Il sistema di rilevamento
Il sistema di rilevamento per il monitoraggio geodetico consta di due componenti, una componente satellitare ed una componente in situ.
La componente satellitare utilizza dati acquisiti da sistemi radar (Synthetic Aperture Radar, SAR) montati su satelliti che orbitano a varie centinaia di chilometri dalla Terra (Figura 1), in grado di fornire immagini a microonde ad alta risoluzione. Tali sistemi sono denominati “SAR”, acronimo inglese di Radar ad Apertura Sintetica. In virtù della lunghezza d’onda maggiore rispetto alla radiazione visibile e infrarossa, le microonde hanno l’importante proprietà di penetrare attraverso nuvole, nebbia e l’eventuale copertura di cenere o polveri (per esempio nel caso di un’eruzione vulcanica o crollo di un palazzo); sono inoltre indipendenti dalle condizioni di illuminazione (giorno o notte), consentendo quindi un monitoraggio in qualsiasi condizione metereologica e ambientale.
L’analisi delle deformazioni superficiali sull’area di Cornegliano Laudense è stata condotta utilizzando sia dati SAR d’archivio, che consentono di osservare la storia “passata” degli spostamenti del suolo nell’area di interesse, sia dati di recente acquisizione per monitorare l’attuale evoluzione della deformazione superficiale.
Per quanto riguarda i dati d’archivio, sono state utilizzate congiuntamente immagini SAR collezionate dai sensori ERS-1/2 ed ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) su un’area di circa 95 km x 60 km che include il sito di Cornegliano Laudense, relative al periodo 1993-2010. In particolare l’analisi delle deformazioni è stata condotta utilizzando 141 immagini acquisite dai satelliti lungo orbite discendenti (il satellite si muove da Nord a Sud) e 76 lungo orbite ascendenti (il satellite si muove da Sud a Nord).
Per quanto riguarda invece il monitoraggio in atto, l’analisi delle deformazioni superficiali è effettuata utilizzando i dati collezionati dalla costellazione Sentinel-1 (S-1) del Programma Europeo Copernicus, che è composta da due sensori gemelli, denominati S-1A e S-1B, che consentono di acquisire immagini SAR ogni 6 giorni sull’area di interesse (Figura 1). In particolare, sono stati finora utilizzati 191 dati SAR S-1 acquisiti da orbite discendenti e 200 da orbite ascendenti su un’area di circa 190 km x 70 km che include il sito di Cornegliano Laudense, a partire da marzo 2015 fino ad oggi.
Le analisi condotte grazie ai dati satellitari sono integrate con quelle effettuate tramite la rete di stazioni GNSS al fine di vincolare le misure satellitari su alcuni punti posizionati a terra, per i quali è nota la posizione con precisione.
Cosa si misura
La tecnica denominata Interferometria Differenziale SAR (DInSAR) consente di misurare gli spostamenti del suolo (come abbassamenti o innalzamenti del terreno, subsidenze, slittamenti ecc.) con una precisione dell’ordine dei centimetri e in alcuni casi dei millimetri, su zone spazialmente molto estese (decine di migliaia di km²). Le metodologie DInSAR in sostanza “confrontano” coppie di immagini SAR acquisite da uno o più sensori all’incirca dalla stessa posizione ma in tempi diversi, su una data area della superficie terrestre. Se qualcosa è cambiato nell’intervallo di tempo tra le due acquisizioni, ovvero se è avvenuta una deformazione del terreno tra i due passaggi successivi del sensore, questa può essere misurata e visualizzata tramite una mappa in falsi colori con una corrispondenza tra colori e movimenti del suolo.
Inoltre, grazie alle tecniche DInSAR avanzate, combinando opportunamente una sequenza di immagini SAR acquisite su una stessa area nel corso del tempo si può misurare l’evoluzione della deformazione della superficie nell’intervallo di tempo considerato. Una di queste tecniche, denominata SBAS (acronimo inglese di Small Baseline Subset), consente di generare mappe di deformazione del suolo a media e alta risoluzione spaziale (decine di metri/metri) molto più dense spazialmente rispetto ai metodi geodetici di tipo tradizionale (campagne di livellazione geometrica o misure GPS) e con frequenze temporali che crescono sempre più.
È opportuno notare che le mappe generate tramite le analisi DInSAR misurano la deformazione del suolo proiettata lungo la linea di vista del sensore, in sostanza misurano quanto un punto a terra si allontana o si avvicina dal sensore lungo la sua linea di vista (indicata in inglese come Line Of Sight, LOS). Sfruttando però il fatto di avere acquisizioni effettuate sia da orbite discendenti sia ascendenti, si possono combinare opportunamente i risultati relativi alle rispettive analisi per generare sia mappe (Figura 1), sia le serie temporali di deformazione, delle componenti verticale ed Est-Ovest degli spostamenti rilevati.
Cosa rappresentano le analisi DInSAR
I principali risultati delle analisi DInSAR sono le serie temporali (anche dette serie storiche) della deformazione del suolo, misurate tipicamente in centimetri, e le relative mappe di velocità media di deformazione calcolate in cm/anno, relative ad un intervallo temporale che è quello durante il quale i dati sono stati acquisiti dal sensore radar e con una frequenza temporale data dall’intervallo di tempo tra due osservazioni successive relative all’area selezionata a Terra.
Le mappe di velocità media di deformazione del terreno sono mappe geocodificate, quindi sovrapponibili alle mappe già esistenti della zona, e vengono rappresentate in falsi colori che corrispondono agli spostamenti del suolo. In tali mappe sono mostrati solo i punti nei quali la misura di deformazione può essere considerata affidabile e per ciascuno di tali punti è calcolata la serie storica di deformazione.
La risoluzione spaziale finale delle mappe di deformazione del suolo ottenute tramite l’analisi DInSAR dei dati Sentinel-1 è di circa 30m x 30m, mentre la loro estensione spaziale è circa 190 km x 70 km; il campionamento temporale delle relative serie storiche di deformazione è attualmente di 6 giorni.
Le misure DInSAR sono misure differenziali, ovvero misure relative rispetto a un punto che può essere considerato stabile che viene scelto come riferimento. Nel nostro caso il punto di riferimento (detto anche punto d’aggancio) è un pixel situato nell’area urbana di Pavia nei pressi di una corrispondente stazione GPS che, come testimoniato dalle relative misure GPS, risulta non essere affetta da deformazione (cfr. Figura 1).
Le analisi DInSAR, nativamente, generano la misura della deformazione del suolo proiettata lungo la linea di vista del sensore (LOS), (cfr. Figura 2 e Figura 3); combinando, però, opportunamente i risultati DInSAR prodotti tramite analisi effettuate con acquisizioni lungo orbite ascendenti e discendenti si possono ottenere le misure delle componenti verticali ed Est-Ovest degli spostamenti del suolo (cfr. Figura 4 e Figura 5).
A cosa serve il monitoraggio geodetico
Le attività di estrazione/stoccaggio di idrocarburi e di reiniezione di fluidi nel sottosuolo possono indurre fenomeni di deformazione superficiale. Tali effetti deformativi forniscono importanti informazioni sulle caratteristiche dei fenomeni sub-superficiali da cui sono originati e sulla loro evoluzione temporale. Il monitoraggio geodetico ha l’obiettivo di fornire informazioni sia sull’andamento temporale delle deformazioni del suolo, sia sulla loro distribuzione spaziale nell’area analizzata, evidenziando eventuali variazioni rispetto allo scenario deformativo di background, cioè precedente alle attività di sfruttamento del sottosuolo.