TECNOLOGIE INNOVATIVE DI TELERILEVAMENTO SATELLITARE PER LA GESTIONE DEL TERRITORIO Dario Fossati (*), Roberto Laffi (*), Alessandro Ferretti (**), Claudio Prati (***) (*) Regione Lombardia (**) Tele-Rilevamento Europa – T.R.E. s.r.l. (***) Dipartimento di Elettronica e Informazione – Politecnico di Milano Sessione Plenaria – Tema: “Telerilevamento e Reti di Monitoraggio Ambientale” Sottotema: “Telerilevamento radar satellitare” Sommario - In questo contributo ci si propone di mettere in luce le potenzialità dei sistemi radar satellitari ad apertura sintetica (Synthetic Aperture Radar, SAR) come sorgenti di dati per il monitoraggio e la gestione del territorio. In particolare, si focalizza l’attenzione sulla tecnica dei diffusori permanenti (Permanent Scatterers, PS), una tecnologia italiana che consente di rilevare con precisione millimetrica fenomeni di deformazione della superficie terrestre su migliaia di “capisaldi radar”. Questi oggetti, corrispondenti tipicamente a manufatti, edifici, rocce esposte, possono diventare una vera e propria “rete geodetica naturale” per lo studio ed il monitoraggio di fenomeni di deformazione superficiale quali: subsidenze, compattazioni, frane, faglie sismiche. Questo approccio innovativo è stato sviluppato e brevettato presso il Politecnico di Milano, che ha favorito la nascita di un proprio spin-off commerciale, Tele-Rilevamento Europa -T.R.E. S.r.l., cui affidare lo sfruttamento del brevetto stesso e le ulteriori ricerche ad esso legate. In questo lavoro verranno messe in luce due diverse applicazioni di questa tecnologia legate da una parte al monitoraggio di edifici strategici e storici, dall’altra allo studio delle instabilità di versante in aerea alpina. La tecnologia, il brevetto, lo spin-off accademico Nel corso degli ultimi anni si è assistito ad una costante crescita dell’interesse della comunità scientifica internazionale per i dati ottenibili con sensori radar satellitari. Le applicazioni interferometriche, in particolare, capaci di misurare deformazioni superficiali anche solo millimetriche dallo spazio, sono state subito salutate come uno strumento decisivo per lo studio dei moti tettonici e vulcanici e delle aree in frana. Dopo i primi entusiasmi, però, le difficoltà legate ad un utilizzo operativo di questi dati hanno ridimensionato fortemente le aspettative. Il gruppo radar del Politecnico di Milano opera nel settore satellitare da vent’anni. Principale fonte di finanziamento è stata l’Agenzia Spaziale Europea (ESA). A partire dagli anni novanta, il principale obiettivo del gruppo è stato il superamento delle difficoltà legate all’applicazione operativa delle tecniche interferometriche. Nel corso delle ricerche, si mise in luce che alcuni oggetti (quali manufatti, rocce esposte, strutture metalliche) risultavano avere caratteristiche tali da consentire misure estremamente precise della loro distanza dall’antenna radar. Tale scoperta, unita ad un algoritmo per l’individuazione di tali oggetti (denominati Permanent Scatterers o PS), portò il gruppo ad ottenere risultati di estremo interesse nello studio dei fenomeni di deformazione superficiale, attirando l’attenzione della comunità scientifica internazionale [1-5]. A seguito degli sviluppi sempre più rapidi e della messe di risultati conseguiti, il Politecnico di Milano decise di iniziare le procedure di brevettazione della tecnologia. Oggi la “Tecnica PS” è protetta in Europa e Stati Uniti [7-8], mentre sono in corso le procedure per l’estensione in Canada, Giappone e Australia. Tele-Rilevamento Europa (TRE), primo spin-off commerciale del Politecnico di Milano, nasce nel Marzo 2000 con lo scopo di valorizzare e sfruttare commercialmente i risultati conseguiti dalla ricerca nel campo del telerilevamento e, in particolare, la Tecnica PS. Il forte legame con l’università permette un continuo aggiornamento delle tecnologie, degli algoritmi e delle soluzioni implementate. La partecipazione diretta del Politecnico nel capitale sociale ha poi costituito un elemento importante per conquistare velocemente importanti porzioni di mercato. Per esperienza maturata nell’elaborazione dei dati radar per applicazioni interferometriche, TRE è già oggi tra i primi posti nel panorama mondiale [10]. I dati disponibili e le applicazioni Un vantaggio formidabile della tecnologia satellitare rispetto ai rilievi convenzionali per il monitoraggio degli spostamenti superficiali è costituito dalla ricchezza di dati disponibili nell'archivio storico dell'Agenzia Spaziale Europea. È possibile avviare un'analisi oggi, avendo a disposizione dati acquisiti a partire dal 1992 e potendo, quindi, ricostruire la dinamica dell'area di interesse negli ultimi dieci anni. Questo può rivelarsi un elemento decisivo per l’indagine, soprattutto laddove le velocità in gioco (millimetri/anno) sono estremamente ridotte e le tecniche convenzionali richiederebbero anni prima di poter dare misure significative. È importante sottolineare che sul nostro paese i satelliti ESA- ERS hanno già acquisito oltre 12.000 immagini, che in gran parte risultano ancora inutilizzate. La Tecnica PS è già stata applicata su centinaia di aree nel mondo dagli Stati Uniti al Giappone, dalla Libia alla Norvegia, permettendo di ottenere misure su più di 100.000 Kmq di territorio [10]. L’utilizzo della tecnologia PS ha consentito di ottenere risultati significativi relativi a: ?? Subsidenze e compattazioni in area urbana (dati di Roma, Milano, Napoli, Londra, Parigi, Tokyo, Rotterdam, Oslo, Los Angeles, San Francisco). ?? Aree in frana (progetto Val Camonica – Regione Lombardia, mappatura della Provincia di Trento, Provincia di Lecco, analisi della frana di Ancona, studio del bacino dell’Arno). ?? Zone sismiche e vulcaniche (Etna, Vesuvio, Colli Albani – in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia). ?? Moti di singoli edifici (caso Rovigo, collaborazione con Protezione Civile, collaborazione con Regione Lombardia per monitoraggio edifici strategici). In relazione a quest’ultima applicazione, nei primi mesi del 1999, dopo il crollo della palazzina di Via Vigna Jacobini a Roma, la “Tecnica PS” venne applicata alla serie storica di immagini satellitari negli anni precedenti al crollo dell’edificio. Lo studio, condotto in stretto rapporto con il Dipartimento di Protezione Civile, evidenziò come i dati radar potessero descrivere “la storia altimetrica” della palazzina [6]. Le misure mostrarono come l’edificio avesse subito i primi cedimenti (spostamenti verticali di circa un centimetro) almeno due mesi prima del crollo. Le sperimentazioni continuarono applicando il metodo ai dati acquisiti su Camaiore (collasso carsico dell’Ottobre 1995) e al crollo di Foggia. La tecnica PS è stata recentemente utilizzata dall’Avvocatura di Stato all’interno di un dibattimento come elemento probatorio [9]. Figura 1: Milano. Risultato ottenibile a valle di un’indagine PS. Alla mappa della città sono sovrapposte le posizioni dei capisaldi radar “naturali” (PS) che sono risultati monitorabili da satellite. Il colore dei punti dipendi dalla velocità dei capisaldi in mm/anno. Per ogni punto è poi possibile visualizzare la serie storica di spostamento. Con questa tecnologia è possibile evidenziare in tempi estremamente ridotti le aree, o i singoli edifici, maggiormente soggetti a moti di deformazione. Le applicazioni della Tecnica PS in Lombardia La collaborazione tre Politecnico di Milano, TRE e Regione Lombardia (Struttura Rischi Idrogeologici), iniziata nel 2001, si è concentrata sulla valutazione del possibile impatto della tecnologia PS per il monitoraggio di zone in frana, ma recentemente si è cercato di allargare l’orizzonte delle applicazioni, andando a studiare l’impatto di questo tipo di misure anche sull’analisi di stabilità di edifici pubblici e strategici (Figura 1). Aree urbane Come si accennava nei paragrafi precedenti, l’approccio PS permette di ricostruire con accuratezza millimetrica fenomeni di deformazione in corrispondenza di una fitta griglia di bersagli radar privilegiati, in genere corrispondenti a strutture metalliche, manufatti, pali, tralicci, rocce esposte, accumuli detritici, ecc. che mantengono invariata la loro risposta al radar (ovvero, la loro riflettività). I PS possono essere visti come capisaldi naturali di una rete geodetica ad elevata densità spaziale (in aree urbane, 100-400 PS/km2 , in aree rurali abitualmente 0-50 PS/ km2 ) presso cui è possibile raggiungere un’accuratezza di 1÷3.5 mm, su ogni singola misura, e 0.1÷1 mm/anno, sul trend medio di deformazione. Un esempio di applicazione dell’analisi PS su area urbana è riportato in Figura 1. Oltre 80 immagini radar satellitari acquisite su Milano sono state elaborate al fine di evidenziare i moti cui è soggetto il centro storico di Milano. Questo tipo di indagine consente, in tempi estremamente ridotti (poche settimane), di ricostruire la dinamica di migliaia di edifici a partire dal 1992. Dati simili sono già stati ottenuti, all’interno di altri progetti finanziati dalla Regione Lombardia, per le aree urbane di Sondrio e Mantova. Nel progetto di monitoraggio relativo all’area di Milano, ancora in corso, si vuole valutare questa tecnologia anche come un possibile supporto concreto a tutte le azioni legate al famoso “libretto del fabbricato”. Il dato satellitare non andrebbe, in ogni caso, a sostituire le indagini in sito, ma potrebbe fornire delle “liste di priorità” per i controlli di stabilità. A valle di un’accurata analisi dei risultati dell’analisi PS dovrà poi seguire, in caso di valutazione positiva, la fase di studio delle procedure attuative che, partendo dal dato telerilevato, facciano scattare opportune azioni preventive o di ulteriore indagine. In questa seconda fase sarà indispensabile avvalersi delle competenze di ingegneri strutturisti e geotecnici che possano “leggere” nell’informazione satellitare il livello di rischio per la struttura in oggetto. Il monitoraggio dei beni artistici e architettonici e, più in generale, del patrimonio edilizio del nostro Paese potrebbe da solo giustificare una o più missioni satellitari specificatamente progettate allo scopo (una missione radar di questo tipo avrebbe un costo di circa 100 milioni di Euro). Si tenga presente, infatti, che i sensori utilizzati oggi non erano affatto progettati per applicazioni interferometriche. I risultati ottenuti sono frutto di sofisticate procedure di elaborazione numerica dei segnali radar, settore in cui diversi gruppi Italiani (come quelli di Milano, Napoli e Bari) si pongono ai primi posti nel panorama internazionale. In questo momento l’Italia ha accumulato un buon vantaggio competitivo. La realizzazione di sensori dedicati al monitoraggio del patrimonio immobiliare da satellite potrebbe creare una interessante piattaforma tecnologica esportabile anche all’estero. Aree alpine Un progetto particolarmente significativo, sempre finanziato dalla Regione, è stato lo studio dei moti di un’ampia area alpina comprendente tutta la Valcamonica e buona parte della Valtellina. Questo progetto risultava di particolare interesse per le seguenti ragioni: ? ? l'entità dell'area esaminata (oltre 4000 km2 in 4 zone tra Valcamonica, prov. Bs e Valtellina, So, Figura 2), ? ? la morfologia montuosa che la caratterizza, ? ? il basso grado di urbanizzazione delle aree investigate, ? ? il numero di fenomeni riconosciuti e ? ? la disponibilità di carte tematiche e dati di monitoraggio per le stesse aree. Gli scopi dello studio consistevano nella verifica della applicabilità del metodo su grandi aree montane, la verifica della tipologia dei diffusori permanenti (al fine di migliorare la comprensione del fenomeno e di validare la tecnica) e delle misurazioni fatte, l'utilizzabilità di tali dati ai fini della comprensione dei processi in atto e della zonazione della pericolosità, l'integrabilità con altri livelli informativi esistenti. Sono state impiegate 80 immagini acquisite nel periodo 1993-2000 dai sensori ERS-1 ed ERS-2 dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), su orbite ascendenti (29 immagini) e discendenti (51 immagini), per ricostruire i fenomeni in Valcamonica e Valtellina. Sono stati individuati circa 380.000 PS nell’area di studio. In media è stata rilevata una densità di diffusori pari a 77 PS/km2 . Attraverso queste analisi sono stati individuati Zona1 numerosi fenomeni di deformazione lenta (ossia Zona2 Zona3 con velocità comprese fra 3 e 30 mm/anno) tra cui Zona4 diversi casi di instabilità di versante (per esempio in Valfurva, Val Saviore, Mortirolo, Val Gerola) e di subsidenza urbana (conoide di Costa Volpino e diverse aree industriali e urbanizzate di fondovalle) alcuni dei quali sono risultati particolarmente interessanti. I diversi casi riconosciuti Figura 2 – Limite delle 4 aree di studi tra Valtellina e Val come di maggior Camonica interesse sono stati inizialmente analizzati con dettaglio, effettuando verifiche sul terreno per l'interpretazione dei dati di deformazione misurati. In tutti i casi è stato possibile riconoscere numerose lesioni sui manufatti, consentendo una prima verifica e ove possibile una interpretazione dei fenomeni alla luce delle conoscenze geologiche dell'area o per confronto con le carte dei dissesti realizzate a scala regionale a scala 1:10.000. Esempi di studio Nel seguito presentiamo 4 casi di studio che sono stati esaminati per le loro caratteristiche cinematiche, il numero e la buona distribuzione dei PS e la disponibilità di dati e osservazioni di controllo a terra. Il primo caso di studio è quello del grande fenomeno di deformazione gravitativa del versante settentrionale del Monte Padrio - Monte Varadega (Valtellina, Figura 2), che coinvolge un'area di oltre 30 km2 . In tale area sono state individuate diverse porzioni a velocità di movimento differente, dai 3 ai 16 mm/anno, che producono significative fratture e deformazioni su strutture. La zonazione dei PS in settori a diversa velocità di spostamento è stata inoltre possibile tramite confronto e integrazione con dati ottenuti tramite fotointerpretazione. Anche in questo caso, pur avendo realizzato l'analisi dei PS e la fotointerpretazione in modo completamente indipendente, è stato possibile verificare la coincidenza delle informazioni e la validità del metodo di monitoraggio nonché la possibilità di utilizzare le informazioni per una interpretazione cinematica dei processi in atto. Figura 3 – Area del Monte Padrio-Varadega Distribuzione dei PS sovrapposti agli elementi morfostrutturali. I diversi PS mostrano marcate variazioni di velocità in funzione della loro posizione sul versante. Un fenomeno analogo è stato individuato sul versante destro idrografico della Valfurva, con velocità di spostamento comprese fra 4 e 22 mm/anno. Lungo tale versante, sede di una grande deformazione gravitativa profonda, esiste un'area monitorata con strumentazione geotecnica e geodetica. Tale area di frana, nota come Ruinon, è caratterizzata da elevate velocità di movimento, variabili tra 0,5 a oltre 3 m/anno, e a causa di ciò non può essere individuata con la tecnica radar PS (moti caratterizzati da velocità superiori a 7-8 cm/anno non sono misurabili senza informazioni a priori). Quindi siamo in presenza di un caso particolare in cui due metodologie di monitoraggio si integrano a dare un quadro deformativo del versante molto più completo che consente quindi anche considerazioni a livello di zonazione della pericolosità e di comprensione dei meccanismi in atto. Poco lontano, in Val di Rezzalo, nei pressi del Corno di Boero, sono stati invece individuati numerosi punti in forte abbassamento, 3 -7 mm/anno, che a differenza di quanto verificato nelle aree precedenti non sono legati a manufatti ma al substrato roccioso e a evidenze di lineamenti attivi quali contropendenze e trincee. Un ulteriore confronto quantitativo tra misure telerilevate e misure in sito è stato possibile in Val Saviore, alta Val Canonica (Figura 4). In tale area, il centro abitato di Valle è tenuto sotto controllo da un complesso sistema di monitoraggio a partire dall'alluvione dell'agosto 1987. In questo caso si è potuto effettuare sullo stesso intervallo temporale (1993-2000) un confronto fra i dati del monitoraggio geodetico, prodotto con tecniche tradizionali, con i dati ottenuti con la tecnica radar - PS. Anche in questo caso, pur con le dovute cautele, è possibile affermare -5.25 mm/a che i movimenti B: medi registrati in quell'area, per quanto riguarda la componente verticale, sono fra loro molto simili e compresi fra 4 e 12 mm/anno. Il grande vantaggio della tecnica radar - PS è che, in questa situazione partiB colare, essendo il versante urbanizzato, i punti di misura PS oltre ad essere presenti in maggior numero, sono ben distribuiti su una vasta area consentendo una miglior correlazione e quindi una Figura 4 - Area della media Val Saviore. Distribuzione dei PS. Simboli interpretazione dei diversi sono stati utilizzati per indicare velocità di spostamento diverse. fenomeni di dissesto In alto a sinistra è riportata una serie storica di deformazione relativa che interessano il ad una caposaldo radar affetto da un moto di circa 5 mm/anno. Uno dei versante. vantaggi della tecnica PS è che i dati dell’indagine, in forma digitale, Problemi e sono immediatamente integrabili con altri in ambiente GIS. osservazioni diversi esistono invece per le zone di fondovalle. Nelle aree di fondovalle della Valtellina e della Valcamonica, che sono in genere risultate essere stabili, sono state riconosciute numerose aree soggette a cedimenti (3 - 13 mm/anno) dovute alla realizzazione di capannoni industriali e che hanno comportato il consolidamento dei depositi alluvionali (limi, argille e torbe). Lo stesso è stato osservato in corrispondenza di alcune conoidi alluvionali. Nel caso di Castro sul Lago d'Iseo (Figura 5), si è per esempio potuto osservare la deformazione in corso entro una grande area industriale, realizzata parte sui depositi alluvionali e parte su terreni di riporto a lago. A causa di tale contrasto di proprietà dei materiali l’area è soggetta ad un fenomeno di cedimento differenziale, compreso fra 2 e 5 mm/anno, come ben evidenziato in Figura 5. In altri casi sono stati osservati fenomeni di subsidenza attribuibili ad attività di emungimento delle acque sotterranee. Figura 5 – Velocità medie di spostamento (in mm/anno) misurate sull’area urbanizzata della conoide di Castro (Lago d’Iseo). Anche in questo caso è stato possibile misurare il tasso di subsidenza con estrema precisione. Conclusioni Riportiamo qui di seguito alcune conc lusioni ottenute a valle dei lavori per la Regione Lombardia, spesso coadiuvati anche dall’Università Milano-Bicocca, perché ritenute di estremo interesse anche per altre Pubbliche Amministrazioni: ?? le misure radar satellitari, laddove è presente un archivio storico di dati (come l’Italia), costituiscono una sorgente di informazione unica per evidenziare deformazioni superficiali anche di soli pochi millimetri all’anno. ?? L’analisi satellitare bene si presta a mettere in evidenza soprattutto spostamenti vertic ali delle aree di interesse, proprio la direzione dove l’analisi GPS ha accuratezze solo centimetriche. ?? La densità di punti di misura (nel nostro Paese i PS dovrebbero essere circa 60 milioni) è ordini di grandezza superiore a quanto ottenibile con reti geodetiche convenzionali (GPS e livellazione geometrica). ?? L’informazione satellitare è facilmente integrabile in ambiente GIS con misure GPS e di livellazione. ?? Per sua natura, non richiedendo alcun intervento a terra, i costi di analisi su aree estese (migliaia di kmq) sono enormemente inferiori rispetto alle analisi convenzionali. ?? In area urbana si riesce – ad oggi - ad ottenere informazione utile relativamente al 75% circa degli edifici (3 su 4 risultano monitorabili). ?? Laddove le aree sono fortemente vegetate e l’orografia è particolarmente aspra la densità di punti di misura “naturali” può essere estremamente bassa o addirittura insufficiente a comprendere la dinamica dell’area d’interesse. In questi casi, volendo comunque ricorrere alla tecnica radar, occorre materializzare dei capisaldi ponendo sul posto delle strutture metalliche ad hoc. ?? L’Italia è oggi ai primi posti nel mondo per esperienza maturata sul monitoraggio da satellite delle deformazioni. Dalle osservazioni di cui sopra si nota come l’utilizzo dei risultati della tecnica PS come nuovo layer di un più ampio strumento GIS costituisca un passo avanti significativo nell’intento di mettere a punto uno strumento integrato di monitoraggio, che possa, al tempo stesso, individuare e quantificare i movimenti in atto e fornire supporto in sede di pianificazione territoriale anche per la realizzazione di eventuali interventi. Le misure di deformazione PS costituiscono dati vettoriali puntuali (coordinate e quota del punto di misura, trend medio di deformazione, serie temporale completa) che possono essere agevolmente sovrapposti a cartografia tecnica regionale o ortofoto consentendo di mappare i punti di misura radar sulle corrispondenti strutture. Affiancando le misure PS a dati cartografici geologici e geomorfologici (carte inventario delle frane) e, laddove siano disponibili, a dati acquisiti nel corso di rilievi in sito (documentazione fotografica, livellazione ottica con misure topografiche, GPS), così come dimostrato negli esempi sopra citati, sarà possibile comprendere e conoscere più approfonditamente le dinamiche dei fenomeni in atto e la loro evoluzione nel tempo nonché utilizzare tali informazioni per la calibrazione e verifica di modelli numerici dei fenomeni stessi. Ringraziamenti Gli autori sono grati all’Agenzia Spaziale Europea (ESA) che ha sempre favorito lo sviluppo di questa nuova tecnologia satellitare. Si ringrazia inoltre il Prof. G.B. Crosta ed il Dott. C. Ambrosi dell’Università degli Studi di Milano-Bicocca che da anni ormai lavorano sul fronte dell’interpretazione dei dati satellitari di spostamento. Si desidera infine ringraziare anche il Prof. Fabio Rocca del Politecnico di Milano e tutto il personale T.R.E. il cui lavoro ha trasformato l’approccio PS in uno strumento pienamente operativo. Riferimenti bibliografici 1. Allievi J., Ambrosi C., Ceriani M., Colesanti C., Crosta G.B., Ferretti A., Fossati D., Menegaz A. (2002), “Integration of field and remote sensing techniques for landslides monitoring”, Proceedings 27th General Assembly of the European Geophysical Society, Nice, France, 21-26 April. 2. Ferretti A., Prati C., Rocca F. (2000), “Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 38(5):2202-2212. 3. Ferretti A., Prati C., Rocca F. (2001), “Permanent scatterers in SAR interferometry”, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 39(1):8-20. 4. Colesanti C., Ferretti A., Prati C., Rocca F., “SAR Monitoring of Progressive and Seasonal Ground Deformation Using the Permanent Scatterers Technique” - IEEE Trans. on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 41, No. 7, July 2003. 5. Ferretti A., Prati C., Rocca F. (2001), “Monitoring landslides and tectonic motions with the Permanent Scatterers technique”, International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2001. 6. Verbali della Camera dei Deputati. Seduta n. 622 del 17/11/1999. Intervento Prof. F. Barberi. 7. Brevetto Italiano N. MI99A01154 del 25 Maggio 1999. 8. United States Patent N. 6,583,751 del 24 Giugno 2003. 9. Tribunale di Rovigo – Sentenza dibattimentale nr. 314/2002 del 7/6/2002. 10. Sito ufficiale di Tele-Rilevamento Europa – www.treuropa.com Nota - Molti articoli e materiale didattico sulla tecnologia PS sono scaricabili liberamente presso il sito web di Tele-Rilevamento Europa – T.R.E. srl – www.treuropa.com