Interferogram Stacking

Interferogram stacking: tali tecniche si basano sulla combinazione delle informazioni di fase

derivanti dall‟analisi di interferogrammi generati dalla combinazione di tutte le acquisizioni disponibili sull‟area di interesse (master multiple) caratterizzate da bassi valori di baseline spaziale (es. < 200-300 m).

Al contrario delle tecniche PSI, questi approcci sfruttano i segnali derivanti dall‟integrazione di più celle adiacenti e mediante un‟operazione di complex multi-looking combinano e connettono la serie temporale dei valori di fase legate alle deformazioni della superficie indagata. Tali tecniche, riducono gli effetti di decorrelazione, massimizzando il numero di pixel impiegati per la combinazione dei contributi di fase e migliorando conseguentemente il rapporto segnale rumore, SNR (Signal-to-Noise Ratio).

Esempi di tecniche appartenenti a questa categoria sono la SBAS e la CPT.

SBAS

L‟algoritmo Small Baseline Subset (SBAS), sviluppato dal gruppo di ricerca del CNR-IREA di Napoli, è basato sulla selezione di pixel coerenti da interferogrammi a bassa baseline, utilizzati per limitare i problemi di decorrelazione spaziale del segnale, e sull‟applicazione del metodo della Singular Value Decomposition (SVD) per connettere dataset di immagini SAR separati da grandi baseline (Berardino et al., 2002; Fig. 30).

L‟algoritmo si basa sulla generazione di interferogrammi ottenuti a partire da dati acquisiti da orbite sufficientemente vicine (piccole baseline normale) e con tempi di rivisitazione non elevati (piccole baseline temporali). Queste caratteristiche consentono di minimizzare gli effetti di rumore e incrementare di conseguenza il numero di punti per unità di area sui quali si riesce a fornire una misura affidabile della deformazione.

Fig. 30 - Analisi delle deformazioni in prossimità del Vesuvio, nel periodo compreso tra il 1992 e il 2002. Esempi di serie storiche di deformazione di alcuni punti (Berardino et al., 2002).

Sono stati inoltre sviluppati alcuni algoritmi di filtraggio del rumore dovuto ai disturbi atmosferici basati sulle differenze di comportamento del contributo di fase atmosferica e quello legato alle deformazioni. Il contributo atmosferico presenta un certo grado di correlazione spaziale ma risulta decorrelato su intervalli temporali dell'ordine di qualche giorno, viceversa, il segnale di deformazione (segnale utile) risulta essere correlato sia nello spazio, sia nel tempo.

L‟approccio SBAS permette inoltre di superare le problematiche legate all‟integrazione tra dati ERS1/2 e dati ENVISAT, causate dallo shift nella frequenza centrale esistente tra i due satelliti che non permette di ottenere interferogrammi coerenti incrociando i loro dati (Pepe et al., 2005).

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La tecnica SBAS è stata applicata in vari casi, sia alle deformazioni del suolo indotte da attività vulcanica, come nel caso dell‟area vesuviana (Berardino et al., 2002; Fig. 30) e nel caso del Monte Etna (Lundgren et al., 2004), sia a fenomeni di subsidenza, come nel bacino di Los Angeles (Lanari et al., 2005).

Uno dei vantaggi principali di questo metodo, legato al criterio di selezione dei pixel utilizzato, è quello di poter essere impiegato anche con un basso numero di immagini. L‟assenza di un numero elevato di acquisizioni SAR è spesso uno dei limiti principali dell‟applicazione dei metodi multi-interferogramma. Tuttavia, l‟utilizzo di valori di coerenza per la selezione dei

pixel sui quali eseguire l‟analisi provoca una diminuzione della risoluzione spaziale del prodotto

finale della tecnica, poiché la coerenza è calcolata su una finestra dalle dimensioni variabili (normalmente 3 x 3 o 5 x 5 pixel). La riduzione della risoluzione spaziale fa sì che sia limitata la possibilità di misurare movimenti locali.

2.4.3 Potenzialità e limiti

Le numerose sperimentazioni che sono state eseguite sia in Italia che all‟estero, hanno permesso di individuare le potenzialità e i limiti delle tecniche multi-interferogramma. Tali approcci, in primo luogo, non richiedono alcun intervento a terra e permettono di studiare ampie porzioni di territorio o zone difficilmente accessibili, con conseguente riduzione dei tempi e dei costi di indagine su larga scala. Essi consentono inoltre di svolgere analisi di fenomeni avvenuti nel passato grazie alla disponibilità degli archivi di immagini SAR costituiti negli ultimi anni dalle varie agenzie spaziali (archivi ERS (1992-2001) ed ENVISAT (2002-oggi) dell‟ESA e archivio RADARSAT-1 (2003-oggi) della CSA, cfr. 2.2) e permettono di studiare fenomeni le cui velocità sono estremamente ridotte (mm/anno) e per i quali le tecniche convenzionali richiederebbero anni prima di poter fornire misure significative.

Le tecniche multi-interferogramma superano le tecniche interferometriche tradizionali poiché permettono di stimare e di rimuovere i contributi atmosferici dalla fase interferometrica, sfruttando lunghe serie temporali di acquisizioni relative alla medesima area. Esse consentono inoltre di ridurre gli effetti della decorrelazione temporale e geometrica, scegliendo dei bersagli radar point-wise, ovvero che mantengono la stessa riflettività nel tempo e al variare della geometria di acquisizione.

Gli approcci multi-interferogramma permettono di effettuare il monitoraggio delle deformazioni del terreno con precisione elevata sul trend di deformazione (precisione nella stima della velocità media fino a 0,1 mm/anno, sulla singola misura spostamento verticale fino a 1 mm e spostamento E-W fino a 1 cm).

In aree a elevata urbanizzazione, la densità spaziale di bersagli radar raggiunge valori molto alti, fino a 400-700 PS/km2, ma anche oltre 1.000 PS/km2 con dati provenienti da sensori ad alta risoluzione, queli TerraSAR-X (cfr. 2.2). Tale densità spaziale di caposaldi è di diversi ordini di grandezza superiore rispetto a quanto ottenibile con reti geodetiche convenzionali e fornisce precisione più elevata (millimetrica) rispetto all‟analisi GPS (centimetrica) nel calcolo degli spostamenti verticali. Inoltre, i bersagli radar sono già presenti sul terreno e, a differenza dei tradizionali strumenti di misura (capisaldi geodetici, GPS, inclinometri), essi non richiedono alcuna istallazione o manutenzione da parte di operatori.

Tali approcci non rappresentano tuttavia uno strumento sostitutivo delle altre tecniche di monitoraggio, bensì si pongono in completa sinergia con esse. L‟integrazione dei dati multi- interferometrici con le misure geodetiche tradizionali e GPS (Tabella 3), permette infatti di sfruttare tutti i loro vantaggi e ottenere una visione più completa sull‟evoluzione dei fenomeni studiati.

L‟uso di immagini radar, e in particolare la loro elaborazione con le tecniche multi- interferogramma, risulta complementare all‟interpretazione di immagini ottiche, infatti, queste ultime forniscono buone informazioni in zone poco urbanizzate dove le forme naturali sono ben visibili e non sconvolte dall‟architettura urbana, al contrario le immagini radar si prestano bene per lo studio delle deformazioni in area urbana, nella quale sono presenti oggetti che ben riflettono il segnale.

2  Immagini SAR satellitari e tecniche di elaborazione

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Dati multi-interferometrici Misure GPS

- misure accurate in direzione verticale - misure accurate in direzione orizzontale - alta densità spaziale - bassa densità spaziale

- aggiornamento mensile - campionamento temporale buono - ottimizzazione del posizionamento delle

stazioni GPS permanenti

- rimozione degli errori sistematici nei risultati della tecnica PS. Calibrazione dei dati - misure di spostamento lungo la LOS - campo di spostamento 3D

Tabella 3 - Le caratteristiche delle misure multi-interferometriche in relazione a quelle delle misure GPS, dimostrano che le due tecniche sono complementari(TRE,2008a).

Il limite principale delle tecniche multi-interferometriche, come per l‟interferometria SAR convenzionale, è quello della possibilità di apprezzare la deformazione solo lungo la direzione della linea di vista (LOS) e non l‟intero vettore spostamento.

A differenza delle analisi interferometriche per coppie di immagini, le analisi multi- interferometriche richiedono un carico computazionale molto elevato e la disponibilità di lunghi

datastack di immagini radar (almeno 20-30 acquisizioni) per l‟individuazione dei bersagli

nell‟area di studio.

I fenomeni a evoluzione rapida sono difficilmente monitorabili, infatti, se le deformazioni superano la velocità di 1,4 cm/35 giorni (per i satelliti ERS ed ENVISAT dell‟ESA), gli eventi non possono essere monitorati senza informazioni ausiliarie provenienti da altra strumentazione e si possono generare problemi durante la fase di phase unwrapping, e conseguenti fraintendimenti delle reali deformazioni avvenute nell‟area di interesse. Questo limite è legato ai parametri di acquisizione del sensore e in particolare alla lunghezza d‟onda utilizzata. Gli spostamenti vengono infatti misurati in termini di frazione della lunghezza d‟onda e lo spostamento massimo stimabile correttamente dalla tecnica è di λ/4 in allontanamento o avvicinamento al sensore. Analogamente a quanto accade per la tecnica DInSAR tradizionale, le tecniche multi-interferometriche consentono di valutare con precisione millimetrica variazioni di distanza sensore-bersaglio pari a una frazione della lunghezza d‟onda, ma spostamenti di diversi centimetri vengono equivocati (cfr. 2.3).

A causa delle caratteristiche intrinseche delle informazioni ottenute per mezzo delle analisi multi-interferometriche, quali la misura della componente di deformazione soltanto lungo la linea di vista, la possibilità di misurare solo movimenti superficiali e l‟informazione puntuale non distribuita nello spazio, è necessario affiancare le misure satellitari con metodi tradizionali e una serie di dati ancillari di supporto.

Se la zona di interesse è molto vegetata o possiede orografia particolarmente accentuata, la densità di bersagli radar presenti sul territorio può essere estremamente bassa o addirittura insufficiente per comprendere le dinamiche in atto. In questi casi occorre istallare sul terreno i riflettori artificiali (corner reflectors), che consistono in strutture metalliche che grazie alle caratteristiche costruttive si comportano da caposaldi radar (Fig. 31). I riflettori artificiali sono manufatti metallici di tipo passivo (privi di alimentazione con corrente elettrica) che non richiedono una particolare manutenzione, e che in seguito al momento dell‟installazione possono essere identificati e monitorati nelle immagini SAR (Fig. 31), tra i quali:

- lo specchio piano (planar), una lastra quadrata di lato 120 cm, adatto a una collocazione in ambiente urbano;

- il dietro, composto da due superfici metalliche quadrate di lato 100 cm, disposte a 90°; - il triedro: corner (un triedro cavo triangolare realizzato combinando tre superfici metalliche

in modo da formare una piramide a base triangolare e lato pari a circa 170 cm) o il triedro cubo (tre lastre quadrate di lato 170 cm perpendicolari tra loro), adatti a installazioni in aree extra-urbane.

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Fig. 31 - Riflettori artificiali: specchio, diedro, triedro e triedro cubo (TRE, 2008b).

L‟ESA ha recentemente finanziato un progetto denominato PSIC4 (PS Interferometry Codes

Cross Comparison and Certification for Long Term Differential Interferometry) e finalizzato al

confronto tra le varie metodologie multi-interferogramma sviluppate negli ultimi anni. Il progetto PSIC4, ha previsto l‟analisi mediante i diversi approcci multi-interferogramma di uno stesso dataset di immagini SAR su un test-site di riferimento sul quale sono disponibili dati di monitoraggio in situ. Scopo del progetto è stato quello di definire uno standard nell‟analisi multi-interferogramma in grado di garantire un livello minimo di qualità dei risultati e valuti le caratteristiche delle misure ottenute, soprattutto in termini di precisione nella stima delle deformazioni e precisione nella geo-locazione delle misure. Un approfondimento relativo ai risultati del progetto può essere effettuato consultandone il report finale, disponibile sul sito http://earth.esa.int/psic4/.

Riassumendo, nella stima delle deformazioni del terreno le tecniche multi-interferogramma presentano le seguenti caratteristiche:

Potenzialità:

- Monitorare il territorio senza entrarvi in contatto diretto;

- Operare con continuità, di giorno e di notte e in qualunque condizione atmosferica; - Monitorare fenomeni di grandi dimensioni;

- Controllo di deformazioni con la precisione del millimetro; - Possibilità di effettuare stime puntuali;

- Capacità di separare i contributi di fase interferometrica (errore DEM, deformazioni, atmosfera);

- Effettuare back monitoring grazie agli archivi di immagini e possibilità di ricostruire serie storiche di deformazione;

- Elevata densità spaziale di capisaldi radar già presenti sul territorio; - Abbattimento costi e tempi di indagine su larga scala;

- Possibilità di stimare deformazioni in direzione verticale ed E-W;

- Sono utilizzabili immagini separate anche da baseline geometrica elevata; - Precisione verticale delle misure superiore rispetto alla tecnica GPS; - Sinergia con fotointerpretazione e tecniche di monitoraggio convenzionali;

- Complementarietà con approccio geologico-geomorfologico per lo studio dei fenomeni di dissesto.

Limiti:

- Capacità di misurare la deformazione soltanto lungo la linea di vista del sensore; - Presenza di deformazioni prospettiche nelle immagini;

- La copertura vegetale riduce la penetrazione del segnale al suolo;

- Impossibilità di stimare la componente di deformazione lungo la direzione N-S; - Misure puntuali non distribuite nello spazio;

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3 A

I

SAR

L‟esperienza ottenuta dalle numerose applicazioni delle tecniche di interferometria SAR satellitare effettuate negli ultimi anni, ha permesso di analizzare criticamente la loro applicabilità al controllo dei dissesti geologici, in relazione alle diverse tipologie, velocità, uso del suolo, scale spaziali e temporali che li caratterizzano.

In generale, i fattori principali che influiscono sull‟identificazione di aree coerenti (per l‟interferometria convenzionale) e bersagli radar (per interferometria multi-immagine) per eseguire misure di deformazione sono:

- deformazioni prospettiche (in relazione all‟orientamento della superficie rispetto alla linea di vista) e presenza di zone d‟ombra;

- materiale di cui è costituito il bersaglio;

- uso del suolo (alte densità di PS si riscontrano in corrispondenza dei centri urbani mentre le aree vegetate o periodicamente innevate/ghiacciate non presentano PS al loro interno poiché la loro rapida variabilità provoca decorrelazione temporale);

- frequenza, polarizzazione e ampiezza del segnale (diversa sensibilità degli oggetti in relazione al loro materiale e alle loro dimensioni);

- cambiamenti nelle proprietà dielettriche del bersaglio (provocano decorrelazione temporale);

- movimento rapido del bersaglio (spostamenti più rapidi di 1 cm /35 giorni, per le immagini ERS o ENVISAT, provocano decorrelazione).

Lo studio a priori di queste caratteristiche nel territorio in esame, può fornire importanti indicazioni, già prima di implementare l‟elaborazione InSAR o PSI, sulla predisposizione delle aree in studio nei confronti dell‟analisi; tuttavia, esso non permette di stabilire con certezza il numero di bersagli identificabili mediante l‟analisi e la loro distribuzione areale.