Applicazioni del telerilevamento con Radar ad Apertura Sintetica al monitoraggio ambientale e alla sicurezza

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1 Programma di ricerca Stato progetto: Nuovo Titolo italiano: Applicazioni del telerilevamento con Radar ad Apertura Sintetica al monitoraggio ambientale e alla sicurezza Titolo inglese: Synthetic Aperture Radar Remote Sensing for Application to Environmental Monitoring and Security Settore scientifico: Ingegneria, ICT e tecnologie per l'energia e i trasporti Proposta di ricerca: I radar ad apertura sintetica (SAR) sono sensori di immagine operanti alle frequenze delle microonde e generalmente alloggiati su satellite. Essi consentono, similmente alle camere ottiche ad alta risoluzione, di ottenere immagini a microonde con risoluzioni spinte anche da distanze di diverse centinaia di chilometri con il vantaggio però di penetrare l atmosfera perfino in condizioni meteorologiche avverse. Tale peculiarità, assieme alla capacità di acquisire giorno e notte in quanto sensore attivo, rende il SAR uno strumento unico per le applicazioni di monitoraggio i) delle risorse naturali (agricole e forestali) fornendo informazioni sull uso e copertura del suolo e sullo stato degli ecosistemi e ii) dei rischi naturali e per la sicurezza di aree urbane ed infrastrutture. Per quanto riguarda i rischi numerosi sono ad esempio i casi di applicazione a livello operativo in condizioni di emergenza: basti pensare ad esempio agli eventi sismici del Sichuan in Cina o dell Abruzzo ed Emilia in Italia. Le tecniche di interferometria differenziale (DInSAR) consentono di monitorare le deformazioni centimentriche di aree sismogenetiche e di vulcani attivi, gli spostamenti di frane lente o le subsidenze dovute ad intense attività estrattive: si vedano ad esempio gli studi pubblicati sulle riviste scientifiche specializzate internazionali inclusi nella selezione dei lavori dei partecipanti al progetto (es., le deformazioni post-sismiche nell area di L Aquila). Sull'onda della crescita dell'applicazione delle tecniche interferometriche, estremamente vantaggiose dal punto di vista benefici/costi rispetto alle tecniche classiche di misurazione geodetica (es. GPS, livellazioni), negli ultimi anni si sono moltiplicati gli sforzi tesi allo sviluppo e messa in orbita di nuovi sensori satellitari. L Agenzia Spaziale Europea (ESA), con i satelliti ERS1, ERS2 ed Envisat equipaggiati con sensori operanti in banda C (lunghezza d onda di 5.6cm) ha gettato le basi per lo sviluppo della tecnologia SAR interferometrica. Lo stesso discorso vale per i sensori canadesi RadarSAT-1 e RadarSAT-2 (quest ultimo attualmente operativo), anch essi operanti in banda C. A partire dal 2007 si è assistito ad una evoluzione generazionale dei sensori in termini di risoluzione spaziale e tempo di rivisitazione: quest ultima determina la frequenza con cui vengono acquisite le immagini per una fissata area al suolo nei passaggi successivi del satellite. Con i satelliti in Banda- X (lunghezza d onda di 3cm) della costellazione italiana Cosmo-SkyMed e tedesca TerraSAR-X e TANDEM-X (capaci di orbitare in formazione tandem a distanza di poche centinaia di metri l uno dall altro) si è migrato verso i sensori di nuova generazione capaci di generare immagini radar ad altissima risoluzione spaziale (metrica o sub-metrica). Le tecniche interferometriche hanno fortemente beneficiato del miglioramento di risoluzione aprendo opportunità per monitorare anche gli scenari complessi come le aree urbane, gli edifici e le infrastrutture. Parallelamente al progresso tecnologico dei sensori, l attività di ricerca recente ha

2 consentito di sviluppare tecniche di elaborazione avanzate dei dati. Con lo sviluppo delle tecniche tomografiche da satellite, dimostrate per la prima volta dai ricercatori dell IREA [1], oggi si dispone di una tecnologia in grado di operare una sintesi e scansione di un fascio stretto (sharp beam scanning SAR) in 3D per ricostruire e monitorare con un dettaglio spaziale spinto le aree complesse caratterizzate dalla presenza di strutture che si sviluppano verticalmente. I tool di elaborazione tomografica sono attualmente utilizzati a livello operativo anche dall Agenzia Spaziale Tedesca per l analisi di aree complesse [2]. Un nuovo settore emergente nell ambito delle tecnologie di Earth Observation (EO), di crescente interesse, è quello che prevede l utilizzo di dati SAR per il monitoraggio delle risorse naturali ed ambientali, con particolare riguardo alle applicazioni in ambito agricolo e forestale. Per quanto riguarda il settore agricolo i dati SAR possono fornire un fondamentale contributo per il riconoscimento delle colture (tipologie e varietà), il monitoraggio del loro stato (variabili biofisiche e fenologia) e il riconoscimento delle agropratiche adottate nelle coltivazioni (periodi di lavorazione dei campi e rotazioni stagionali). Le tecniche adottate per l identificazione di queste informazioni si inseriscono nell ambito più esteso delle cosiddette tecniche di pattern recognition. L uso sinergico di sensori e tecniche di EO operanti a diverse lunghezze d onda e con diverse polarizzazioni risulta di fondamentale interesse per il monitoraggio delle colture dal momento che queste si possono differenziare in base alle specifiche caratteristiche morfologiche delle strutture che le compongono, come foglie e fusti, e alla loro evoluzione nel tempo. Le proprietà del terreno misurate dai SAR quali la rugosità e il contenuto di umidità e la loro evoluzione nel tempo danno un indicazione diretta sullo stato dei terreni agricoli e delle coltivazioni in essere. Riprese SAR multitemporali risultano perciò di fondamentale importanza per poter differenziare i target in analisi (differenti colture) e derivare informazioni relative al loro stato (stadio di sviluppo e biomassa). Per ottenere dei buoni risultati da sequenze di dati SAR multi-temporali sono state applicate con successo tecniche di supervised classification [3] che però hanno lo svantaggio di necessitare dell intervento di un operatore esterno. Un punto chiave per lo sviluppo futuro a larga scala di tecniche di crop monitoring mediante sistemi SAR richiede dati con alta e regolare frequenza di rivisitazione. Tale caratteristica consentirebbe di fornire informazioni da integrarsi ai più tradizionali dati ottici storicamente usati in questo ambito. In tale contesto, un gruppo di ricercatori dell IREA è impegnato nello sviluppo di metodologie di EO per il monitoraggio delle risorse naturali ed in particolare per il crop monitoring basato sull integrazione di dati SAR e ottici. Con il programma cinese HJ1-C sviluppato dall Istituto di Elettronica della Accademia Cinese delle Scienze ( la Cina ha iniziato un programma pioneristico per la messa in orbita di una costellazione di satelliti operanti in Banda S: il primo satellite, lanciato in orbita alla fine del 2012 ha già acquisito numerose immagini. La banda S (lunghezza d onda di 9.6cm), di cui dispone attualmente solo la Cina, è caratterizzata da una lunghezza d onda più alta rispetto alle bande C ed X e quindi da una maggiore capacità di penetrazione nelle aree vegetate. Le attività ad oggi realizzate con i dati HJ1-C riguardano prevalentemente la generazione ed interpretazione di immagini di intensità. La proposta intende favorire la cooperazione scientifica tra le due Istituzioni in tale contesto. L attività prevede scambi di conoscenze e soprattutto di dati e risultati di sperimentazioni atte per lo sviluppo di nuove metodologie per l applicazione del SAR al monitoraggio ambientale ed alla sicurezza. Essa si fonda su una infrastruttura scientifica e tecnologica già matura, anche a livello operativo, e mira a migliorare, attraverso l utilizzo e l integrazione di dati multi-sensore operanti a differenti frequenze, la capacità osservativa disponibile, potenziando soprattutto gli aspetti che riguardano il monitoraggio di aree caratterizzate dalla presenza di vegetazione. L utilizzo della Banda S risulta essere cruciale da questo punto di vista. I sensori SAR sono, infatti, in grado di monitorare spostamenti su aree che mantengono inalterate la risposta elettromagnetica. Le tecniche di monitoraggio delle deformazioni attualmente disponibili sono prevalentemente indirizzate al monitoraggio di aree antropizzate o rurali caratterizzate dall assenza di vegetazione. Gli sviluppi dell attività riguardano la possibilità di aumentare la capacità tecnologica

3 osservativa attraverso la sperimentazione dell utilizzo combinato della Banda C, X ed S ed attraverso l utilizzo di approcci tomografici su dati a bassa frequenza in grado di consentire l estrazione e l utilizzo delle informazioni relative alla risposta del suolo al di sotto della vegetazione per misurare possibili spostamenti nel tempo in aree coperte da vegetazione. Attualmente tale possibilità è estremamente limitata data l impossibilità di penetrare la vegetazione con sensori operanti a frequenze più elevate rispetto alla Banda S, soprattutto nella banda X. Esempi di applicazione delle tecniche interferometriche a bassa frequenza sono presenti in letteratura con dati in banda L (lunghezza d onda di 24cm) del satellite giapponese ALOS, tuttavia l elevato incremento della lunghezza d onda della banda L rispetto alle bande C ed X conduce ad una riduzione della sensibilità della misura di deformazione che risulta essere funzione della lunghezza d onda del sensore. La possibilità di utilizzare la banda S fornisce invece un buon compromesso tra sensibilità e capacità di penetrazione. Per quanto attiene all identificazione ed il monitoraggio delle colture tramite dati SAR in banda S si vuole valutare quale sia il contributo di queste frequenze. La possibilità di penetrare la canopy vegetata può infatti produrre informazioni diagnostiche sullo stato dei terreni per estendere analisi condotte in altre bande. Si ipotizza che a queste frequenze si possano proficuamente derivare informazioni di dettaglio sullo stato del terreno (in termini soprattutto di soil moisture) anche in presenza di copertura vegetale. Applicazioni di sicuro interesse riguardano il riconoscimento di situazioni di stress idrico e il monitoraggio delle coltivazioni a riso caratterizzate dalla pratica di allagamento dei terreni e dalla presenza sotto la coltura di un terreno allagato o saturo per gran parte del ciclo colturale. Il progetto si inquadra nell ambito di un accordo di collaborazione recentemente siglato dai due Istituti partecipanti(prot. IREA 1511 del 23 Luglio 2013) riguardante specificatamente la cooperazione nel settore dell osservazione della Terra con sensori SAR. E in linea anche con i programmi di sviluppo Europeo, soprattutto con il programma Sentinel-1 dell Agenzia Spaziale Europea, d imminente lancio in orbita. Si sottolinea inoltre la possibilità di beneficio anche per scopi Istituzionali dell IREA, soprattutto in relazione alle attività che l IREA svolge con il Dipartimento di Protezione Civile di cui è Centro di Competenza per l elaborazione di dati SAR ( e nell ambito dei programmi di ricerca Regione Lombardia-CNR in ambito agricolo e con rilevanti ricadute su EXPO [1] Fornaro, G.; Lombardini, F.; Serafino, F., "Three-dimensional multipass SAR focusing: experiments with long-term spaceborne data", IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol.43, no.4, pp.702,714, April [2] Y. Wang; X. X. Zhu; Y. Shi; Bamler, R., "Operational TomoSAR processing using TerraSAR-X high resolution spotlight stacks from multiple view angles" IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS), 2012, pp , July [3] Li, Y., Liao, Q., Li, X., Liao, S., Chi, G., Peng, S., Towards an operational system for regional-scale rice yield estimation using a time-series of Radarsat ScanSAR images, International Journal of Remote Sensing, vol.24, no.21, pp , Obiettivi: Lo scopo del progetto è quello di stabilire una cooperazione scientifica sistematica attraverso la mobilità di ricercatori finalizzata allo sviluppo ed alla applicazione di tecnologie radar dallo spazio per il monitoraggio dell ambiente e per la sicurezza di strutture ed infrastrutture. Tale obiettivo si basa sulla possibilità di fruire dell esperienza, frutto di una attività di ricerca e sviluppo intensiva condotte dai ricercatori dell IREA nel settore dell interferometria SAR con dati in Banda C ed X distribuiti dalle agenzie spaziali Europee per scopi scientifici. Il livello delle competenze disponibili è testimoniato da numerose pubblicazioni e partecipazioni a progetti nazionali (tra cui numerosi progetti dell Agenzia Spaziale Italiana) ed europei (tra cui FP6-LIMES, FP7- DORIS per applicazione a frane, FP7-ISTIMES per applicazioni alle infrastrutture e ESA Helix-Nebula per lo

4 sviluppo di tecnologie in ambienti cloud) da un lato, e dall altro da una capacità tecnologica avanzata acquisita con la realizzazione e lancio in orbita dall Institute of Electronics (IE) di un sensore avanzato operante in Banda S. Per quanto riguarda le compentenze di IREA nell ambito del monitoraggio delle risorse naturali queste sono testimoniate dalla partecipazione a numerosi progetti nazionali ed Europei (tra cui FP6 Geoland, FP7 Geoland2, FP7 ERMES). La proposta di cooperazione avviene sia sul livello di scambio scientifico attraverso lectures, sia con attività di formazione e scambio on-the-job partendo dalle risorse tecnologiche disponibili. Un elemento fortemente qualificante della proposta è la possibilità di sfruttare in modo proficuo le differenti competenze tra i due Istituti e le risorse complementari a livello tecnologico dell infrastruttura osservativa satellitare accessibile dagli Istituti coinvolti. Questo consente di operare confronti sulle capacità e potenzialità dei differenti sensori e di sviluppare metodi ed approcci di integrazione dei dati multisensoriali a diverse frequenza. Gli obiettivi della proposta sono quindi: -) sviluppare la capacità di utilizzo interferometrico dei dati in Banda S; -) analizzare le caratteristiche della risposta interferometrica della banda-s con riferimento alla robustezza ai cambiamenti della risposta elettromagnetica della scena nel tempo; -) sviluppare e implementare un sistema che integra dati SAR operanti a differenti frequenze e modalità operative per il controllo e il monitoraggio di strutture ed infrastrutture di interesse; -) investigare la possibilità di sfruttare i sensori in Banda S per migliorare la capacità di monitoraggio delle deformazioni che interessano aree vegetate; -) investigare la possibilità di integrare in maniera combinata dati radar a diverse bande (S, X e C) per l identificazione e il monitoraggio dello stato delle coltivazioni in aree agricole. Pianificazione del lavoro Piano di lavoro primo anno: Il primo anno prevede attività di formazione ed attività di ricerca e sviluppo preliminari all utilizzo dei dati in Banda S. L attività di formazione avverrà attraverso lectures sulle tecnologie di monitoraggio ambientale e sicurezza condotte negli anni recenti con i sensori Europei ed Italiani. Saranno inoltre identificate le aree di studio per lo sviluppo e la sperimentazione delle tecnologie in banda S ed il confronto con i dati in banda C ed X. Le aree di studio saranno scelte con riferimento a siti di interesse dal punto di vista applicativo per rischi naturali ed antropici e, compatibilmente con le programmazioni e con la capacità di acquisizione dei satelliti, e saranno localizzate sia sul territorio cinese, sia su quello italiano. Con riferimento al territorio italiano, in continuità con le attività svolte dall IREA con Enti ed Istituzioni deputati al monitoraggio ambientale (es. Protezione Civile Nazionale, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, ecc.) saranno considerate aree soggette a rischi naturali come ad esempio le aree interessate da fenomeni di instabilità di versanti e le aree attive dal punto di vista sismico e vulcanico. Si analizzerà la possibilità di acquisire dati SAR relativi all area costiera della città di Shanghai allo scopo di consolidare un attività di monitoraggio delle deformazioni a cui sono soggette le aree sommerse riconvertite in terra-ferma (reclamation lands). Si svilupperanno le interfacce necessarie per la deformattazione di dati SAR e delle informazioni ancillari (orbite e parametri del sensore) del sensore in Banda-S HJ1-C. Per quanto concerne le applicazioni all agricoltura saranno individuate le aree di studio in Cina e Italia e saranno acquisite le informazioni ancillari. Inizierà anche lo sviluppo delle

5 interfacce necessarie per il trattamento dei dati in Banda-S HJ1-C volto alla stima della sezione radar ai fini delle applicazioni agricole. Piano di lavoro secondo anno: Sulla base delle attività preliminari del primo anno saranno verificate le potenzialità interferometriche del sensore in banda S. Si svilupperanno e sperimenteranno, quindi, le tecnologie interferometriche basate sull elaborazione di singole coppie di acquisizioni interferometriche per valutare la qualità ed il grado di robustezza rispetto a cambiamenti aleatori nel tempo (decorrelazione) della risposta elettromagnetica in banda S. In tale contesto saranno analizzate anche le accuratezze sulla conoscenza delle orbite ai fini interferometrici ed, eventualmente, saranno sviluppate tecniche di stima e compensazione degli errori orbitali. Infine saranno effettuate le integrazioni dei moduli nella catena di elaborazione di dati SAR ottenuti con passaggi ripetuti del satellite per il monitoraggio di deformazioni. Sul fronte delle applicazioni agricole saranno effettuati i test delle tecniche di classificazione per l identificazione delle colture con particolare attenzione alle coltivazioni a riso. Piano di lavoro terzo anno: Le attività del terzo anno riguarderanno le sperimentazioni delle tecniche interferometriche di monitoraggio delle deformazioni nelle aree di test. In tale contesto saranno effettuati anche confronti con i risultati delle sperimentazioni effettuate con dati acquisiti da sensori operanti a diversa frequenza (banda S, C ed X). Saranno analizzate le complementarietà dei monitoraggi a diverse frequenze e si analizzeranno soluzioni per l integrazione dei dati multi-frequenziali. In tale fase si sperimenteranno inoltre le tecnologie avanzate basate su approcci tomografici per il miglioramento della capacità osservativa di aree interessate da vegetazione con dati a bassa frequenza. Per quanto concerne le applicazioni all agricoltura si svilupperanno tecniche di integrazione multi-sorgente SAR (banda S, C ed X) e ottiche per il riconoscimento delle colture e la definizione del loro stato fenologico e fitosanitario. Un attività rilevante riguarderà la valutazione delle opportunità di utilizzo delle tecnologie sviluppate su base operativa in funzione di future opportunità progettuali. Tale attività è finalizzata alla partecipazione congiunta ad azioni riguardanti lo sviluppo e l applicazione di tecnologie SAR al monitoraggio ambientale e la sicurezza.