Le attività di estrazione e di re-iniezione di fluidi nel sottosuolo, come nel caso del sito sperimentale di Casaglia, possono potenzialmente provocare deformazioni superficiali. L’Interferometria Differenziale SAR (Synthetic Aperture Radar) satellitare, comunemente nota come DInSAR, è una tecnica di telerilevamento che consente di misurare, con grande precisione, le deformazioni del suolo a partire dalla differenza di fase (interferogramma) tra due immagini SAR acquisite in momenti differenti su una stessa scena al suolo.
In particolare, la tecnica DInSAR è in grado di stimare, con accuratezze sub-centimetriche (frazione della lunghezza d’onda del radar), le variazioni di distanza tra un target al suolo e il radar posizionato sul satellite. Tale spostamento non è calcolato in un classico sistema di riferimento geografico (nord, est, verticale), ma lungo la linea di vista del radar (LOS).
Capacità della Tecnica DInSAR
La capacità della tecnica DInSAR di rilevare gli effetti prodotti da singoli eventi deformativi (DInSAR classico), ad esempio un’eruzione vulcanica o un terremoto, è stata ampiamente dimostrata a partire dagli anni ’90. Successivamente, l’interesse della comunità scientifica e degli enti di sorveglianza si è concentrato sulla possibilità di monitorare l’evoluzione temporale delle deformazioni individuate, specie in zone con dinamica a carattere fortemente non lineare, come ad esempio, le aree soggette ad attività di estrazione/stoccaggio di idrocarburi e di re-iniezione di fluidi nel sottosuolo.
Figura 1 - Scenario DInSAR nel Piano Ortogonale alla Direzione di Volo (Azimuth). La figura illustra lo scenario DInSAR in un piano ortogonale all’azimuth. Le posizioni del sensore SAR, indicate come SAR1 e SAR2, sono raffigurate nei due momenti distinti t1 e t2. Tra questi istanti, si verifica una deformazione del suolo, rappresentata dalla linea rossa tratteggiata. Le distanze tra sensore e target, r1 e r2, corrispondono agli istanti t1 e t2. L’angolo di vista del sensore è indicato con θ, mentre la distanza tra le due orbite, nota come baseline spaziale, è rappresentata con b. Lo spostamento del suolo avvenuto tra t1 e t2, misurato lungo la linea di vista del sensore (LOS), è indicato con dlos (linea rossa continua).
Sviluppo delle Tecniche di Interferometria Differenziale Avanzate
Negli ultimi quindici anni sono state sviluppate numerose tecniche di Interferometria Differenziale denominate “avanzate” (per distinguerle dalle tecniche DInSAR “classiche” che prevedono la produzione di singoli interferogrammi, pertanto di singole mappe di spostamento superficiale), basate su approcci multi-temporali. Tali tecniche, sfruttando efficacemente grandi data-set costituiti da decine o centinaia di immagini SAR, consentono di generare un numero elevato di interferogrammi dalla cui opportuna elaborazione e combinazione è possibile ottenere non solo mappe di singoli eventi deformativi, ma anche l’evoluzione temporale (serie storica) e la velocità media di deformazione relativa a fenomeni caratterizzati da velocità di spostamento fino al alcune decine di cm/anno.
Vantaggi delle Tecniche DInSAR Avanzate
Rispetto alle tecniche di monitoraggio in situ, come misure di levelling di precisione, GPS o inclinometri, le tecniche DInSAR avanzate consentono di analizzare ampie porzioni della superficie terrestre (da alcune migliaia fino a centinaia di migliaia di km2), garantendo un’elevata densità spaziale dei punti di misura e preservando, quindi, le caratteristiche di ampia copertura tipiche dei sistemi di immagini satellitari. Pertanto, le tecniche DInSAR avanzate rappresentano una soluzione particolarmente vantaggiosa in termini di costi/benefici, specialmente considerando l’ampia estensione delle aree analizzabili. Queste tecniche risultano essere strumenti estremamente efficaci per l’analisi di fenomeni deformativi su larga scala, potenzialmente associati all’utilizzo del sottosuolo.
L’approccio Small BAseline Subset (SBAS)
L’algoritmo SBAS è una tecnica avanzata DInSAR che permette di analizzare le caratteristiche spazio-temporali dei fenomeni deformativi attraverso la generazione di mappe e serie temporali della deformazione superficiale. Si basa su una combinazione appropriata di interferogrammi, ottenuti a partire da dati SAR acquisiti da orbite sufficientemente vicine (la distanza tra le posizioni lungo l’orbita del satellite durante le due acquisizioni considerate prende il nome di baseline spaziale) e possibilmente con tempi di rivisitazione tra le acquisizioni non elevati (piccole baseline temporali). Queste caratteristiche aiutano a minimizzare gli effetti di rumore, noti come decorrelazione spaziale e temporale, incrementando così il numero di punti per unità di area sui quali è possibile fornire misure affidabili della deformazione osservata. Tutte le misure di spostamento superficiale sono riferite a un punto unico nello spazio, situato in una zona considerata stabile, e a un momento specifico nel tempo, solitamente corrispondente alla prima acquisizione disponibile, e si riferiscono alla componente degli spostamenti superficiali lungo la LOS del radar.
Figura 2 - Rappresentazione grafica della tecnica DinSAR SBAS.
Un aspetto fondamentale dell’approccio SBAS è la possibilità di effettuare analisi DInSAR delle deformazioni superficiali su due diverse scale spaziali: la scala regionale, con risultati a media risoluzione spaziale (30-100 m), e la scala locale, con risultati alla piena risoluzione spaziale del radar (fino a pochi metri). A scala regionale, si ottengono mappe di velocità media e serie storiche di deformazione per aree estese fino a decine di migliaia di chilometri quadrati. A scala locale, la tecnica consente analisi dettagliate in aree sensibili, identificando deformazioni anche molto localizzate, come quelle relative a edifici o strutture singole.
Precisione della tecnica SBAS
Uno dei punti di forza della tecnica SBAS, che ne ha favorito lo sviluppo e incentivato l’utilizzo in vari scenari di rischio (naturale e antropico), è l’accuratezza con cui è possibile misurare gli spostamenti del suolo. Nel dettaglio, la tecnica SBAS raggiunge accuratezze molto “spinte”, di circa 1-2 mm/anno sulle misure di velocità media di deformazione e di circa 5-10 mm sulle misure di spostamento.
Evoluzione della tecnica SBAS per il calcolo ad alte prestazioni (HPC computing)
La recente evoluzione della tecnica SBAS, nota come P-SBAS (Parallel SBAS), rappresenta un significativo avanzamento nell’elaborazione di dati SAR. P-SBAS utilizza infrastrutture di calcolo distribuite, come cluster, grid e cloud, e tecniche di programmazione multi-core e multi-nodo, riducendo drasticamente i tempi di calcolo rispetto all’approccio sequenziale originale. Questa tecnica consente la creazione di servizi di monitoraggio che aggiornano automaticamente le serie storiche di deformazione non appena nuove acquisizioni diventano disponibili, un aspetto particolarmente vantaggioso quando si utilizzano i dati SAR della costellazione europea Sentinel-1, che offre immagini SAR con copertura globale a cadenza settimanale. Tale risultato, infatti, ricopre un’enorme rilevanza nell’utilizzo delle tecniche satellitari per il monitoraggio del territorio e per la gestione del rischio ambientale, in quanto consente di utilizzare la catena di elaborazione di dati radar non solo in ambito scientifico, ma in contesti sempre più operativi (fase di pre-allerta e/o in condizioni di emergenza) di monitoraggio dei fenomeni deformativi del suolo (di origine naturale o antropica), e di valutazione e mitigazione del rischio ad essi associato.
Consolidamento e versatilità della tecnica SBAS
La tecnica SBAS e la sua evoluzione P-SBAS, è stata sviluppata dall’Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente - IREA del CNR. Attualmente gli articoli scientifici relativi a SBAS e successive implementazioni contano un totale di circa 7000 citazioni. In particolare, questa metodologia si è consolidata attraverso l’uso di dati provenienti dai satelliti ERS-1/2 e ENVISAT dell’ESA, considerati sensori di prima generazione, e dalle costellazioni di seconda generazione come COSMO-SkyMed e TerraSAR-X dell’ASI (Agenzia Spaziale Italiana) e del DLR (Agenzia Spaziale Tedesca). I dati SAR acquisiti da queste costellazioni hanno permesso l’analisi delle deformazioni in vari contesti, tra cui edifici vulcanici come l’Etna e il Vesuvio, caldere come i Campi Flegrei e Long Valley, eventi sismici come quelli de L’Aquila e dell’Emilia, aree urbane come Napoli, Roma, Los Angeles, e zone soggette a frane come Maratea e Assisi. Dal 2015, la tecnica P-SBAS è applicata in modo consolidato ai dati della costellazione europea Sentinel-1.
