Tecniche Interferometriche avanzate

Un’evoluzione dell’analisi interferometrica differenziale per lo studio delle deformazioni superficiali è costituita dalle tecniche interferometriche avanzate sviluppate a partire dagli anni ’90. Queste tecniche permettono infatti di contenere i fenomeni di decorrelazione temporale e geometrica e stimare i contributi di fase legati ai cambiamenti subiti dall’atmosfera tra le diverse acquisizioni, permettendo di raggiungere precisioni dell’ordine del mm, anziché del cm.

Le tecniche maggiormente utilizzate in Italia sono quella dei “Permanent Scatterers” (PS-InSAR), messa a punto dal Politecnico di Milano e commercializzata dalla società spin-off Telerilevamento Europa (TRE), e quella dei “Persistent Scatterer Pairs” (PSP-DIFFSAR), sviluppata da e-GEOS, società controllata all’80% da Telespazio e al 20% da ESA. In entrambe le tecniche l’analisi interferometrica non viene più effettuata su due sole immagini, ma su una serie storica costituita da almeno una trentina di immagini e gli effetti di decorrelazione temporale vengono eliminati selezionando solo i bersagli radar che presentano una firma elettromagnetica particolarmente stabile durante tutto l’intervallo temporale di analisi (PS), ovvero non affetti da decorrelazione temporale. I contributi di fase legati ai fenomeni di decorrelazione geometrica e agli effetti atmosferici vengono invece stimati applicando particolari algoritmi, come nel caso della tecnica PS del Politecnico di Milano, oppure operando in modo differenziale tra coppie di PS vicini, come nel caso della tecnica PSP di e-GEOS.

Indipendentemente dagli algoritmi utilizzati per l’individuazione dei diversi contributi di fase, entrambe le tecniche di elaborazione consistono, in estrema sintesi, nel processare una serie multitemporale di immagini radar acquisite dal satellite sulla stessa scena, almeno una trentina come accennato, per poi estrarre un insieme consistente di punti georiferiti ai quali può essere associata sia la velocità media di spostamento in mm/anno lungo la linea di vista del satellite per tutto l’intervallo di tempo esaminato, sia il loro spostamento relativo in mm registrato ad ogni data di acquisizione delle immagini esaminate, ovvero circa una volta al mese (24 giorni per RADARSAT1 e 35 giorni per ERS1-2 ed ENVISAT). Questi punti, denominati Permanent scatterers o Persistent scatterers (PS), altro non sono che bersagli radar naturali già esistenti sul territorio, caratterizzati dall’avere una risposta al segnale radar particolarmente stabile durante tutto il periodo di analisi, e corrispondono generalmente ad edifici, rocce esposte,strutture metalliche, condotte di vario tipo, viadotti, reti elettriche, monumenti, cioè oggetti contraddistinti da un elevato potere riflettente nei confronti della radiazione elettromagnetica emessa dal satellite.

Grazie alla disponibilità di grandi archivi di dati acquisiti dalle agenzie spaziali, tali tecniche permettono di ottenere migliori risultati di quelli ricavabili con analisi interferometriche convenzionali, sia per la qualità delle misure di deformazione ottenute, che presentano una precisione millimetrica anziché centimetrica, sia per la capacità di seguire l’evoluzione temporale degli spostamenti su tutto l’intervallo esaminato, anziché su due sole acquisizioni.

Il limiti principali di queste tecniche di elaborazione dell’informazione interferometrica sono invece legati alla particolare geometria di acquisizione delle immagini, alla natura delle onde elettromagnetiche utilizzate e alle caratteristiche dei PS (Figura 6).

Per quanto riguarda il primo aspetto, dobbiamo infatti tenere presente che gli spostamenti vengono registrati lungo la linea di vista del satellite che risulta essere circa EO. Mentre tale geometria di acquisizione non comporta particolari problemi nell’analisi di movimenti prevalentemente verticali, tipo fenomeni di subsidenza del terreno, che risultano infatti ben risolvibili lungo la linea di vista del satellite, nello studio dei dissesti franosi, dove la componente orizzontale può assumere un carattere predominante, accade che più la direzione del movimento si discosta dalla direzione EO e più la velocità di spostamento viene sottostimata, fino ad arrivare alla situazione estrema di un movimento con direzione NS che non viene assolutamente rilevato dal satellite.

L’altro limite della tecnica interferometrica è invece dovuto al fatto che se la differenza di cammino ottico tra due successive acquisizioni risulta essere perfettamente uguale alla lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica utilizzata, l’onda ritorna in fase e quindi, non venendo registrata alcuna differenza di fase tra due successive acquisizioni, non viene rilevato alcuno spostamento. Questo fenomeno, denominato “equivocazione di fase”, fa si che sia possibile esaminare in modo soddisfacente solamente movimenti relativamente lenti che, considerate le lunghezze d’onda generalmente utilizzate, risultano caratterizzati da velocità medie di spostamento in direzione LOS minori di 5-6 cm/anno e spostamenti relativi tra due acquisizioni minori di 1 cm (per ERS ed ENVISAT).

Figura 6 – principali limiti delle tecniche interferometriche avanzate

Nel caso di fenomeni franosi risultano quindi monitorabili in modo efficace fenomeni di scivolamento e colamento lento, mentre fenomeni di crollo-ribaltamento o colate rapide non possono essere esaminati in maniera soddisfacente. Viste le basse velocità di movimento risultano inoltre ben esaminabili fenomeni di subsidenza e segni precursori di sprofondamenti catastrofici tipo Sinkholes.

Come ultimo elemento preme sottolineare che i bersagli radar naturali individuati tramite questa tecnica sono costituiti da oggetti con elevato potere riflettente nei confronti della radiazione emessa dal satellite e che presentano una risposta al segnale radar particolarmente stabile durante tutto il periodo di analisi. Questa caratteristica fa si che la densità dei PS sia più che soddisfacente nelle aree urbanizzate, ma si riduca notevolmente fino ad annullarsi in aree vegetate o periodicamente innevate.

Relativamente a quest’ultimo aspetto, recentemente sono state messe a punto tecniche di elaborazione dell’informazione interefrometrica (SqueeSAR) finalizzate ad estendere l’analisi anche ad aree non direttamente interessate da PS. Questo è reso possibile dall’individuazione di una nuova categoria di bersagli radar, denominati “Distributed Scatterers” (DS) che, sebbene caratterizzati da una risposta più debole alla radiazione emessa dal satellite, presentano comunque caratteristiche elettromagnetiche omogenee e stabili nel tempo. In questo modo si ha un notevole aumento della copertura dei punti di misura, particolarmente utile per l’analisi di fenomeni franosi in aree scarsamente urbanizzate.

Il progetto IFFI nel bacino del fiume Arno