interessate da fenomeni gravitativi di versante a cinematica lenta (Hilley et al., 2004, Farina et al., 2006, Bottero et al., 2006), subsidenza (Zerbini et al., 2007, Dixon et al., 2006) o movimenti neotettonici (Burgmann et al., 2006). Importanti potenzialità possono essere sviluppate anche nel campo dell analisi dei cedimenti strutturali degli edifici e delle infrastrutture (Ferretti et al., 2000). Una preliminare analisi dei dati acquisiti per il territorio della Regione evidenzia come i risultati ottenuti possano risultare un importante elemento a supporto delle attività di pianificazione territoriale per la migliore definizione delle perimetrazioni e della classificazione dello stato di attività delle aree in frana nonché delle aree di piana alluvionale o costiera soggette a subsidenza. Ciò nonostante, le verifiche sperimentali condotte sui dati acquisiti sia dalla Regione Liguria che da svariate altre Regioni dell Italia Settentrionale hanno evidenziato numerose problematiche nella corretta interpretazione dei dati PS. Alla luce di queste comuni esperienze si è, pertanto, deciso di formare un Gruppo di Lavoro informale, coordinato da ARPA Piemonte e del quale il Settore Assetto del Territorio fa parte, con lo scopo di condividere le analisi eseguite e di sviluppare un comune approccio alla divulgazione ed utilizzo dei dati PS nei diversi ambiti di applicazione.

3 3. BREVI CENNI SULLA TECNICA PSInSAR. Le immagini radar vengono acquisite da particolari sistemi, denominati ad radar apertura sintetica (SAR), in grado cioè di sfruttare il moto lungo un orbita per osservare la stessa porzione di superficie sotto più angoli di vista e quindi sintetizzare un antenna di grandi dimensioni per incrementare la risoluzione al suolo. L obiettivo principale è quello comune a tutti i radar: misurare la distanza sensore-bersaglio. Si tratta di sistemi attivi : emettono un segnale e registrano l eco di ritorno; quindi in grado di operare sia di giorno che di notte e anche in presenza di copertura nuvolosa. Inoltre sono sistemi coerenti, ovvero acquisiscono sia il dato di ampiezza del campo elettromagnetico rilevato (valore di modulo), sia l informazione associata alla distanza sensore-bersaglio (valore di fase). Si hanno dunque a disposizione immagini di vaste aree del territorio che riportano informazioni sulla riflettività e sulla distanza dei bersagli al suolo dal sensore, inoltre sono misure ripetute nel tempo dato che i satelliti seguono orbite tali per cui dopo un periodo definito (revisting time) viene osservata nuovamente la stessa porzione di territorio. La tecnica applicata per elaborare i dati acquisiti è denominata interferometria differenziale. L idea di base è quella di confrontare due immagini acquisite dalla stessa orbita e sulla stessa area di interesse, eseguendo una differenza delle distanze sensore-bersaglio misurate nei due istanti di acquisizione, mettendo così in luce possibili movimenti superficiali. L operazione dà luogo ad un interferogramma, ovvero la matrice delle differenze di fase tra le due immagini. I contributi che determinano le variazioni di fase tuttavia non sono legati solo a possibili fenomeni di movimento, ma sono relativi anche alla topografia dell area analizzata, alla riflettività del suolo e alle variazioni delle condizioni atmosferiche tra le due acquisizioni. Qualora questi contributi assumano valori considerevoli, si manifestano come disturbi (fenomeni di decorrelazione) e la lettura dell interferogramma non risulta quindi immediata, non è possibile cioè associare direttamente una variazione di valore della fase ad uno spostamento del terreno. Ad esempio, se le acquisizioni sono lontane nel tempo, in aree vegetate l informazione di fase può risultare fortemente deteriorata a causa del variare della riflettività dei bersagli (decorrelazione temporale). Oppure, una distanza di poche centinaia di metri tra le due orbite del satellite in corrispondenza delle due diverse acquisizioni, è sufficiente a rendere completamente illeggibile la fase interferometrica (in questo caso si parla di decorrelazione geometrica). I limiti dell interferometria SAR classica sono dunque legati ai fenomeni di decorrelazione e in particolar modo al contributo di fase dovuto alle variazioni atmosferiche nelle diverse acquisizioni, che sovente genera effetti difficili da distinguere dai fenomeni di movimento del terreno. Entrambe le difficoltà sono state superate dalla tecnica dei Diffusori Permanenti o PS (Permanent Scatterers), brevettata dal Politecnico di Milano. L approccio si basa sull osservazione che un piccolo sottoinsieme di bersagli radar di piccole dimensioni, i Permanent Scatterers (PS), risulta praticamente immune dagli effetti di decorrelazione temporale e geometrica. Tipicamente i Permanent Scatterers corrispondono ad elementi già presenti al suolo, ovvero edifici, pali, strutture metalliche, rocce esposte, in generale oggetti che sono riconoscibili in tutte le acquisizioni successive poiché, non variando la loro geometria, sono in grado di riflettere in modo costante il campo elettromagnetico incidente emesso dal sensore. Si pensi, ad esempio, alla differenza tra il campo riflesso in due acquisizioni distinte da un albero e dal tetto di un edificio.

4 I PS preservano, dunque, coerenza di fase in lunghe serie storiche di immagini e possono essere utilizzati per ricostruire e compensare efficacemente il disturbo atmosferico. Infatti, si può definire e stimare un modello per il contributo di fase legato al movimento del bersaglio, in quanto presenta una determinata evoluzione temporale, e scinderlo da quello legato alle condizioni atmosferiche che presenta, invece, una correlazione spaziale all interno della singola immagine ma risulta incorrelato tra acquisizioni distinte di una lunga serie storica. Per fare ciò è necessario avvalersi di dataset consistenti in almeno immagini radar e che la densità spaziale dei PS sia sufficientemente elevata (> 5-10 PS/km 2 ), vincolo sempre verificato in aree urbane dove si raggiungono, in genere, valori di PS/km 2. A causa dei fenomeni di decorrelazione geometrica le diverse scene radar corrispondenti alla medesima porzione di territorio generano matrici di pixel non esattamente corrispondenti alla medesima cella di risoluzione al suolo. Per effettuare l analisi è necessario che a pixel omologhi nelle varie immagini corrisponda la stessa cella di risoluzione, si procede quindi con una fase di elaborazione dei dati detta registrazione (o ricampionamento). Operativamente, tra tutte le acquisizioni, si sceglie un immagine, detta master, come riferimento; tutte le rimanenti, dette slave, vengono ricampionate sulla geometria della master, grazie ad un opportuno modello, in modo da avere la stessa griglia di riferimento per tutti i passaggi del satellite. La tecnologia interferometrica, inoltre, per essere affidabile, deve tenere conto di molteplici fattori quali ad esempio le piccole variazioni di lunghezza d onda in ionosfera e troposfera dovute alle variazioni della velocità di propagazione della luce, gli inevitabili errori di stima delle posizioni del satellite, variazioni di assetto dell antenna, variazioni della firma radar dell oggetto (perché, ad esempio, in una acquisizione c era copertura nevosa), ecc. Uno dei vantaggi della tecnica PS risiede nella capacità di stimare correttamente e compensare il disturbo atmosferico che limita le applicazioni interferometriche, svolgendo un analisi dettagliata solo sul sottoinsieme di PS accuratamente selezionati secondo valutazioni statistiche. Stimato il contributo atmosferico è possibile individuare tutte le componenti che costituiscono la fase interferometrica, eliminare i termini spuri e isolare il termine che descrive la variazione di cammino ottico dell onda elettromagnetica nelle varie acquisizioni, cioè descrivere i movimenti che ha subito il bersaglio nell arco temporale tra il primo e l ultimo dato disponibile. Per eseguire stime accurate dei disturbi atmosferici è necessario che la densità spaziale di PS sia sufficientemente elevata (maggiore di 5-10 PS/km 2 ), vincolo sempre verificato in aree urbane avvalendosi di dataset consistenti in almeno immagini ERS. In aree ad elevata urbanizzazione, la densità spaziale di PS raggiunge valori molto alti: PS/km 2. I PS vengono correttamente posizionati nella cella di risoluzione al suolo e in corrispondenza di ciascuno si effettua una misura di deformazione per ogni acquisizione disponibile, con accuratezza sino a 1-2 mm su ogni singola misura (per i punti migliori). Si è quindi in grado di ricostruire il trend medio di deformazione annua, con accuratezza compresa tra 0.1 e 1 mm/anno. L accuratezza è funzione del numero di immagini e della qualità del PS stesso, cioè di quanto l informazione di fase disponibile presso il PS è immune ai fenomeni disturbo. Tutte le misure sono rilevate lungo la congiungente sensore-bersaglio (LOS, Line of Sight), e sono di tipo differenziale, ottenute dopo avere determinato uno o più punti di riferimento a terra (Reference point) di coordinate note e supposti fermi o espressamente indicati ad esempio da misure GPS o di livellazione ottica.

5 L elevato grado di precisione che la tecnica PS consente di ottenere per quel che riguarda le misure di spostamento lungo la direzione di puntamento del sensore dipende dalla lunghezza d onda utilizzata e dalla coerenza dei segnali utilizzati. Nel caso dei dati radar satellitari, la lunghezza d onda (λ) è centimetrica (5.6 cm nel caso di ENVISAT o RADARSAT) e risulta possibile mettere in evidenza spostamenti differenziali di un bersaglio tra due acquisizioni in istanti diversi pari ad una frazione di λ (vedi Figura). I sistemi SAR sono, infatti, sensori coerenti, che registrano, oltre ad un dato di ampiezza legato all energia elettromagnetica riflessa dal bersaglio, anche la fase del treno d onda monocromatico utilizzato per illuminarlo. Oltre a precisione delle misure e densità spaziale dei punti di misura, un ulteriore vantaggio è costituito dalla ricchezza di dati disponibili negli archivi dell Agenzia Spaziale Europea. È, infatti, possibile avviare un analisi PS oggi, avendo a disposizione dati a partire dal 1992, con la possibilità di ricostruire la storia passata dell area di interesse. I limiti della tecnica consistono sostanzialmente nei seguenti aspetti: - le misure sono possibili solo in corrispondenza dei PS, è necessario cioè che l area oggetto di studio presenti una densità sufficiente di diffusori permanenti (quantomeno lieve urbanizzazione oppure presenza di rocce esposte), quindi in aree totalmente vegetate o non visibili dal satellite a causa di deformazioni prospettiche causate dalla topografia del terreno, non si hanno punti di misura; - l analisi di fenomeni di deformazione con evoluzione particolarmente rapida (maggiore di 80 mm/anno) è possibile solo disponendo di informazioni a priori sui fenomeni in atto; anche i fenomeni a cinematica impulsiva, caratterizzati, cioè, da brevi fasi di attività, per lo più legate a eventi meteorologici intensi, intervallati da lunghi periodi di quiescenza, non appaiono particolarmente adatti ad essere monitorati con questa tecnica, soprattutto quando movimenti di entità centimetrica sono concentrati in pochi giorni; - è possibile apprezzare solo deformazioni lungo la direzione di LOS (congiungente sensore-bersaglio a terra), cioè approssimativamente lungo la verticale, secondo la geometria dei satelliti attualmente in orbita;

6 Pur con le problematiche esposte, la tecnica PS sta riscuotendo un notevole successo grazie ai notevoli vantaggi introdotti: - i PS costituiscono una sorta di rete geodetica naturale, ovvero sono oggetti già presenti sul territorio quali edifici, rocce esposte, pali, antenne, condotte, elementi antropici, per i quali è possibile stimare misure di spostamento a partire dal 1992 per l analisi dei fenomeni di deformazione superficiale (subsidenze, frane, faglie sismiche); - l estensione delle immagini è pari a 100x100 km, si possono quindi analizzare vaste aree in tempi ristretti e a costi contenuti; - la precisione delle misure è millimetrica permettendo così l individuazione di fenomeni lenti su vaste aree altrimenti non rilevabili; - l archivio storico sul territorio italiano risale al 1992, quindi è possibile indagare fenomeni di movimento attivi da oltre un decennio; - i risultati vengono prodotti in formato di database compatibile con i sistemi informativi territoriali permettendo così una rapida integrazione con altre rilievi del territorio. La tecnica PS è, dunque, uno strumento operativo, di utilizzo immediato e che, per le sue caratteristiche peculiari, risulta complementare con altre tecniche di telerilevamento ambientale. 4. COS È UN PS Come già accennato nel precedente capitolo, un PS è un oggetto al suolo caratterizzato da una firma elettromagnetica costante nel tempo. Si tratta di oggetti presenti sul territorio, preesistenti all acquisizione della prima immagine del data-set analizzato, caratterizzati da comportamento rigido (rocce, oggetti metallici, manufatti in pietra o cemento, ), che non hanno subito alterazioni strutturali nel periodo di tempo oggetto di indagine. Bersagli radar su falda detritica e rocce esposte PS su case

7 Affinché un oggetto potenziale bersaglio radar sia effettivamente rilevato come un PS, è necessario che sia posizionato su un versante con caratteristiche geometriche idonee ad essere indagato: Esposizione del versante subparallela alla LOS (Es.: i versanti più idonei ad essere indagati a partire da scene radar ERS in orbita discendente, la cui LOS è inclinata di 23 rispetto alla verticale in direzione W, sono quelli esposti a W); Pendenze non troppo elevate (Es.: nel caso precedente, i versanti esposti ad W ma caratterizzati da forti acclività possono essere in ombra). Le caratteristiche cinematiche del potenziale bersaglio radar devono rientrare nel range di spostamenti rilevabili con la tecnica PSInSAR : Tassi di spostamento non superiori a 6-8 mm/mese (Es.: gli spostamenti massimi ad oggi rilevati con questa tecnica in Liguria sulla base dati ERS è di circa 3.5 cm/anno); Cinematismi di tipo grossomodo costante nel tempo e, comunque, non impulsivi (Es.: se un oggetto si sposta di 3 cm in un anno ma tale movimento avviene in pochi giorni, la sua risposta al segnale radar con caratteristiche di frequenza tipo ERS risulterà decorrelata e l oggetto non sarà rilevato come un PS); Spostamenti con componente verticale prevalente e comunque non secondaria rispetto a quella orizzontale. Ad ogni PS sono associate le seguenti informazioni: a) Codice identificativo: codice di 5 caratteri alfanumerici univoco per ogni PS nell ambito della stessa piastrella di territorio analizzato con riferimento ad un unico data-set ed un unico punto di riferimento; b) Coordinate geografiche: coordinate Gauss-Boaga del bersaglio. La precisione di georeferenziazione del punto è di ±10 m in direzione E-W e ±2 m in direzione N-S; c) Quota: quota assoluta sul l.m.m. calcolata rispetto alla quota del punto di riferimento. La precisione della quota di ogni singolo bersaglio è funzione della precisione con la quale si è assegnato il valore di quota al punto di riferimento; d) Velocità: il valore di velocità è indicato in mm/anno con precisione dichiarata di meno di 1 mm/anno. Si ricorda che la velocità registrata con la tecnica PS è lungo la LOS, pertanto, in presenza di spostamenti dei bersagli in direzioni diverse, il valore di velocità rappresenta la proiezione del vettore di velocità del PS lungo la LOS; e) Coerenza: valore tra 0 e 1. La tecnica PSInSAR, nel caso di analisi standard, come quelle fino ad oggi acquisite dalla Regione, prevede l utilizzo di un modello lineare per descrivere gli spostamenti dei bersagli individuati nell analisi; questo significa che è possibile individuare solo quei punti che mostrano tassi di spostamento sufficientemente stabili nel tempo. Sotto questa ipotesi viene calcolato un indice di quanto il modello utilizzato si adatti alla natura di ciascun PS. Tale valore prende il nome di coerenza e permette di stabilire quanto i punti di misura siano affidabili rispetto al modello considerato. La coerenza assume valori compresi tra 0 ed 1, dove 0 indica punti che non hanno nessuna attinenza con il modello lineare e quindi inaffidabili nel caso di analisi standard, mentre valori pari a 1 indicano un ottimo accordo con il modello utilizzato. Nelle sottostanti figure sono illustrati due esempi rispettivamente di PS non affidabile a bassa coerenza e PS ad alta coerenza. Bassi valori di coerenza non necessariamente implicano

8 elevata rumorosità del dato, ma possono essere causati da tipi di moto analizzato non ben approssimati dal modello lineare. Un caso in cui si verifica questo fenomeno si ha quando si è in presenza di moti con forti componenti stagionali. Infatti, anche in presenza di dati poco rumorosi, le componenti sinusoidali vengono interpretate dal modello come rumore facendo ridurre fortemente il valore di coerenza. Esempio di serie storica di un PS con coerenza pari a 0,4. In blu sono rappresentate le repliche della serie storica a distanza pari a metà della lunghezza d onda. Serie storica di un PS con coerenza pari a 0,96. In blu sono rappresentate le repliche della serie storica a distanza pari a metà della lunghezza d onda. Per i bersagli caratterizzati dai valori di coerenza più elevati (>0.8) viene fornita la storia degli spostamenti, cioè lo spostamento del PS fra una scena radar e quella cronologicamente successiva, rispetto allo zero relativo alla master image. Tale diagramma tempo-spostamento consente di osservare eventuali scostamenti del trend medio di movimento del bersaglio dalla linearità, purché rimangano all interno del range di misurazione consentito dalla tecnica e gli scostamenti stessi non riducano eccessivamente il valore di coerenza del bersaglio.

9 5. CARATTERISTICHE DEI DATI DERIVANTI DA TECNICA PS a) Innanzi tutto, è opportuno ribadire che i valori di velocità si riferiscono alla LOS e, pertanto, non rappresentano la reale velocità di spostamento del bersaglio ma solo la sua componente lungo tale direzione. Il valore di velocità associato al PS sarà tanto più vicino a quello reale quanto più il bersaglio si sposta lungo una direzione coincidente con la LOS. Geom. ascendente Geom. discendente d 0 d 0 +d 1 d 0 +d n d 0 d 0 +d 1 d 0 +d n H V d >0 PS V re Est V rh Vr V a <0 T 0 T 1 T n Rappresentazione del moto di un punto con velocità prevalentemente orizzontale e descrizione della velocità rilevata in caso di geometria ascendente e discendente. Nell esempio sopra riportato, nel caso di un movimento a forte componente orizzontale, un bersaglio rilevato con entrambe le geometrie orbitali, ubicato su un versante esposto a E, che si muova lungo la linea di massima pendenza potrà essere associato a velocità di spostamento di segno opposto (positive, cioè in avvicinamento al satellite, in orbita discendente e negative, cioè in allontanamento, in orbita ascendente) con valori fra loro significativamente diversi, entrambi distanti dal valore di velocità reale. b) Uguali valori di velocità su diversi bersagli possono essere effetto di molteplici cause, che vanno dalle già citate variabili geometriche (bersagli che si muovono con velocità diverse in orientazioni spaziali

10 diverse, possono essere associati a uguali valori di v LOS ) ed alla diversa risposta delle strutture alle deformazioni del terreno: bersagli posti in elevazione su manufatti con caratteristiche strutturali diverse, a parità delle variabili geometriche del versante, possono avere uguali valori di v LOS sebbene la reale velocità di deformazione del versante sia diversa. Quindi, ad esempio, un edificio in muratura, in risposta ad una bassa velocità di deformazione del versante, a causa dei suoi propri cedimenti, potrà essere associato una v LOS pari a quella di un edificio in cemento armato propriamente fondato in risposta ad una velocità di spostamento del versante molto superiore. c) Quando il PS coincide con un manufatto, la posizione del bersaglio sul manufatto può influenzare sensibilmente i valori e l interpretazione della v LOS. Se, infatti, il bersaglio è posizionato alla base di un manufatto fondato direttamente sul terreno naturale, il valore di v LOS sarà, presumibilmente, prossimo alla componente della reale velocità di spostamento del terreno lungo la LOS. Se, invece, il manufatto è impostato su un terrapieno, la v LOS potrebbe recare anche la componente il contributo di spostamento derivante dall assestamento e dai cedimenti propri del terreno di riporto e dei relativi muri di contenimento. Qualora, infine, il PS sia ubicato in elevazione su un manufatto, la v LOS va interpretata come la proiezione sulla LOS della risultante dell interferenza fra la velocità di spostamento del terreno e la risposta della struttura del manufatto allo spostamento del terreno. d) Da quanto detto al precedente punto c) discende l importanza del valore di quota associata al PS e, quindi, della scelta del punto di riferimento. Confrontando i valori di quota dei PS con quelli derivanti dalla CTR scala 1:5.000 è possibile, in taluni casi, formulare ipotesi sulla reale ubicazione del rifrattore sul manufatto, soprattutto in presenza di edifici o strutture dotate di sviluppo verticale consistente (oltre i 10 m); e) La precisione millimetrica dichiarata dai fornitori del dato è relativa ai soli valori di velocità media annua e non ai valori dei singoli spostamenti nelle serie storiche di movimento relative ai bersagli a più alta coerenza. Per questi valori la precisione dichiarata è dell ordine di grandezza del centimetro. f) La precisione di localizzazione geografica dei PS è determinata da alcuni tipi di errori che si verificano in fase di georeferenziazione. Tale procedimento avviene in due distinte fasi: la prima è quella legata all alaborazione stessa del dato a partire dalle scene radar originali, durante la quale si verifica già un primo errore di geocodifica. La fase successiva è quella durante la quale i risultati delle analisi vengono visualizzati su supporti cartografici (Carta Tecnica Regionale, Ortofoto, immagini satellitari di tipo ottico) georeferenziati in diversi sistemi di coordinate e Datum rendendo così necessaria la conversione delle posizioni dei PS da GCS WGS84 in altri sistemi di coordinate e Datum. A fronte della procedura di georeferenziazione sopra descritta, la precisione complessiva sulla posizione dei PS può essere considerata pari rispettivamente a ± 9 10 m nella componente Est-Ovest ed a ± 5 6 nella componente Nord-Sud. 6. LE AREE ANOMALE Secondo la definizione proposta dal Gruppo di Lavoro interregionale sull utilizzo delle tecniche di interferometria satellitare, le aree anomale sono aggregati o cluster di PS che, per caratteristiche fisiche e spaziali (velocità superiori od inferiori alla classe di velocità considerata stabile, e distanza interpunti e

11 numerosità), possono rappresentare indizi di instabilità. Nella specificità delle caratteristiche territoriali della Regione Liguria, al fine di approcciare nella maniera più efficace le problematiche potenzialmente investigabili con questa tecnica, si è scelto di elaborare un apposita procedura automatica, tramite l analisi spaziale del data-set dei PS eseguita in ambiente GIS, che individua geometrie areali caratterizzate dalla presenza al loro interno di due o più bersagli distanti fra loro non più 100 m, con velocità di spostamento in valore assoluto maggiore o uguale a 2 mm/anno e nelle quali, contestualmente, almeno 1/3 dei PS sia associato a velocità medie annue superiori a tale soglia. Tale aree sono, pertanto, un dato derivato rispetto all originaria distribuzione dei PS. L esigenza di elaborare questa nuova entità deriva da due fondamentali considerazioni: 1. Le analisi PS di area vasta forniscono in tempi ristretti enormi quantità di dati, sotto forma di centinaia di migliaia di bersagli. La necessità di affrontarne rapidamente l analisi al fine di fruire di queste informazioni nell ambito della pianificazione territoriale e nella gestione e programmazione degli interventi di mitigazione del rischio idrogeologico, ha guidato alla individuazione di un percorso di pre-elaborazione automatizzata di tali dati. Questa fase preliminare consente di evidenziare tutte le aree per le quali l analisi PS potrebbe indicare un comportamento anomalo, cioè in qualche modo instabile. 2. La necessità di dare diffusione ai risultati delle analisi PS contrasta con la consapevolezza che le indicazioni fornite da questi dati vadano attentamente ponderate e filtrate attraverso tutte le considerazioni riportate nei precedenti capitoli. In altre parole, ci si è resi conto che un utilizzo semplicistico di queste informazioni può indurre considerazioni erronee circa le reali condizioni di stabilità del territorio. Per ovviare a questo contrasto si è, quindi, scelto di divulgare il dato preelaborato delle aree anomale. Tale dato fornisce alle Amministrazioni locali ed ai tecnici del settore che ne abbiano necessità il massimo contributo ad oggi desumibile da questa tecnica di indagine del territorio, limitando al massimo potenziali errori di interpretazione. L elaborazione dei dati fino ad oggi acquisiti sul territorio regionale ha consentito di individuare 1935 aree anomale, la cui distribuzione geografica è rappresentata nella tavola allegata in coda al documento. Osservando la carta, risulta immediatamente evidente come le aree anomale si concentrino prevalentemente in corrispondenza degli assi vallivi principali (Polcevera, Bisagno, Entella e Lavagna su tutti) e sull area metropolitana genovese. Tale fenomeno deriva non tanto dal fatto che tali areali siano particolarmente instabili ma, piuttosto dall elevata densità di PS che vi si registra. Tale fatto, correlato alla procedura adottata per l elaborazione delle aree anomale, fa sì che all interno di nuvole molto addensate di bersagli vi sia una elevata probabilità di trovarne almeno 1/3 caratterizzati da lievi fenomeni deformativi; ciò è ulteriormente amplificato in aree di piana costiera o alluvionale fortemente antropizzata dove si verificano fenomeni di subsidenza naturale (per costipamento dei sedimenti) o indotta da emungimento idrico a scopo irriguo o idropotabile INFORMAZIONI A CORREDO Ad ogni area anomala è associata una scheda che contiene le seguenti informazioni: CODICE: codice identificativo numerico univoco nell ambito della medesima track satellitare.

12 SATELLITE: piattaforma satellitare da cui il dato deriva. TRACK: codice della strisciata di scene radar da cui il data-set è stato generato. ORBITA: ascendente o discendente; PROVINCIA e COMUNE: ubicazione geografica amministrativa dell area anomala. LOCALITA : indicazione sommaria del toponimo più significativo compreso nell area anomala o nelle sue vicinanze. NUMERO PS: numero di bersagli radar sia fermi che in movimento ricadenti all interno dell area anomala. INDICE DI OMOGENEITA (I o ): rapporto fra il numero di bersagli in movimento (con v LOS 2 mm/anno in valore assoluto) ed il numero totale di PS ricadenti all interno dell area anomala. DEVIAZIONE STANDARD: misura dello scostamento dei valori di velocità associate ai PS che compongono l area dal loro valore medio riferito all area stessa. FRANA IFFI: casella di controllo. Se valorizzata indica la sussistenza di una sovrapposizione, anche marginale, fra il perimetro dell'area anomala ed una frana censita nel data-base IFFI. ID_IFFI: codice identificativo della frana che interseca l area anomala di aggancio al data-base IFFI. TIPOLOGIA IFFI: classificazione cinematica della frana secondo WP/WLI (1990). STATO DI ATTIVITA : classificazione dello stato di attività della frana secondo WP/WLI (1990). NOTE: considerazioni preliminari circa le caratteristiche dell area anomala sulla base dei sopra elencati parametri e delle caratteristiche geometriche della porzione di territorio su cui l area è ubicata. Le considerazioni preliminari riportate nel campo note della scheda associata ad ogni area anomala derivano esclusivamente da un analisi svolta a tavolino, prescindendo da un incidentale conoscenza diretta del territorio in questione. Tali eventuali ulteriori informazioni vengono riportate a parte. L associazione di un area anomala ad un interpretazione genetica è chiaramente ipotetica e deve essere intesa esclusivamente come un indicazione di indirizzo a supporto dell attività del tecnico che fruisce di queste informazioni. Naturalmente tale interpretazione è tanto più significativa quanto più sono elevati il numero di PS ricadenti nell area anomala ed il valore dell I o e quanto più è ridotta la deviazione standard dei valori di velocità.

13 Esempio di scheda di consegna associata alle aree anomale

14 7. INTERPRETAZIONE DELLE AREE ANOMALE Innanzi tutto, è opportuno ribadire alcuni concetti fondamentali: il perimetro delle aree anomale NON ha alcuna attinenza con quello di eventuali frane o porzioni di piana alluvionale o costiera in subsidenza che ricadano sul medesimo areale; la presenza di un area anomala NON implica sempre necessariamente la presenza di una frana o porzioni di piana alluvionale o costiera in subsidenza; la coincidenza di un area anomala e di una frana censita nel progetto IFFI NON implica necessariamente che quest ultima sia attiva in quanto, ad esempio, nel caso di aree anomale generate dalla presenza di un numero limitato di PS e con bassi valori dell indice di omogeneità, si potrebbe essere in presenza di locali cedimenti strutturali dei manufatti bersaglio; l assenza di aree anomale in corrispondenza di determinati versanti NON significa in alcun modo che tale versante sia stabile ma semplicemente che l interferometria satellitare non fornisce indicazioni per questo areale. Potrebbe, quindi, verificarsi la situazione che sul versante non vi siano bersagli, oppure che i bersagli rilevati risultino per lo più associati a velocità di spostamento inferiori a 2 mm/anno. In questo secondo caso, non è comunque sempre possibile interpretare il dato PS come indizio di stabilità, in quanto sarebbe necessario valutare di volta in volta l assetto geometrico del versante e verificare i casi nei quali bassi valori di v LOS siano, in realtà, la risultante di non trascurabili valori di spostamento lungo direzioni diverse. Al fine di inquadrare correttamente le ragioni della presenza di un area anomala in una determinata porzione di territorio, è importante valutare, unitamente alle caratteristiche fisiche dell areale, la combinazione dei valori dei parametri relativi al numero di PS che ricadono all interno dell area anomala, indice di omogeneità e deviazione standard dei valori di velocità. Nel caso in cui la maggior parte dei PS contenuti in un area anomala, formata da un elevato numero di bersagli (N PS > 6), risultino prevalentemente caratterizzati da movimenti sopra il valore di soglia definito (I o elevato > 66), lo spostamento dei bersagli sarà quasi certamente correlato ad un motore comune, che coinvolge l intera porzione di territorio su cui insiste l area anomala. In questi casi i valori di deviazione standard delle velocità forniranno essenzialmente indicazioni circa l uniformità delle caratteristiche cinematiche della deformazione che interesserebbe la porzione di territorio su cui insiste l area anomala: bassi valori sono indizio di elevata uniformità, mentre valori più elevati potrebbero suggerire la presenza di cinematismi differenziati nell ambito della medesima porzione di versante. Al contrario, per aree anomale con basso numero di PS (N PS < 6) e bassi valori dell indice di omogeneità (I o < 66), l interpretazione è, in generale, più incerta. In taluni casi l area anomala potrebbe essere generata dalla incidentale ravvicinata presenza di manufatti in scadenti condizioni di conservazione o realizzati con caratteristiche strutturali precarie e, pertanto, di per sé instabili. In questi casi il valore della deviazione standard delle velocità medie annue di spostamento è, in generale, molto volatile: sarà, infatti, sufficiente la presenza di pochi bersagli associati a velocità elevate per far impennare i valori della deviazione standard. In tali casi, per lo più, l area anomala non sarà correlata alla presenza di processi geologico-geomorfologici in atto ma, piuttosto, a fenomeni di carattere geotecnico o strutturale. Ciò nonostante, sarà opportuno effettuare un apposita verifica sul terreno: il basso numero di bersagli che determinano l individuazione

15 dell area anomala, infatti, non esclude la possibilità che, a seconda della loro distribuzione all interno di quest ultima, possa verificarsi il caso della presenza di un dissesto locale o che interessi marginalmente la porzione di territorio evidenziata. Quando, invece, anche i valori di deviazione standard associati all area anomala sono bassi, solitamente le velocità medie associate a tutti i PS che ricadono in questa porzione di territorio sono vicini alla soglia di velocità di 2 mm/anno e, pertanto, l area anomala stessa sarà scarsamente significativa. In ragione delle problematiche relative alla tecnica PSInSAR correlate all assetto geometrico dei versanti, tuttavia, una puntuale verifica di campagna risulterà sempre opportuna, almeno nei casi in cui l area anomala ricada in corrispondenza di porzioni di territorio con acclività significativa. Se, infine, un area anomala è caratterizzata da un elevato numero di PS (N PS > 6) ma anche da bassi valori di I o (I o < 66), è possibile che l elevata densità di bersagli registrata comprenda sia manufatti stabili e in buono stato di conservazione sia strutture meno robuste, mal conservate o precarie, tutte molto ravvicinate fra loro. In questo caso, quindi, a seconda dell assetto morfologico della porzione di territorio sulla quale insiste l area anomala, sarà estremamente importante effettuare approfondite verifiche sul terreno; solo in questo modo si potrà, infatti, discriminare se i diversi valori di velocità registrati dai bersagli radar siano da correlare alle diverse risposte ad un'omogenea deformazione del terreno di oggetti con caratteristiche strutturali fra loro differenti piuttosto che a locali problematiche statiche dei singoli manufatti-bersaglio. In questi casi anche l analisi dei valori di deviazione standard delle velocità medie annue di spostamento potrà fornire utili indicazioni per una corretta interpretazione dell area anomala; tendenzialmente, all aumentare del numero di PS ricadenti nell area anomala, i valori di deviazione standard diminuiscono. Infatti, sono state individuate complessivamente 550 aree anomale contenenti più di 6 bersagli radar. Fra queste, 365 sono caratterizzate da un indice di omogeneità inferiore al 66% (cioè il quasi il 70% del totale). Di queste ultime soltanto 41 registrano valori di deviazione standard superiori a 2. Questo significa che nella gran parte delle aree anomale formate da più di 6 PS, dei quali non più di 2/3 registrino velocità di spostamento superiori alla soglia dei 2 mm/anno, anche i target radar in movimento denotano velocità di spostamento medie prossime alla suddetta soglia; solitamente, in questi casi si avrà a che fare con locali problematiche statiche dei singoli manufatti-bersaglio o con modesti fenomeni di assestamento. Naturalmente, rimane sempre opportuno provvedere ad apposite verifiche di campagna, soprattutto nelle aree caratterizzate da acclività significative. Nei casi in cui, invece, i valori di deviazione standard di velocità risulti superiore a 2, sebbene oltre 1/3 dei bersagli siano stabili, o comunque siano associati a valori di velocità inferiori alla soglia dei 2 mm/anno, i restanti presentano velocità medie annue ben più alte della soglia imposta; ciò impone un attenta analisi di dettaglio, soprattutto nei casi in cui le anomalie rilevate insistano su porzioni di territorio non pianeggianti, in quanto i bassi valori dell indice di omogeneità registrati potrebbero essere da imputare alla distribuzione dei target all interno dell area. In tal caso non è da trascurare l ipotesi che l area anomala sia correlata alla presenza di una deformazione complessiva del versante in atto che, magari, interessi solo marginalmente l areale evidenziato con tecnica di interferometria satellitare.

16 Quindi, in estrema sintesi: N PS I o StDev Note 1. > 6 > 66 < 2 Probabile presenza di una frana o area in subsidenza con caratteristiche cinematiche omogenee per tutta l area anomala; 2. > 6 > 66 > 2 Probabile presenza di una frana o area in subsidenza con caratteristiche cinematiche disomogenee nell area anomala; 3. < 6 < 66 > 2 Interpretazione incerta, probabili problematiche geotecniche o strutturali ma possibile presenza di dissesto locale o che interessi marginalmente l area. Necessarie verifiche approfondite sul terreno 4. < 6 < 66 < 2 Aree anomale solitamente poco significative. Sono comunque opportune apposite verifiche sul terreno almeno in aree localizzate su versanti 5. > 6 < 66 > 2 Caso non molto frequente. Interpretazione incerta. Possibili sia problematiche geotecniche o strutturali sia presenza di dissesto che interessa marginalmente l area. 6. > 6 < 66 < 2 Probabili locali problematiche statiche dei singoli manufatti-bersaglio o area caratterizzata da modesti fenomeni di assestamento Naturalmente le annotazioni riportate nella soprastante tabella hanno carattere puramente indicativo e sono state formulate solo a titolo di supporto all attività del tecnico incaricato di utilizzare le informazioni relative alle aree anomale, che ne dovrà fornire un interpretazione caso per caso, incrociando questi dati con tutte le altre conoscenze a sua disposizione. Di seguito vengono riportati alcuni casi esemplificativi. In questo esempio si osserva come, sebbene l area anomala ricada in una frana, il suo perimetro non abbia alcun significato morfologico, essendo semplicemente l inviluppo di tutti i bersagli radar che hanno determinato l individuazione dell anomalia.

17 Le aree anomale riportate in questo esempio sono ubicate in area di piana alluvionale fortemente antropizzata, pertanto, gli spostamenti da esse evidenziati potrebbero essere ricondotti a fenomeni di assestamento o compattazione di rilevati artificiali in terra, piuttosto che da cedimenti strutturali di manufatti. Anche in un contesto di versante fortemente acclive, non necessariamente un area anomala è associata a fenomeni gravitativi. Ad esempio nel caso dell area 420, ci si trova in presenza di un rilevato artificiale in terra relativo alla sede stradale, pertanto l area anomala potrebbe essere generata da fenomeni di cedimento o assestamento di questo manufatto, piuttosto che da una frana.

18 Area anomala 2660 caratterizzata dalla presenza di 12 PS, I o = 50 e StDev = L anomalia insiste su una frana storicamente nota e documentata. Il basso valore di I o dipende dalla distribuzione dei target all interno dell area. Area anomala 210 caratterizzata dalla presenza di 21 PS, I o = 52 e StDev = La collocazione ricadente prevalentemente in piana alluvionale e i bassi valori di Io e StDev inducono a presupporre l assenza di particolari problematiche di carattere geologico nell area e l esistenza, piuttosto, di problematiche statiche dei singoli manufatti-bersaglio o area caratterizzata da modesti fenomeni di assestamento.

19 Area anomala 2242 caratterizzata dalla presenza di 4 PS, I o = 50 e StDev = 4.7. La collocazione ricadente prevalentemente in piana alluvionale, il numero di PS e l elevato valore di StDev, a fronte del valore di Io, indica la presenza di 2 bersagli stabili e 2 caratterizzati da rilevanti tassi di spostamento; ciò potrebbe essere motivato con la presenza di bersagli posizionati su manufatti in precario stato di conservazione o con un locale limitato fenomeno di dissesto. Area anomala 107 caratterizzata dalla presenza di 6 PS, I o = 33 e StDev = I parametri registrati per quest area anomala evidenziano la presenza di soli 2 target in movimento rispetto ai 6 rilevati. Il basso valore di StDev indica che anche i target che registrano spostamento hanno velocità basse e, quindi, nel complesso l anomalia potrebbe essere da ricondurre a locali problematiche statiche dei singoli manufattibersaglio oppure a modesti fenomeni di assestamento.

20 8. BIBLIOGRAFIA R. Bürgmann, G. Hilley, A. Ferretti, F. Novali - Resolving vertical tectonics in the San Francisco Bay Area from permanent scatterer InSAR and GPS analysis - Geology, Marzo 2006, Volume 34, Numero 3; Pagine S. Zerbini, B. Richter, F. Rocca, T. van Dam, F. Matonti - A combination of Space and Terrestrial Geodetic Techniques to Monitor Land Subsidence: Case Study, the Southeastern Po Plain, Italy - Journal of Geophysical Research, Vol. 112, B05401, 2007; Pagine P. Farina, D. Colombo, A. Fumagalli, F. Marks, S. Moretti - Permanent Scatterers for landslide investigations: outcomes from the ESA-SLAM project - Engineering Geology 88, 2006; Pagine T.H. Dixon, F. Amelung, A. Ferretti, F. Novali, F. Rocca, R. Dokkas, G. Sella, S.W. Kim, S. Wdowinski, D. Whitman - Subsidence and flooding in New Orleans - Nature, Vol. 441, Giugno 2006; Pagine G. E. Hilley, R. Bürgmann, A. Ferretti, F. Novali, F. Rocca - Dynamics of Slow-Moving Landslides from Permanent Scatterer Analysis - Science Magazine, 25 Giugno 2004, Volume 304, Numero 5679, Pagine D. Bottero, F. Poggi, S. Cespa - Nuove tecnologie di analisi delle frane: il monitoraggio satellitare - Primi risultati in Liguria della sperimentazione dell utilizzo della tecnica PSInSAR - Quarry & Construction, ottobre 2006, n. 526, pagine A. Ferretti, F. Ferrucci, C. Prati, F. Rocca - SAR Analysis of Building Collapse by means of the Permanent Scatterers Techique - Geoscience and Remote Sensing Symposium, Proceedings. IGARSS IEEE 2000 International, Vol. 7, Pagine: 3219, 3221

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