INTERFEROMETRIA SAR BASATA A TERRA PER IL CONTROLLO DELLA INSTABILITÀ DEI VERSANTI: IL CASO DELLA FRANA DEL TESSINA RIASSUNTO I metodi di monitoraggio tradizionale (es.teodolite) fanno uso di sensori ottici che permettano usualmente di controllare il movimento di pochi punti sul fronte di frana. Inoltre tali sistemi richiedono di dover accedere al sito per poter installare i punti di riferimento sul fronte, operazione non sempre possibile. Tali inconvenienti potrebbero essere potenzialmente superati facendo uso di Sistemi radar ad Apertura Sintetica (SAR) basati su piattaforma satellitare o, come proposto recentemente, basati a terra. Un sistema basato a terra, grazie alla possibilità di poter acquisire diverse immagini al giorno, può ridurre molto la classica decorrelazione temporale tipica dei sistemi satellitari e quindi migliorare l accuratezza della misura dello spostamento registrata. Analogamente può essere fortemente ridotta la decorrelazione spaziale, grazie alla possibilità di acquisire immagini con la stessa geometria di vista (baseline nulla). Tale possibilità consente inoltre di semplificare l elaborazione e di fornire immagini in tempo reale. In questo lavoro sono riportati i risultati di una campagna di monitoraggio della frana del Tessina (BL), eseguita con un sistema radar ad onda continua a passi di frequenza operante in banda C, sviluppato in IDS in collaborazione con il Laboratorio Tecnologie per i Beni Culturali dell Università degli Studi di Firenze. Le misure hanno permesso di verificare l elevata sensibilità ed affidabilità dello strumento nel controllo della instabilità dei versanti. I primi confronti con misure convenzionali (teodolite) hanno confermato l opportunità di osservare con continuità i movimenti della frana. Attualmente IDS, ancora con la collaborazione dell Università degli Studi di Firenze, sta completando lo sviluppo di un nuovo sistema SAR interferometrico basato a terra operante in banda Ku (17 GHz) progettato in modo da essere impiegato sia nel controllo delle frane, sia nel controllo della stabilità statica e dinamica di grandi strutture architettoniche. Il sistema sarà in grado di accrescere le prestazioni dell attuale prototipo qui presentato, in termini di velocità di acquisizione ed accuratezza della misura, oltre a migliorare le condizioni operative di impiego. Si prevede che il sistema potrà essere commercializzato a partire dalla metà dell anno 2005. ABSTRACT In questo lavoro sono riportati i risultati di una campagna di monitoraggio della frana del Tessina (BL), eseguita con un sistema radar ad onda continua a passi di frequenza operante in banda C, sviluppato in IDS in collaborazione con il Laboratorio Tecnologie per i Beni Culturali dell Università degli Studi di Firenze. Le misure hanno permesso di verificare l elevata sensibilità ed affidabilità dello strumento nel controllo della instabilità dei versanti. I primi confronti con misure convenzionali (teodolite) hanno confermato l opportunità di osservare con continuità i movimenti della frana. Gianpaolo Pinelli Massimiliano Pieraccini Ingegneria dei Sistemi (IDS) S.p.A Università degli Studi di Firenze Via Livornese 1019-56010 Pisa (Italy) Via Santa Marta 3 50139 Firenze Tel.+39 50 3124262 Tel.+39 55 4796273 E-mail: g.pinelli@ids-spa.it E-mail: pieraccini@det.unifi.it
1. INTRODUZIONE Il rischio geologico connesso alla instabilità dei versanti può essere valutato monitorando gi movimenti del terreno causati da fenomeni franosi. I metodi di monitoraggio tradizionale (es.teodolite) fanno uso di sensori ottici che permettano usualmente di controllare il movimento di pochi punti sul fronte di frana. Inoltre tali sistemi richiedono di dover accedere al sito per poter installare i punti di riferimento sul fronte, operazione non sempre possibile. Infine essi richiedono di dover ripristinare tali punti in occasione di discesa in seguito al fenomeno franoso. Tecniche radar ad elevata risoluzione si sono recentemente imposte come metodi di monitoraggio in grado di superare tali inconvenienti, senza pregiudicare precisione ed accuratezza della misura. Sistemi radar ad apertura sintetica (SAR) basati su piattaforma satellitare si sono posti all attenzione della comunità scientifica come mezzi per monitorare spostamenti del terreno causati da terremoti, attività vulcanica e subsidenze. Facendo riferimento alle frane, sistemi SAR satellitari potrebbero potenzialmente essere degli strumenti di monitoraggio potenti, in grado di osservare aree molto estese come siti remoti senza istallazioni ed impiego di personale a terra. In effetti, le applicazioni di maggiore successo di immagini prodotte da sensori satellitari per il monitoraggio delle frane sono state realizzate usando coppie di immagini acquisite con limitata separazione temporale mediante il sistema tandem European Remote Sensing Satellite (ERS1/ERS2). Purtroppo, immagini idonee per l applicazione proposta sono risultate di difficile reperimento. Recentemente sono stati invece proposti sistemi radar basati a terra con capacità SAR e SAR interferometrica, in grado di ridurre molte delle problematiche connesse all uso di immagini telerilevate da satellite. Un sistema basato a terra, grazie alla possibilità di poter acquisire diverse immagini al giorno, può ridurre molto la classica decorrelazione temporale tipica dei sistemi satellitari e quindi migliorare l accuratezza della misura dello spostamento registrata. Analogamente può essere fortemente ridotta la decorrelazione spaziale, grazie alla possibilità di acquisire immagini con la stessa geometria di vista (baseline nulla). Tale possibilità consente inoltre di semplificare l elaborazione e di fornire immagini in tempo reale. D altra parte, un installazione basata a terra ha diversi svantaggi rispetto al sensore satellitare, il più rilevante dei quali è la necessità di trovare un sito idoneo alla esecuzione della misura. Inoltre, il sito dovrebbe essere selezionato in modo che la componente del movimento lungo la linea di vista non sia troppo piccolo e quindi possa essere rivelato. Un altra rilevante limitazione della tecnica è che l area che un installazione basata a terra può monitorare è piuttosto limitata e tipicamente copre una singola frana, mentre un sensore satellitare è potenzialmente in grado di monitorare un area molto vasta. Questo lavoro riporta i risultati ottenuti usando un sistema SAR basato a terra installato per monitorare la frane del Tessina. 2. LA STRUMENTAZIONE RADAR Per il monitoraggio della frana del Tessina è stato impiegato un radar ad onda continua a passi di frequenza operante in banda C (vedi Figura 1), sviluppato da IDS in collaborazione con il Laboratorio Tecnologie per i Beni Culturali dell Università degli Studi di Firenze. Il prototipo, costruito interamente con strumentazione da laboratorio, è costituito da un analizzatore di rete vettoriale (VNA modello HP8753D) che ha la funzione di generare e ricevere il segnale a microonde, da una coppia di antenne da un sistema di scansione meccanica per effettuare la movimentazione necessaria ad effettuare la sintesi SAR ed infine da un personal computer che controlla le fasi di movimentazione, acquisizione e
memorizzazione del dato. Una parte del segnale trasmesso è prelevata in prossimità dell antenna e riportata all ingresso di riferimento del VNA per il controllo della stabilità di fase. Per eseguire la sintesi SAR il front-end costituito dalle due antenne ricetrasmittenti e da altri componenti a microonde è posto sul carrello di un sistema di movimentazione: si tratta di un binario rettilineo di lunghezza di circa 3 metri che può essere controllato da personal computer ed impostato per eseguire scansioni con passo variabile a seconda delle condizioni di misura. La scelta dei parametri radar, passo, banda, numero di punti in frequenza, determina risoluzioni spaziali ed estensione della regione in cui non si ha ambiguità nell osservazione. Il sistema di movimentazione viene fissato saldamente a terra per avere la stabilità necessari onde evitare spostamenti che comporterebbero errori sistematici sulla misura dello spostamento effettivo dello scenario osservato. E necessario dunque posizionare il binario su una zona esterna all area di frana, non soggetta a movimenti del terreno e su una superficie rigida o comunque in genere su una base in cemento realizzata all uopo. Il sistema di misura è poi completato dalla presenza di una stazione che rileva i principali parametri meteorologici del sito, necessari per eseguire alcune compensazioni in fase di post processing. Il software è stato realizzato in ambiente LabVIEW e prevede una sezione per il definizione dei parametri operativi ed il controllo del sistema, che funziona del tutto automaticamente e senza la necessità di un operatore; è presente anche una sezione di elaborazione on-line del dato acquisito per avere una prima sommaria idea della qualità della misura e del comportamento dello scenario osservato. Figura 1- Schema di principio del sistema radar 3. L INTERFEROMETRIA SAR L applicazione proposta si basa sulla applicazione della interferometria SAR (InSAR), tecnica sviluppatasi a partire dalla fine degli anni 80 per applicazioni satellitari, e recentemente applicata anche ad installazioni radar basate a terra. La tecnica InSAR si basa sulla combinazione coerente (modulo e fase) di immagini SAR (Synthetic Aperture Radar) radar ad elevata risoluzione dello stesso scenario, acquisite ad istanti successivi, espresse nelle coordinate naturali del radar (range o distanza lungo la linea di vista e cross-range o distanza lungo la direzione di spostamento delle antenne sul binario orizzontale). La risoluzione spaziale dell immagine è in generale differente nelle due direzioni: in range dipende linearmenre dalla larghezza di banda del segnale trasmesso ed è indipendente dalla distanza del sito di misura mentre quella in cross-range, sfruttando il principio SAR che permette di sintetizzare un antenna radar di grandi dimensioni disponendo in realtà di piccole antenne fisiche, dipende dalla dimensione della scansione orizzontale delle antenne (larghezza apertura) e decresce all aumentare della distanza del sito di misura. La combinazione coerente di distinte immagini SAR permette di ricavare informazioni sulla quota della superficie illuminata, utile ad esempio per ricavare
un modello digitale di elevazione (DEM) della superficie. Una specializzazione della tecnica è costituita dalla Interferometria SAR Differenziale (D-InSAR) in grado di ricavare variazioni della quota (spostamenti) intervenuti sulla superficie nell intervallo di tempo intercorso tra due distinte e successive acquisizioni. L interferometria SAR basata a terra (GB D- InSAR), sfruttando la possibilità di acquisire le successive immagini con la stessa identica geometria di acquisizione (baseline nulla) e con bassi tempi di rivisita, facilita la possibilità di ottenere mappe degli spostamenti ad elevate prestazioni. In tal caso lo spostamento dsn misurato nel generico punto n dell immagine è legato allo sfasamento d registrato mediante la relazione: Equazione 1- Misura di spostamento dove c è la velocità di propagazione dell onda elettromagnetica, f c è la frequenza centrale del segnale trasmesso mentre n è l angolo tra la direzione dello spostamento effettivo e la direzione della linea che congiunge il punto n con il centro della scansione meccanica. L accuratezza della misura di spostamento dipende dal coefficiente di correlazione complesso o coerenza delle immagini componenti, dipendente da diversi fattori quali l instabilità meccanica, il rumore di fase del sistema, le proprietà dielettriche del mezzo in cui si propaga il segnale (atmosfera) o anche le caratteristiche della superficie e del volume dello stesso diffusore. 4. RISULTATI E DISCUSSIONE Il sistema SAR interferometrico basato a terra è stato applicato al monitoraggio della frana del Tessina (BL), più volte esposta all attenzione degli Enti proposti alla sicurezza dei centri abitati limitrofi in concomitanza con eventi precipitativi di grande intensità. Il corpo di frana è ubicato nel comune di Chies d Alpago in provincia di Belluno, e si sviluppa nella valle del torrente Tessina ad una quota massima di circa 1220 metri sino ad un livello di circa 600 metri sul livello del mare. Ha un estensione longitudinale di quasi 3 km ed una larghezza massima di 500 metri. La frana trasporta principalmente sedimentazioni di Flych, costituite da marna e rocce calcaree, con uno spessore totale che va dai 1000 ai 1200 metri. Da un punto di vista geo-morfologico la frana del Tessina è costituita da una sorgente affetta da movimenti roto-traslatori e con materiale fangoso che si deposita in una grande area piana e che genera la zona di accumulazione più alta. Da questo punto, attraverso uno stretto e ripido canale, il materiale fluisce verso valle passando vicino ai paesi di Funes e Lamosano. I primi movimenti franosi in tale zona si sono riscontrati sin dai primi anni 60. Nel periodo compreso tra l Aprile ed il Giugno 92, la riattivazione dei movimenti franosi ha comportato inizialmente un alto rischio per i paesi di Lamosano e Funes, provocandone l evacuazione temporanea. A seguito di tali eventi la frana del Tessina è tenuta costantemente sotto osservazione. La velocità media in condizioni meteo climatiche analoghe a quelle in cui sono state effettuate le misure radar interferometriche è di circa 2,5 cm/h. La tecnica proposta è stata sottoposta a validazione avvalendoci di alcune misure puntuali convenzionali degli spostamenti del terreno, effettuate attraverso l impiego di strumenti convenzionali (teodolite+distanziometro).
Figura 2 Collocazione geografica del sito sottoposto a sperimentazione La campagna di misura è stata realizzata tra il 1 ed il 9 Giugno del 2004. Il primo giorno è stato dedicato all istallazione del sistema radar e di due sensori di temperatura ed umidità dell aria, utili per la stima della propagazione radar. La Figura 3 mostra una vista della istallazione radar. Il binario è stato montato su un basamento di cemento, mentre l apparecchiatura elettronica è stata alloggiata all interno di un locale entrambi pre-esistenti appositamente realizzati per il monitoraggio dell area in esame. La direzione del binario approssimativamente (± 15 ) è da SE a NW. Figura 3 Postazione di misura I parametri utilizzati per l acquisizione radar sono riportati in Tabella 1, e permettano di ottenere immagini SAR della superficie con risoluzione in range di 2.4m ed in cross-range di 7.81m. La griglia di focalizzazione utilizzata è tale da generare immagini della estensione di 800m in crossrange e 1000m in range.
Tabella 1- Parametri di misura Le immagini SAR costituiscono la base da cui estrarre le informazioni desiderate ovvero: immagini di potenza, mappe di coerenza e soprattutto mappe di spostamento. Un primo controllo sulla misura è dato dalla disponibilità di un segnale radar la cui immagine di potenza evidenzia correttamente le zone ad alta a bassa riflettività: queste ultime in genere sono zone scarsamente vegetate o aree asciutte con bassa rugosità della superficie. Si possono estrarre informazioni riguardo la qualità dell acquisizione radar considerando come elemento di qualità la possibilità di confrontare almeno sommariamente l immagine radar e immagine ottica dello scenario. In figura Figura 4 e Figura 5 sono presentate rispettivamente l immagine di potenza ed una foto dello scenario oggetto della misura: si noti comunque come la semplice proiezione piana dell immagine SAR sia difficilmente riferibile alla corrispondente immagine ottica. Figura 4 Immagine di potenza dello scenario osservato
Figura 5 Foto dello scenario visto dalla postazione radar Si noti che fino ad una distanza di 100m, il segnale è debole (zona piana e vegetata). Sono inoltre ben visibili sia il corner reflector attivo con coordinate (-187,760) sia il corner reflector passivo con coordinate (23,720). Si tratta di due diffusori simili usati per aiutare l interpretazione dell immagine radar. Il primo, passivo, si basa semplicemente su una geometria ed un materiale (metallo) che ne massimizza le caratteristiche di retrodiffusione indipendentemente dalla orientazione. Il secondo invece costituisce un apparato ricetrasmittente che consente di ottenere valori di potenza retrodiffusa molto elevati anche a grandi distanze. Prima di rappresentare e discutere le immagini interferometriche è necessario valutare la mappa di coerenza come indicatore della rappresentatività statistica della fase misurata. La coerenza, infatti, fornisce una stima dell errore da cui è affetta la misura radar. In Figura 6 è rappresentata la mappa di coerenza temporale ottenuta con i dati relativi alle immagini radar dal 05-06-2004 al 09-06-2004 con segnati i punti relativi alla posizione di alcune mire ottiche di cui verrà fatto uso per il confronto di dati interferometrici in seguito. Si evidenziano chiaramente in questa mappa le zone in cui ha la coerenza supera 0.6, un valore suggerito in diversi lavori come minimo per una stima adeguata della fase interferometrica. Per potere eseguire un analisi interferometrica dei movimenti che fosse significativa è stata dunque applicata una maschera di coerenza agli interferogrammi generati, in maniera tale da prendere in considerazione nell analisi solo le aree caratterizzate da un segnale sufficientemente stabile. Considerando dunque un valore adeguato di coerenza superiore a circa 0.6, si noti come l area coerente è ampia e confinata soprattutto all area di frana.
Figura 6 Mappa di coerenza, periodo 05/06/04 08/06/04 La Figura 7 mostra la mappa dello spostamento misurato sulla superficie in intervallo di circa 28h. Tale mappa rappresenta la deformazione pixel per pixel misurati secondo la linea di vista del radar. Con riferimento alla scala utilizzata va considerato che le aree in nero rappresentano zone con una bassa qualità del segnale (basso valore di coerenza) in cui non è possibile valutare lo spostamento. Gli spostamenti in avvicinamento (negativi), sono rappresentati in azzurro, mentre gli spostamenti in allontanamento (positivi) sono rappresentati in giallo. Si può notare uno spostamento nella zona centrale della frana di circa 500 mm. Considerando che la frana ha una velocità media in questo periodo di circa 2-3cm/h, misurato con tecniche convenzionali, questo dato pur preliminare è consistente con la realtà osservata. La correlazione dello spostamento con la superficie analizzata potrà avvenire proiettando i valori di deformazione su un modello digitale topografico della stessa superficie. La Figura 9 mostra la mappa degli spostamenti, valutata in arco temporale di circa 4h, proiettata sulla carta topografica digitale del sito fornita dal CNR-IRPI di Padova. Per rendere immediata l associazione delle zone dove è presente lo spostamento e la zona di frana, la stessa mappa di deformazione è riportata nella Figura 9 su DEM.
Figura 7 Mappa degli spostamenti, relativi ad intervallo di deformazione di circa 28h Figura 8 Mappa della deformazione proiettata su carta topografica. Periodo di osservazione di circa 4 ore e dieci minuti (06/06/2004 17.48-07/06/2004 22.02)
Figura 9 Mappa della deformazione proiettata su DEM. Periodo di osservazione di circa 4 ore e dieci minuti (06/06/2004 17.48-07/06/2004 22.02) Come detto in precedenza, alla misura interferometrica è stata affiancata la misura dello spostamento di alcuni punti (mire) dello scenario monitorato. Utilizzando un distanziometro sono stati determinati i loro spostamenti, mentre le loro coordinate sono state trovate utilizzando un teodolite. Nel seguito si elaborano i dati cercando di determinare gli spostamenti dei punti in frana che corrispondono alle mire. In tal modo possiamo fare il confronto tra gli spostamenti determinati con il teodolite e con l interferometria radar. Per prima cosa si riportano i punti sull immagine radar, determinando le coordinate di tali punti nel sistema di riferimento del radar. Il secondo passo consiste nel determinare quali sono i punti su cui è possibile effettuare il confronto. Per selezionare i punti con elevata coerenza temporale, è bastato riportare i punti sull immagine di coerenza (vedi Figura 6) dalla quale è possibile dedurre che i punti su cui si può effettuare il confronto sono: P1 (CR attivo), P2 (CR passivo), P9, P10, P17. La Figura 10 mostra il confronto tra spostamenti misurati con interferometria radar e con teodolite per il punto P2: si può osservare come in uno stesso intervallo di tempo sia stato misurato lo stesso spostamento. Analoghi risultati sono stati ottenuti per gli altri punti di controllo.. Figura 10 Confronto tra spostamenti misurati con radar e con teodolite, punto di controllo P2 5. CONCLUSIONI Il lavoro ha presentato il risultato dell applicazione del sistema SAR interferometrico sviluppato da IDS in collaborazione con l Università degli Studi di Firenze alla frane del Tessina (BL). Le misure hanno permesso di verificare l elevata sensibilità ed affidabilità dello strumento nel controllo della instabilità
dei versanti. Primi confronti con misure convenzionali (teodolite) hanno confermato l opportunità di osservare con continuità i movimenti della frana. Al momento IDS, in collaborazione con l Università degli Studi di Firenze, sta completando lo sviluppo di un nuovo sistema SAR interferometrico basato a terra operante in banda Ku (17 GHz) progettato in modo da poter essere impiegato sia nel controllo della instabilità dei versanti, sia nel controllo della stabilità statica e dinamica di grandi strutture architettoniche. Il sistema sarà in grado di accrescere le prestazioni dell attuale prototipo qui presentato, in termini di velocità di acquisizione ed accuratezza della misura, oltre a migliorare le condizioni operative di impiego. Si prevede che il sistema potrà essere commercializzato a partire dalla metà del 2005.