L’interferometria radar terrestre (terrestrial radar interferometry, TRI) è una tecnologia che è stata sviluppata in Italia dall’Università di Firenze alla fine degli anni 90. Il primo esempio di applicazione in frana ha riguardato la misura di spostamento superficiale della Frana di Tessina (BL) nel 2003. Da allora, la TRI ha visto numerose applicazioni nel campo del monitoraggio di rischi naturali e dei loro effetti tra cui: frane, vulcani, ghiacciai, rock glaciers, miniere a cielo aperto ed infrastrutture.
Attualmente, i sistemi commerciali esistenti per il monitoraggio delle frane adottando la TRI sono il ground-based synthetic aperture radar (GB-SAR) ed il Gamma portable radar interferometer (GPRI). Entrambi i modelli operano nella banda di frequenza Ku, che equivale ad una lunghezza d’onda (λ) di 1.5-2 cm. Il GB-SAR è il sistema più diffuso e viene comunemente utilizzato per il monitoraggio di fenomeni gravitativi e per il controllo della stabilità dei fianchi delle miniere a cielo aperto. Questo strumento è composto da un’antenna trasmittente ed una ricevente che scorrono lungo un binario lineare (solitamente di 2-3 metri) durante l’acquisizione (Figura 1). Questo movimento permette di simulare un’antenna di maggiori dimensioni, pari alla lunghezza del binario. Tale soluzione consente di ottenere una rappresentazione areale della scena osservata e di aumentare la risoluzione spaziale in azimuth dell’immagine radar. Tipicamente, la risoluzione spaziale a 1000 m di distanza è di circa 0.5-1 metri in range e 3-5 m in azimuth (la risoluzione in azimuth aumenta linearmente con la distanza), a seconda della lunghezza del binario e dell’ampiezza di banda utilizzata. Un GB-SAR può effettuare misure a una distanza massima di 3-5 km.
Il GPRI è una variante meno diffusa di radar interferometrico (Figura 1). Le antenne del GPRI sono montate su di un supporto in grado di ruotare lungo l’asse verticale. In questo modo questo sistema può acquisire una scena molto ampia (volendo a 360°) ed un dato spazialmente distribuito. La maggior dimensione reale delle antenne permette un notevole rapporto segnale-rumore e la possibilità di effettuare misure oltre i 10 km di distanza, mentre la risoluzione spaziale in azimuth è inferiore rispetto al GB-SAR.
Descrizione tecnica delle modalità di funzionamento:
La tecnica si basa sull’analisi della fase del segnale a microonde emesso dal radar e riflesso dalla superficie di un oggetto. In particolare, viene osservata la differenza di fase Δϕ tra due acquisizioni consecutive, che è direttamente proporzionale al movimento del bersaglio. Infatti, la variazione di fase misurata rispetto al movimento del bersaglio ΔR può essere espressa come:
(1) Δϕ = λ/4π ΔR
dove λ è la lunghezza d’onda. Dal momento che quella che viene misurata è la distanza tra l’antenna e il bersaglio, solo la componente di spostamento parallela alla linea di vista (line-of-sight, LOS) può essere rilevata.
L’elevata sensibilità dello strumento rende il dato influenzato da fattori esterni che causano incertezza. La misura della fase interferometrica Φint si compone di diversi contributi
(2) Φint = φΔR + φspeckle + φatm + 2kπ
dove φΔR è il valore di fase dovuto allo spostamento del target. Il termine φspeckle rappresenta il contributo del rumore moltiplicativo tipico delle misure elettromagnetiche, mentre il termine φatm (denominato atmospheric phase screen, APS) è legato alla variazione delle condizioni atmosferiche, in particolare umidità e temperatura. Infine, 2kπ è il termine di ambiguità dovuto alla periodicità di fase. Infatti, la differenza di fase tra due acquisizioni è limitata nell’intervallo [0,2π). In presenza di uno spostamento maggiore di λ/2 non è possibile determinare il numero intero di cicli di fase corrispondenti.
Descrizione delle modalità di utilizzo per il monitoraggio dei fenomeni franosi ed esempi operativi:
In applicazioni di monitoraggio, la TRI permette di effettuare misure in continuo con un’elevata frequenza di acquisizione (da pochi secondi a pochi minuti). Dall’equazione (1) si può vedere come il valore di spostamento che può essere rilevato con la TRI è pari ad una frazione di λ. Poiché il valore di λ del segnale utilizzato dai radar terrestri è tipicamente dell’ordine di pochi centimetri, ne risulta una sensibilità di misura di spostamento millimetrica. Tuttavia, a causa dell’ambiguità di fase, è possibile misurare solo gli spostamenti inferiori a λ/2 (equivalenti a 0.5-1 cm). Pertanto, è necessario che tra due acquisizioni il movimento sia inferiore a tale valore.
Le misure TRI possono essere condotte con qualunque condizione meteorologica e di illuminazione. Il risultato è una mappa spaziale della componente di deformazione superficiale parallela alla LOS. Questo aspetto deve essere valutato in fase di allestimento del sistema di monitoraggio, in modo da massimizzare la frazione di movimento reale che può essere misurata.
Dall’equazione (2) si vede che la fase interferometrica include diversi termini. La presenza dei contributi non legati al movimento rende il processing del dato interferometrico particolarmente complesso, soprattutto in situazioni caratterizzate da condizioni atmosferiche avverse ed elevata distanza tra il radar e l’oggetto monitorato. Per poter filtrare gli elementi di disturbo nel segnale di fase, è importante poter disporre di un’area stabile priva di vegetazione che funga da riferimento per la calibrazione delle misure grezze. Questo fatto può rendere difficoltoso il monitoraggio in situazioni in cui non sono note o non sono presenti aree stabili all’interno del campo di osservazione del radar.
In Figura 2 viene mostrato un esempio di risultato TRI. Si tratta della mappa di spostamento giornaliero della frana di Monesi di Mendatica (SV). Nel novembre del 2016, in seguito ad un evento di precipitazione intensa, si è verificato il collasso della porzione inferiore della frana, che ha portato al crollo di alcuni edifici e della strada provinciale. La frana è stata monitorata in continuo tra marzo e luglio 2017. I dati presentati si riferiscono al periodo 3-10 marzo 2017. In questo caso, le misure sono state effettuate con un GB-SAR posto a circa 300 m di distanza alla stessa quota del coronamento della porzione collassata. É stata impostata una frequenza di 10 acquisizioni all’ora, che ha comportato la possibilità di misurare spostamenti massimi di circa 2 m/gg. Gli elementi di maggior criticità durante il monitoraggio sono stati il forte disturbo atmosferico e la mancanza di aree stabili all’interno del campo di visibilità del radar. Tuttavia, è stato possibile usare come riferimento dei dati radar gli edifici su cui erano disponibili delle misure di stazione totale.
Scenari di utilizzo maggiormente indicati:
Le principali caratteristiche della TRI possono essere schematicamente riepilogate come segue:
- elevata frequenza di acquisizione
- dato spazialmente distribuito di alcuni km2
- misura totalmente da remoto da diversi km di distanza
- possibilità di misura con qualunque condizione atmosferica e di illuminazione
- sensibilità millimetrica della misura
- valore di spostamento monodimensionale (lungo LOS)
- ambiguità di fase in caso di movimenti molto veloci (>λ/2)
- processing complesso
- costo elevato dello strumento (~100000-300000 €)
- limitata portabilità dello strumento ed elevati consumi energetici
- difficoltà di misura in aree coperte da vegetazione fitta
Tali caratteristiche rendono lo strumento adatto per il monitoraggio in continuo di fenomeni franosi a scala di versante. L’elevata frequenza di acquisizione e la sensibilità permettono di inserire le misure TRI in procedure di early-warning adatto anche a fenomeni a carattere impulsivo e con deboli segnali precursori.
Bibliografia minima
- Rosen, P. A., Hensley, S., Joughin, I. R., Li, F. K., Madsen, S. N., Rodriguez, E., & Goldstein, R. M. (2000). Synthetic aperture radar interferometry. Proceedings of the IEEE, 88(3), 333-382.
- Tarchi, D., Casagli, N., Fanti, R., Leva, D. D., Luzi, G., Pasuto, A., M. Pieraccini & Silvano, S. (2003). Landslide monitoring by using ground-based SAR interferometry: an example of application to the Tessina landslide in Italy. Engineering geology, 68(1-2), 15-30.
- Monserrat, O., Crosetto, M., & Luzi, G. (2014). A review of ground-based SAR interferometry for deformation measurement. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 93, 40-48.
- Caduff, R., Schlunegger, F., Kos, A., & Wiesmann, A. (2015). A review of terrestrial radar interferometry for measuring surface change in the geosciences. Earth surface processes and landforms, 40(2), 208-228.
