WHERE World HEritage monitoring by Remote sensing

WHERE World HEritage monitoring by Remote sensing L Osservazione della Terra a salvaguardia dei Beni Culturali Modulo Interferometrico Maria Marsella, Silvia Scifoni, Marianna Scutti, Alberico Sonnessa Survey Lab srl Via Eudossiana 18 - Facoltà di Ingegneria - Roma

1 Background of the company projects on DInSAR analysis to study subsidence in the urban area of Roma consolidated experience in conducting 3D surveying and modeling of the effects of ground deformation induced by unstable slopes, volcanic areas, settlements due to natural phenomena and excavation works establishing and surveying and reference and monitoring networks both for controlling structures and large infrastructure) development of GIS tools for management and monitoring large infrastructural network The milestone in the field of geomatic applications to of Archeological site surveying and monitoring are: World HEritage monitoring by Remote sensing (WHERE) funded by ASI and focused on the integration of different remote sensing technics for developing a monitoring web-service for UNESCO sites and Cultural Heritage in urban areas; international project for the landslide hazard assessment, monitoring and conservation of Vardzia Byzantine monastery complex, Georgia; Cultural Heritage monitoring for excavation site, the assessment of the conservation and structural stability of the remains (Metro C, Soprintendenza comune di Roma, Provincia di Roma)

2 A list of selected publications in the research field relevant to the proposal is provided: Arangio S, Di Mauro M, Marsella M, Sonnessa A, Manunta M 2012 Assessment of structural damage due to ground settlements by using the DInSAR technique Proc of the 3rd International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering, IALCCE 2012 (Vienna, 3-6 Oct 2012) eds Strauss, Frangopol & Bergmeister Eds pp 1897-1904 Arangio S, Calo F, Di Mauro M, Bonano M, Marsella M, Manunta M (2013) An application of the SBAS-DInSAR technique for the assessment of structural damage in the city of Rome (Italy) Submt to Structure and Infrastructure Engineering Maintenance, Management, Life-Cycle Design and Performance Taylor & Francis (in press) Ardizzone F, Bonano M, Giocoli A, Lanari R, Marsella M, Pepe A, Perrone A, Piscitelli S, Scifoni S, Scutti M, Solaro 2012 G Analysis of ground deformation using SBAS-DInSAR technique applied to Cosmo-Skymed images, the test case of Rome urban area Proc. SPIE Remote Sensing 2012 Symposium (Edinburgh, UK, 24-27 September) Bonano M, Calò F, Manunta M, Marsella M, 2012b A tool for deformation monitoring in the urban damage assessment Proc of the 3rd International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering, IALCCE 2012 (Vienna, 3-6 Oct 2012) eds Strauss, Frangopol & Bergmeister Eds pp 1897-1904 Bonano, M Manunta, M Marsella, and R Lanari, 2012a, Long-term ERS/ENVISAT deformation time-series generation at full spatial resolution via the extended SBAS technique, Int J Remote Sens, 33, 15, pp 4756-4783, doi:101080/014311612011638340 Marco Corsetti, Maria Marsella, Paolo Paoliani, Manuela Bonano, Michele Manunta (2012). MONITORAGGIO DI UNA DIGA DI TERRA CON LA TECNICA RADAR SATELLITARE. L'ACQUA, p. 31-40, ISSN: 1125-1255 Crespi M, F Giannone, M Marsella, A Sonnessa 2012 Automated geomatic system for monitoring historical buildings during tunneling in Roma, Italy Proc of the 3rd International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering, IALCCE 2012 (Vienna, 3-6 Oct 201) Eds Strauss, Frangopol & Bergmeister Eds pp 1110-1117 ESA-CAT1 N..6550 ERS-ENVISAT full resolution deformation time-series in urban areas: the case of the city of Rome (Italy) https://earth.esa.int/web/guest/pi-community/ Manunta M, Marsella M, Zeni G, Sciotti M, Atzori S, Lanari R, 2008, Two-scale surface deformation analysis using the SBAS-DInSAR technique: a case study of the city of Rome, Italy, International Journal of Remote Sensing, 296, 1665-1684 Zeni, G, Bonano, M, Casu, F, Manunta, M, Manzo, M, Marsella, M, Pepe, A, Lanari, R 2011, Long term deformation analysis of historical buildings through the advanced SBAS-DInSAR technique: the case study of the city of Roma Italy, Journal of Geophysics and Engineering, 8, S1 doi:101088/1742-2132/8/3/s01

3 La tecnica DInSAR (Interferometria SAR Differenziale) Tecnica implementata per misurare l entità e la direzione degli spostamenti della superficie terrestre e degli oggetti illuminati da un antenna radar Sfrutta la differenza di fase tra due immagini SAR complesse (Interferogramma) relative ad un area o un oggetto osservato ottenute elaborando i dati acquisiti con un antenna da 2 punti di vista o in 2 epoche L antenna può essere montata a bordo di satelliti artificiali, aerei o anche a terra per osservare strutture o aree limitate a geometrie favorevoli L acquisizione sistematica è garantita dalle missioni satellitari in corso a partire dal 1992 (dati di archivio e acquisizioni progammate) Cosmo-SkyMed sviluppato dall Agenzia Spaziale Italiana (ASI) operativo dal 2008 tempo di rivisitazione elevato costellazione di 4 satelliti, equipaggiati con SAR a microonde ad alta risoluzione spaziale operante in banda X

4 Obiettivo della tecnica Isolare gli effettivi contributi di fase dovuti al movimento del bersaglio e non imputabili ad altri disturbi per stimare accuratamente la differenza di cammino ottico dell onda elettromagnetica trasmessa in due successive acquisizioni e retrodiffusa dal bersaglio a terra. Il bersaglio è illuminato più volte dal radar in movimento e l immagine è formata da una combinazione coerente di tutte le eco ricevute Differenza di fase dovuta ad uno spostamento di un Persistent Scatterer

Generazione di interferogramma 5 S1 Baseline Dataset per la generazione di serie storiche e mappe di deformazione S2 Per ogni pixel coerente, la generazione della serie storica di deformazione può essere ottenuta combinando opportunamente le informazioni disponibili dai vari interferogrammi

6 Geometria di acquisizione del dato topografia Fase totale dell interferogramma Differenza di fase deformazione SCENARIO INSAR (SINGLE- PASS) OSSERVAZIONI NELLO STESSO ISTANTE MA DA DIVERSE POSIZIONI SCENARIO DINSAR REALE (ALONG TRACK BASELINE) OSSERVAZIONI IN DIVERSI ISTANTI DI TEMPO E POSIZIONI

7 Tecniche utilizzate Le elaborazioni sono state effettuate utilizzando 2 tecniche: SBAS (Small BAseline Subset) PS (Permanent Scatterers) SBAS PS combinazione di interferogrammi a piccola baseline spaziale e temporale mitigando gli effetti di decorrelazione Il massimo intervallo tra due acquisizioni è limitato dalla decorrelazione temporale Modelli parametrici e non parametrici degli spostamenti Combinazione di interferogrammi senza vincoli sulla baseline Il massimo intervallo tra due acquisizioni è limitato dalla velocità di spostamento Modelli lineari

Processing chain architecture 8 Mappa di coerenza La catena di processamento include i seguenti step: Generazione di interferogramma: le immagini SAR e il DEM sono utilizzati come input; l output è costituito dalle immagini coregistrate; Generazione di mappe di coerenza; Phase unwrapping; Mappa di spostamento Conversione dell informazione di fase in spostamento e geocodifica Mappa delle velocità medie e serie storiche

Monitoraggio delle deformazioni del terreno TEST CASE Centro storico di Roma TEST CASE I Sassi e il Antica parco delle chiese rupestri di Matera TEST CASE Ostia 9

Monitoraggio deformazioni Roma 10 Mappa della velocità media (09/06/2011-01/10/2012) Mappa di coerenza Istogramma della coerenza Average velocity mm/y -24 - -15-15 - -12-12- -9-9 - -6-6 - -3-3 - -1-1 - 1 1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-24

11 Monitoraggio Centro storico di Roma AREA ARCHEOLOGICA (PALATINO) Capanne del palatino Terme di Massenzio Chiesa di Bonaventura Chiesa di San Sebastiano Terme del foro Average velocity mm/y -24 - -15-15 - -12-12- -9-9 - -6-6 - -3-3 - -1-1 - 1 1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-24

Creazione Database Beni archeologici 12

Monitoraggio deformazioni Centro storico di Roma 13 PALATINO Terme del foro Chiesa di S. Bonaventura Velocità (coeff. Ang) = -1.8 R 2 = 0.3354 Velocità (coeff. Ang) = -2.74 R 2 = 0.5228

14 Affidabilità dei risultati Descrizione affidabilità della stima della velocità media calcolata dal processore e del livello di rumore Parametri A 1 A 2 Valori v/coeff ang R 2 TEST(ok) A1 A2 1 1 CLASSE A1 A2 1 0.75-1 0.75-1 2 0.50-0.75 0.50-0.75 3 0.25-0.50 0.25-0.50 4 0-0.25 0-0.25 TEST( parzialmente ok) A1 A2 3 2 Velocità = -3.8 Velocità (coeff angolare) = -3.7 R 2 = 0.97 Velocità = -1.27 Velocità (coeff angolare) = -2.74 R 2 = 0.5228

Monitoraggio deformazioni Ostia Antica 15 Mappa della velocità media 09/06/2011-01/10/2012 Mappa di coerenza Istogramma della coerenza Average velocity mm/y -24 - -15-15 - -12-12- -9-9 - -6-6 - -3-3 - -1-1 - 1 1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-24

16 Monitoraggio deformazioni Ostia Antica TERME DEL FORO Average velocity mm/y -24 - -15-15 - -12-12- -9-9 - -6-6 - -3-3 - -1-1 - 1 1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-24 Velocità (coeff. A\ng) = 0.92 mm/anno R 2 =0.11

Monitoraggio deformazioni Sassi e parco delle chiese rupestri di Matera 17 Mappa delle velocità medie 19/05/2011-24/07/2012 Average velocity mm/y -24 - -15-15 - -12-12- -9-9 - -6-6 - -3-3 - -1-1 - 1 1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-24

18 Monitoraggio deformazioni Sassi e parco delle chiese rupestri di Matera Average velocity mm/y -24 - -15-15 - -12-12- -9-9 - -6-6 - -3-3 - -1-1 - 1 1-3 3-6 6-9 9-12 12-15 15-24 Velocità (coeff. Ang) = -0.3 R2 = 0.1