Il Telerilevamento Radar satellitare per il monitoraggio di gallerie stradali e autostradali.

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1 CONGRESSO SOCIETA ITALIANA GALLERIE GALLERIE E SPAZIO SOTTERRANEO NELLO SVILUPPO DELL EUROPA Bologna, 17, ottobre 2013 Il Telerilevamento Radar satellitare per il monitoraggio di gallerie stradali e autostradali. P.Gianvecchio (1), E. Campa (1), G. Venturini (1), P. Notaro (2), D. Fontan (2), C.Giannico (3), A.Ferretti (3) (1) Astaldi, Roma (2) Sea - Consulting, Torino (3) TRE, Tele-Rilevamento Europa, Milano ABSTRACT: Inserire qui il testo dell'abstract. L'abstract deve contenere al massimo 200 parole ed essere costituito da un unico paragrafo per il quale va utilizzato lo stile "Abstract". Il paragrafo deve iniziare con questa dicitura "ABSTRACT:" L abstract ed il documento dovranno essere scritti in lingua italiano o inglese. L'abstract riassumerà i punti essenziali del documento. Esso dovrà precisare lo scopo del lavoro, i risultati più importanti e le conclusioni. 1 Introduzione I satelliti radar permettono di misurare spostamenti superficiali del terreno con precisione millimetrica grazie all impiego di particolari tecniche di elaborazione dei dati dette interferometriche. La più recente di queste tecnologie è denominata SqueeSAR e consente di individuare dei particolari bersagli al suolo per i quali è possibile stimare il loro spostamento nel tempo. SqueeSAR (Ferretti et al., 2010) rappresenta l evoluzione della tecnologia PSInSAR sviluppata in seno al Politecnico di Milano (Ferretti et al., 2001). L analisi di spostamenti superficiali è resa possibile sfruttando l informazione principale rilevata da un qualsiasi sistema radar: la misura della distanza tra il sensore ed il bersaglio illuminato. Nel caso specifico, i satelliti radar (SAR) ripercorrono la stessa orbita con cadenza regolare, così da ottenere una sequenza temporale di immagini acquisite sulla stessa area. L idea di base è quella di procedere con un confronto tra immagini successive, quindi tra misure di distanza sensore-bersaglio successive, al fine di rilevare eventuali spostamenti. Rispetto alle tecniche di monitoraggio tradizionali, l analisi satellitare offre il vantaggio di non richiedere alcuna installazione di strumentazione al suolo e di consentire una valutazione degli spostamenti superficiali ante operam, grazie agli archivi di immagini acquisite con regolarità dagli inizi degli anni 90. Nell ambito del monitoraggio di gallerie e tracciati autostradali viene presentato il caso di studio della SS106-Jonica dove, su commissione di ASTALDI Spa, l analisi SqueeSAR è stata applicata con successo in fase di progetto al lotto DG-41 (38 km di tracciato di cui 7 gallerie a doppia canna di lunghezza totale pari a 22km) e in fase di realizzazione sul lotto DG-22 (17 km di tracciato di cui 7 gallerie naturali a doppia canna di lunghezza totale pari a 9,5km). 2 Le nuove tecniche di monitoraggio radar satellitare I sistemi radar satellitari forniscono immagini elettromagnetiche (a frequenze comprese tra 500MHz e 10GHZ) della superficie terrestre con risoluzione spaziale fino al metro. Rispetto ai più noti sistemi ottici operano con continuità, potendo acquisire dati in presenza di copertura nuvolosa e sia di giorno sia di notte. [Digitare il testo]

2 spostamento Il principio di funzionamento radar (acronimo di radio detecting and ranging) è il seguente: un apparecchio trasmittente illumina lo spazio circostante con un onda elettromagnetica che incidendo sulla superficie terrestre subisce un fenomeno di riflessione disordinata (diffusione, scattering). Una parte del campo diffuso torna verso la stazione trasmittente, equipaggiata anche per la ricezione, dove vengono misurate le sue caratteristiche. Il dispositivo è in grado di individuare il bersaglio elettromagnetico (detecting) e, misurando il ritardo temporale tra l istante di trasmissione e quello di ricezione, valutare la distanza (ranging) a cui è posizionato, localizzandolo in modo preciso lungo la direzione di puntamento dell antenna (direzione di range). Le misure sono possibili solo in corrispondenza di bersagli radar con caratteristiche elettromagnetiche specifiche: punti già presenti al suolo (scatterers) che sono visibili in tutte le immagini acquisite nel periodo di osservazione e che mantengono una sufficiente stabilità nel tempo (permanent) del cosiddetto segnale di fase. Quest ultimo è proprio l elemento che contiene l informazione relativa alla posizione al suolo e alla distanza del bersaglio dal satellite. Poiché i segnali utilizzati hanno lunghezze d onda centimetriche (microonde), spostamenti anche di pochi millimetri inducono degli sfasamenti tra un onda e la successiva (es. R n-1 vs. R n ) che possono essere rilevati. Principio di base dell interferometria = 5.66 cm R n-1 ΔR..n R n sfasamento spostamento Rn Sequenza temporale di immagini ΔR n ΔR12 ΔR n t1 t2 tn tempo Serie storica degli spostamenti Figura 1: principio di funzionamento della tecnica basato sulla misura di variazione di distanze satellite-bersaglio a terra. Cuore dell algoritmo SqueeSAR oggetto di brevetto è la capacità della rimuovere dalle immagini satellitari i disturbi atmosferici e altri rumori di base così da isolare l effettivo e solo contributo di informazione di moto (Ferretti et al. 2001, 2003, 2010). 2.1 Risultati dell analisi satellitare La tecnica SqueeSAR è in grado di identificare due famiglie di punti di misura presenti al suolo: i Permanent Scatterers (PS), ovvero bersagli puntiformi con caratteristiche di elevata riflessione caratterizzanti un solo pixel dell immagine: tipicamente corrispondono a case, parti di edifici, strutture metalliche, piloni, antenne, rocce esposte di grandi dimensioni, parti di oleodotti o condotte in superficie. i Distributed Scatterers (DS), ovvero bersagli distribuiti che descrivono le caratteristiche di un gruppo di pixel appartenenti ad un area omogenea: corrispondono a zone rocciose, zone detritiche, radure, aree extraurbane non vegetate e con presenza di bersagli radar diffusi

3 Di ciascun punto di misura, le principali informazioni fornite sono: la posizione su una cartografia di riferimento, con una precisione fino a 1 [m] la velocità media annua di spostamento, con una precisione che può risultare < 1 [mm/anno] per i punti migliori la serie storica degli spostamenti, ovvero il grafico degli spostamenti avvenuti immagine per immagine, con una precisione per i punti migliori che risulta < 5 [mm] Per poter condurre con successo un analisi SqueeSAR è necessario elaborare un numero minimo (20-25) di immagini radar satellitari acquisite sulla medesima area. Maggiore è il numero di acquisizioni elaborate su una stessa area, migliori saranno i risultati ottenuti. 2.2 Analisi storiche e monitoraggio Un elemento essenziale per il successo che stanno ottenendo le tecniche interferometriche è dato dal fatto che le prime acquisizioni radar risalgono al 1992, quando il satellite ERS-1 dell Agenzia Spaziale Europea iniziò ad acquisire regolarmente su vaste aree del pianeta. Visto il successo delle prime missioni SAR, e le applicazioni che si sono sviluppate, negli ultimi anni sono state avviate diverse missioni che stanno proseguendo l opera di monitoraggio della superficie terrestre. La vasta disponibilità di dati su molte aree, e in particolare su tutto il territorio italiano, permette di condurre: analisi storiche: indagini a ritroso nel passato, di fondamentale importanza per comprendere l evoluzione di fenomeni di deformazione lenta, quali tipicamente le subsidenze, le faglie sismiche, le frane estese, e soprattutto per recuperare informazioni su un area prima dell inizio di lavori di cantiere. monitoraggio: grazie alla pianificazione di nuove acquisizioni, è possibile avviare dei progetti che garantiscono una continuità di monitoraggio nel tempo: i satelliti di ultima generazione garantiscono un immagine ogni 4 giorni. Pur non garantendo un monitoraggio in tempo reale, la tecnica costituisce uno strumento complementare di indubbia utilità per acquisire informazioni su un area più ampia di quella di progetto. 2.3 Satelliti radar: geometrie di acquisizione e dettagli tecnici. I satelliti radar percorrono orbite eliosincrone lievemente inclinate rispetto ai meridiani, illuminando, da una quota attorno a km, una striscia di terreno (swath) larga fino a 100 km con un sistema operante nel dominio delle microonde a varie bande (C, X, L), ovvero con lunghezze d onda che variano dai 3 ai 24 cm. La stessa orbita nominale viene ripercorsa dopo un intervallo definito (revisiting time), consentendo così di acquisire dati relativi alla stessa scena al suolo in tempi differenti La direzione parallela all orbita è detta azimuth e coincide approssimativamente con la direzione Nord- Sud. Dalla combinazione della rotazione terrestre con le orbite eliosincrone risulta che una stessa area della superficie terrestre viene illuminata dalla radiazione radar sia durante un passaggio del satellite in direzione Nord-Sud, denominata geometria discendente, sia durante un passaggio del satellite in direzione Sud-Nord, denominata geometria ascendente. Ciò significa che l area al suolo viene rilevata sotto due angoli di vista praticamente speculari (Figura 2)

4 N N S S Ascending Descending Figura 2: Geometrie di acquisizione discendente (a destra) e ascendente (a sinistra). Dalla combinazione di dati ascendenti con quelli discendenti è possibile risalire all orientazione del vettore velocità nel piano EST, HEIGHT e quindi fornire una stima del moto verticale e orizzontale nel piano EST-OVEST. Un eventuale spostamento in direzione puramente orizzontale N-S non può essere rilevato per ragioni intrinseche alla geometria del sistema (orbita dei satelliti in direzione N-S). 2.4 Precisione delle misure Un quadro di insieme delle precisioni tipiche ottenibili in analisi SqueeSAR è fornito in Errore. L'origine riferimento non è stata trovata., nella quale vengono riportati i valori della deviazione standard per velocità di spostamento media, misura di deformazione singola, individuazione a terra in termini di coordinate geografiche (Nord, Est, altezza). Tabella 1: Tabella riassuntiva relativa alle precisioni ottenibili Posizione in Nord Posizione in Est Quota ellissoidica Velocità media di spostamento Misura di spostamento singola ± 2 m (satelliti in banda C) ± 1 m (satelliti in banda X) ± 7 m (satelliti in banda C) ± 4 m (satelliti in banda X) ± 1.5 m < 1 mm/anno < 5 mm L apparente incongruenza fra la precisione di spostamento (millimetrica) e la precisione di posizionamento (metrica) dei punti a terra dipende dal fatto che lo spostamento è misurato come frazione della lunghezza d onda (sfasamento di pochi centimetri) mentre la precisione di posizionamento è di fatto funzione della dimensione del pixel dell immagine a terra (alcuni metri). La dimensione reale del punto monitorato a terra, è in genere più piccola della dimensione del pixel dell immagine: i PS corrispondono ad elementi dominanti all interno della cella. 3 Il caso di studio: la statale SS106-Jonica La strada statale 106 Ionica si estende per circa 491 km tra Reggio Calabria e Taranto ed attraversa tre regioni: la Calabria, la Basilicata e la Puglia. I lavori di ampliamento a quattro corsie della SS106 Jonica sono stati ultimati per tutto il tratto pugliese (39km), mentre nella regione Basilicata sono stati realizzati 26 km ed altri 5, tra Nova Siri e Rocca Imperiale, sono in fase di costruzione. Il tratto calabrese, che con i suoi 415 km è sicuramente quello più importante, è stato suddiviso in 12 Megalotti. Attualmente sono in corso di ultimazione il Megalotto 1, compreso tra gli abitati di Marina di Gioiosa jonica (RC) e Ardore (RC), ed il Megalotto 2, compreso - 4 -

5 tra gli abitati di Simeri (CZ) e Squillace (CZ); sempre nel tratto calabrese è in fase di progettazione il Megalotto 3 (DG41), di circa 38km, compreso tra gli abitati di Roseto Capo Spulico (CS) e Sibari (CS). 3.1 Maxilotto DG-41 Il Maxilotto DG41 è in fase di Progettazione Definitiva, si estende per oltre 38 chilometri lungo la porzione settentrionale della costa ionica calabrese ed interessa, per i primi km circa, la piana alluvionale di Sibari e, per i restanti 20 km, una fascia collinare protesa su di una zona costiera estremamente stretta. Il tracciato in esame si estende con un allineamento approssimativamente NW-SE dalla piana di Sibari sino alla pk , in corrispondenza dello svincolo di Roseto e, da questa progressiva, si sviluppa con un allineamento più marcatamente N-S sino a raccordarsi con il tratto già ammodernato più a nord. L area oggetto di studio rientra interamente all interno della Provincia di Cosenza e, procedendo da sud verso nord, il tracciato attraversa i comuni di Cassano allo Ionio, Francavilla Marittima, Cerchiara di Calabria, Villapiana, Trebisacce, Albidona, Amendolara e Roseto Capo Spulico. Figura 3: Ubicazione (linea blu) del megalotto DG41 in progetto, sulle immagini satellitari di google earth Inquadramento e aspetti peculiari di progetto La tipologia di piattaforma stradale per gli assi in progetto è di tipo B extraurbana, prevista dal D.M. 05/11/2001 con intervallo di velocità di progetto da 70 a 120 km/ora ed è costituita, per ogni carreggiata, da due corsie di 3,75 m, affiancate sulla destra da una banchina pavimentata di 1,75 m e sulla sinistra da una banchina pavimentata di 0,50 m. Il tracciato in esame per i primi km, tratta di pianura, sarà realizzato prevalentemente in rilevato e le opere d arte maggiori saranno costituite da alcuni viadotti; dalla pk a fine lotto, tratta collinare, la successione delle opere è più articolata; in particolare è prevista la realizzazione di tre gallerie naturali su doppia canna ed una finestra intermedia per un totale di circa 11,5 km di scavo in sotterraneo. Le sezioni di scavo misurano mediamente 140 mq e la copertura massima, circa 105 m, la si raggiunge nella galleria Trebisacce. Quest ultima è la più lunga galleria del lotto (circa 3400m) e sarà realizzata utilizzando anche una finestra intermedia. Di seguito sono riportate le principali caratteristiche del lotto in esame: - 5 -

6 3.1.2 Utilizzo del dato satellitare: in fase di progetto dell opera Nell ambito dei lavori di ammodernamento della SS 106 "Jonica" - 3 Maxi Lotto, l analisi satellitare ha interessato tutta la tratta Sibari-Roseto Capo Spulico. L area di studio, di estensione pari a circa 100 km 2, si sviluppa lungo il tracciato di progetto, per un corridoio lineare di larghezza variabile tra i 2 km e i 4 km. Per l analisi sono state elaborate immagini radar acquisite sull area di interesse dal satellite RADARSAT-1 dell Agenzia Spaziale Canadese (CSA) nel periodo Marzo 2003 Dicembre Ai fini di una completa caratterizzazione dell area, Astaldi ha richiesto l elaborazione di entrambe le geometrie di acquisizione disponibili (113 immagini in geometria Ascendente e 100 immagini in geometria Discendente) per un totale di 213 immagini satellitari elaborate. L analisi SqueeSAR ha consentito di individuare punti di misura per il dataset acquisito con geometria Ascendente e punti di misura per quello in geometria Discendente (Figura 4). Figura 4: Risultati analisi satellitare sulla SS 106 "Jonica" - 3 Maxi Lotto: in figura sono visualizzate le velocità [mm/anno] dei punti individuati al suolo nell arco temporale L elaborazione dei due dataset disponibili, acquisiti in diversa geometria, ha permesso di ottenere una visione completa dei movimenti in atto, specialmente nelle aree non pianeggianti del settore Nord dove alcuni versanti possono risultare più o meno visibili su una delle due geometrie, a seconda della loro orientazione rispetto alla linea di vista. La combinazione dei dataset Ascendente e Discendente ha consentito inoltre di estrarre le componenti del moto Verticale ed Orizzontale EST-OVEST (Figura 5) : movimenti prevalentemente verticali interessano la piana di Sibari; movimenti prevalentemente orizzontali sono presenti invece lungo il tratto di costa montuosa, che si sviluppa da Trebisacce fino a Roseto Capo Spulico

7 Figura 5: Risultati analisi satellitare sulla SS 106 "Jonica" - 3 Maxi Lotto: in figura sono visualizzate le velocità verticali e orizzontali EST-OVEST in [mm/anno] dei punti individuati al suolo. L analisi satellitare evidenzia sull area diversi fenomeni di movimento, dall area di subsidenza in prossimità della piana di Sibari ai fenomeni di instabilità di versante più a nord, in zona Trebisacce, Roseto Capospulico. A titolo di esempio si riporta in Figura 6 un dettaglio dell analisi ascendente sull area di Roseto Capo Spulico, delimitata a sud dalla foce del torrente Ferro. I movimenti misurati con tecnica SqueeSAR sono in accordo con quanto riportato dal catalogo IFFI della Regione Calabria, che cartografa in quest area estesi fenomeni di instabilità, classificati come aree soggette a frane complesse (colore marrone ), frane di tipo rotazionale-traslativo (aree gialle) e frane superficiali diffuse (reticolo puntinato verde). Punti di misura con velocità negative sono presenti anche al di fuori delle aree in frana riportate nel catalogo IFFI, pertanto è plausibile che i fenomeni di instabilità di versante interessino aree più estese di quelle cartografate nell inventario dei dissesti

8 Figura 6: dettaglio dell analisi nell area di Trebisacce- Roseto Capospulico. Per ogni punto di misura viene fornita una serie storica di spostamento (grafico spostamento-tempo) come riportato in Figura 7. Figura 7: Esempio di serie storica di spostamento di un punto individuato da satellite. I movimenti misurati con l analisi SqueeSAR, la presenza di estesi fenomeni franosi nella cartografia IFFI e la presenza dell abitato di Roseto Capo Spulico suggeriscono, per questa parte di tracciato di progetto, una potenziale criticità, meritevole di approfondimenti più specifici con indagini in situ. 3.2 Maxilotto DG-22 Il Maxilotto DG22 si sviluppa per una lunghezza di circa 17 chilometri, secondo un andamento all incirca N-S, lungo un area costituita da diverse dorsali collinari orientate mediamente E-W e degradanti verso il Mar Ionio. Il tracciato individuato taglia trasversalmente queste dorsali ed alterna tratti in viadotto con parti in galleria o in trincea. Il tracciato in esame è interamente ubicato nella Provincia di Reggio Calabria ed interessa i seguenti comuni: Ardore, Sant Ilario, Portigliola, Locri, Siderno, Grotteria e Marina di Gioiosa Jonica. In particolare, questo tracciato interessa aree da sub-pianeggianti a collinari: le prime sono collegate all evoluzione delle principali fiumare, orientate generalmente NW-SE, e che da SW a NE sono: Fiumara Condoianni, Fiumara Portigliola, Fiumara Gerace, Fiumara Novito ed il Torrente Torbido. La genesi delle aree collinari è invece strettamente collegata all evoluzione dei torrenti secondari, molto diffusi su tutta l area studiata, ed orientati parallelamente alle fiumare principali

9 Figura 8: Ubicazione del Megalotto del DG Inquadramento e aspetti peculiari del progetto La tipologia di piattaforma stradale per gli assi in progetto è di tipo B extraurbana, prevista dal D.M. 05/11/2001 con intervallo di velocità di progetto da 70 a 120 km/ora ed è costituita, per ogni carreggiata, da due corsie di 3,75 m, affiancate sulla destra da una banchina pavimentata di 1,75 m e sulla sinistra da una banchina pavimentata di 0,50 m. Il tracciato in esame attraversa una morfologia collinare incisa da numerosi corsi d acqua ed è costituito da una successione di opere d arte maggiori piuttosto articolata con alternanze di tratta in sotterrane, viadotti e tratte con scavi a cielo aperto; in particolare è prevista la realizzazione di 5 gallerie naturali su doppia canna per 11 km di scavo in sotterraneo. Le sezioni di scavo misurano mediamente 140 mq e la copertura massima, circa 70 m, la si raggiunge nella galleria Pergola. Di seguito sono riportate le principali caratteristiche del lotto in esame: Utilizzo del dato satellitare in fase di realizzazione dell opera In fase di realizzazione del MaxiLotto DG 22, il telerilevamento satellitare è stato impiegato ad integrazione dei sistemi di monitoraggio tradizionali previsti a presidio dei lavori. I dati satellitari costituiscono uno strumento di indubbia utilità perché consentono di acquisire informazioni sui fenomeni deformativi su un area più ampia di quella coperta dal monitoraggio di progetto e consente di verificare il comportamento de formativo dell area precedente all apertura dei cantieri. L area di studio si sviluppa tra Ardore e Marina di Gioiosa Jonica, lungo il tracciato di progetto di 20 km per un corridoio di larghezza 1km. Per l analisi sono state elaborate 59 immagini radar satellitari - 9 -

10 acquisite sull area di interesse dal sensore RADARSAT-1 dell Agenzia Spaziale Canadese (CSA) nel periodo Giugno 2006 Dicembre L elaborazione ha consentito di individuare punti di misura evidenziando sia gli spostamenti indotti dalle operazioni di scavo (Figura 9 e Figura 10) sia aree soggette a movimenti pre-esistenti l inizio del cantiere (Figura 11 Figura 12). Figura 9: dettaglio dell analisi sulla SS 106 "Jonica" Maxilotto DG-22. in figura sono visualizzate le velocità [mm/anno] dei punti individuati al suolo nell arco temporale Nell area di cantiere si evidenziamo moti correlati alle operazioni di scavo (Figura 10). Figura 10: Esempio di serie storica di spostamento di un punto individuato da satellite. Il cedimento registrato risulta correlato alle operazioni di scavo. Per tutte le sette gallerie previste nella tratta Ardore Gioiosa Jonica sono state fornite delle tavole di dettaglio con visualizzati i punti di misura individuati da satellite e relative serie storiche come riportato in Figura 11 e Figura

11 Figura 11: Galleria Trigoni, dettaglio del risultato dell analisi satellitare. Figura 12: Esempio di serie storica di spostamento di un punto in prossimità del tracciato. L elaborazione effettuata sull area ha permesso di ottenere informazioni quantitative sugli spostamenti avvenuti nell area di interesse nell arco temporale e senza alcuna installazione di strumentazione in sito. In generale i risultati dell analisi SqueeSAR mostrano una complementarietà con le misure locali presenti in situ, integrando la densità dei punti di misura e fornendo informazioni temporalmente antecedenti all inizio dei lavori di cantiere. Peculiarità delle tecniche di telerilevamento è anche quella di offrire una visione sinottica dei fenomeni in atto con misure omogenee su vaste aree, grazie alla quale è possibile evidenziare la presenza di movimenti anche su strutture esterne all area del cantiere stesso. 4 Conclusioni 5 Bibliografia Ferretti A., Prati C., Rocca F. (2001a). Permanent Scatterers in SAR Interferometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 39, NO. 1, January 2001, Pages Ferretti A., Colesanti C., Prati C., Rocca F. (2001b). Comparing GPS, Optical Levelling and Permanent

12 Scatterers. Proceed-ings of the IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IGAARS 2001, Sydney (Australia), 9-13 July 2001, VOL. 6, Pages Ferretti A., Fumagalli A., Novali F., Prati C., Rocca F., Rucci A. (2010). A new algorithm for processing interferometric data-stacks: SqueeSAR. Submitted to IEEE Trans. on Geoscience and Remote. Pigorini A., Ricci M., Sciotti A., Giannico C., Tamburini A La tecnica PSInSAR di telerilevamento satellitare applicata al progetto ed alla realizzazione delle infrastrutture ferroviarie. Ingegneria Ferroviaria anno LXV Ottobre 2010 (10) pag 729 Pigorini A., Ricci M., Sciotti A., Giannico C., Tamburini A La tecnica SqueeSAR di telerilevamento satellitare applicata al progetto ed alla realizzazione delle infrastrutture ferroviarie. Gallerie e Grandi Opere in Sotterraneo n.104 Dicembre 2012 pag