La Terra controllata da “occhi” radar Gianfranco Fornaro Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente (IREA) Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) Via Diocleziano, 328 80124 Napoli fornaro.g@irea.cnr.it www.irea.cnr.it

Telerilevamento ed Osservazione della Terra Il telerilevamento, in inglese remote sensing, è la disciplina tecnico-scientifica o scienza applicata con finalità diagnostico-investigative che permette di ricavare informazioni sull'ambiente e su oggetti posti a distanza da un sensore mediante misure di radiazione elettromagnetica (emessa, riflessa o trasmessa) che interagisce con le superfici fisiche di interesse. Il telerilevamento ha applicazioni in diversi campi: rischi ambientali sicurezza agricoltura

I sensori radar in orbita polare Video orbita geostazionaria Video orbita polare I sensori radar sono posti su satelliti in orbita polare, Low Earth Orbit (LEO), al fine di sfruttare il moto relativo tra oggetti e sensore. Un giro della Terra viene effettuato in meno di due ore. I satelliti meteorologici e per telecomunicazioni sono in orbita geostazionaria per osservare sempre la stessa area.

Sensori attivi e passivi Sensori passivi: usano la radiazione solare (luce) o quella intrinsecamente emessa dall’oggetto osservato come fonte di illuminazione. Tipicamente operano nell’ infrarosso o nell’ottico. Sensori attivi: hanno una propria sorgente di illuminazione.

Le frequenze operative Le frequenze operative sono gli elementi caratterizzanti dei sensori di telerilevamento. Si distinguono i sensori ottici e all’infrarosso (multi/iper-spettrali) e i sensori a microonde. I sensori radar sono sensori attivi che operano nella regione microonde.

I sensori radar: capacità di “vedere” sempre Sensore MERIS sul satellite Envisat Sensore ASAR sul satellite Envisat stesso instante di acquisizione

L’importanza dell’informazione coerente L’utilizzo di una propria sorgente di illuminazione consente nei sistemi radar l’emissione di una radiazione con oscillazioni perfettamente controllate (radiazione coerente) Radiazione incoerente (es. luce solare) Radiazione coerente (impulso radar)

Il radar misura la distanza degli oggetti Come per un radar di sorveglianza anche nei radar per immagini i ritorni (echi) di oggetti a differenti distanze sono centrati a differenti tempi. Il radar ha quindi la possibilità di distinguere oggetti a differenti distanze (range) con un grado di risoluzione che è funzione della larghezza dell’impulso. Larga Banda Impulsi stretti Alta risoluzione

Il problema di operare a basse frequenze La diminuzione della frequenza della radiazione radar rispetto a quella ottica comporta una perdita di risoluzione. A sinistra è rappresentata una immagine presa del sensore Ikonos (ottico) ad 1m di risoluzione (immagine in alto). L’immagine in basso mostra il processo di peggioramento della risoluzione legato alla riduzione della frequenza della frequenza. Le immagini radar grezze presentano un grado di risoluzione dell’ordine di qualche chilometro.

Radar ad Apertura Sintetica (SAR): la possibilità di avere immagini ad altissime risoluzioni alle microonde COSMO/SKYMED Spotlight - 1m di risoluzione spaziale Focalizzazione: CNR-IREA orbita Footprint 5Km 1m 0.0006° 0.3°

La profondità Il sistema visivo consente di ricostruire la profondità confrontando due le immagini ai due occhi che osservano gli oggetti da angoli «leggermente diversi» (visione stereoscopica). Ciò che conta è di quanto è spostata da un occhio all’altro la proiezione dell’oggetto sul piano visivo: spostamenti elevati corrispondono ad oggetti vicini, spostamenti piccoli corrispondono ad oggetti lontani.

Le variazioni di distanza misurate con le oscillazioni ad alta frequenza (misure di fase) La misura della variazione di distanza con le tecniche interferometriche raggiunge accuratezze subcentimetriche: le misure topografiche risultanti dall’applicazione di tale tecnica raggiungono una accuratezza elevata, confrontabile con quelle planimetriche. cm

Esempio di interferogramma Sovrapposizione tra immagine SAR (scala di grigio) e la mappa delle interferenze (“picchi” delle oscillazioni).

La forma della Terra: le missioni per la misura delle mappe digitali altimetriche (DEM) a scala mondiale Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) Year: 2000 NASA, DLR, ASI Coverage: quasi-global (-54°:+60° lat) Gridding: 90m (30m on USA) freely available) Standard: DTED-2 TerraSAR-X/Tandem-X Year: 2010 DLR Coverage: global Gridding: 12m Standard: DTED-3

Video sorvolo simulato su DEM La forma della Terra misurata dalla missione SRMT dello Shuttle Endeavour Video sorvolo simulato su DEM

La forma della Terra a scala mondiale con diversi gradi di dettaglio  Astrium

L’interferometria differenziale per la misura delle “variazioni della forma della Terra” A seguito di fenomeni progressivi o estremi (frane, rigonfiamenti di origine vulcanica, terremoti), la forma della Terra cambia nel tempo. Tali variazioni (spostamenti) possono essere misurate utilizzando due riprese successive. Anche in questo caso il controllo delle oscillazioni ad alta frequenza (fase) consente di avere misure molto accurate. cm La tecnica dell’interferometria differenziale permette di misurare spostamenti con accuratezze centimetriche su aree vaste (diverse decine di migliaia di chilometri quadrati).

“Immagini” dei Terremoti LANDERS (California) 1992 : la prima «immagine» di un terremoto. Bam (Iran) 2003: immage Envisat.

Le deformazioni de l’Aquila viste dai satelliti italiani Cosmo/Skymed Interferogramma Cosismico 04. 04. 2010 – 12. 04. 2010 0.75 cm -0.75 cm

Le deformazioni de l’Aquila viste dal satellite ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea Video TG2 del 14 aprile 2009

Le deformazioni dell’Emilia viste dai satelliti italiani Cosmo/Skymed Interferogramma Cosismico 27 maggio – 4 giugno 2012

Le tecniche interferometriche che combinano decine di immagini Utilizzando riprese in diversi tempi è possibile monitorare nel tempo le deformazioni con accuratezze che arrivano all’ordine del millimetro all’anno. La tecnologia è stata interamente inventata e sviluppata in Italia.

Un esempio di monitoraggio su scala regionale Sensori: ERS, ENVISAT Elaborazione: CNR-IREA Risoluzione spaziale: 10m Risoluzione prodotto: 80m

Applicazione alle frane =0.4 cm =0.5 cm LOS Inclinometer  Δ LOS SAR 24

Il terremoto de l’Aquila monitorato da Cosmo/Skymed

POSTAZIONE INTERATTIVA ISOLA 5 Webgis: http://webgis.irea.cnr.it

La scansione del fascio in quota Utilizzando diversi passaggi si possono sintetizzare antenne di dimensioni elevate anche in quota e quindi avere la possibilità di generare fasci stretti che possono essere utilizzati per scandire in quota la risposta di oggetti al suolo. 2Km 0,001° 1.2° Applicazioni: foreste e ricostruzione e monitoraggio di aree complesse (urbane). Anche in questo caso la tecnologià da satellite è stata dimostrata e sviluppata in Italia.

I parametri delle foreste Utilizzando diversi con sensori a basse frequenze si può vedere attraverso le foreste ed ottenere informazioni sull’altezza delle piante e sui parametri legati alla biomassa. Track N Track n Track 1 200 600 1000 1400 1800 2200 -10 10 20 30 40 50 60  Politecnico di Milano

Dati SAR ad altissima risoluzione Immagine ottica Immagine radar TerraSAR-X

Il “radar scanner” dallo spazio Ricostruzione 3D dell’Hotel Mirage (Las Vegas) Sensore: TerraSAR-X Risoluzione spaziale: 1m Elaborazione: CNR-IREA /Agenzia Spaziale Tedesca

Dilatazioni termiche monitorate dallo spazio Area: Potenza (Italy) Ponte: Musmeci Sensore: TerraSAR-X Risoluzione spaziale: 3m Processing: CNR-IREA Progetto Europeo ISTIMES (Integrated System for Transport Infrastructures surveillance and Monitoring by Electromagnetic Sensing) http://www.istimes.eu

Sensori SAR da satellite: passato e futuro 1992 1995 1997 1998 2001 2002 2006 2007 2010 2012 2013 ERS1 J-ERS1 ERS2 RADARSAT-1 RADARSAT-2 ENVISAT ALOS COSMO/SKYMED TERRASAR-X TANDEM-X SENTINEL-1 ALOS-2 KOMPSAT-5

Video TG La7 del 6 novembre 2010 L’Italia è un Paese dove gli “occhi” radar rappresentano una tecnologia all’avanguardia sia a livello di satelliti e sistemi HW che di tecniche SW di elaborazione dei dati.

Conclusioni L’occhio SAR a microonde rappresenta un potente strumento per il monitoraggio del rischio ambientale e per la sicurezza. La tecnologia permette di monitorare grandi aree e consente analisi di dettaglio a risoluzioni molto elevate per il controllo anche di singole infrastrutture ed edifici. La tecnologia ha bassi costi rispetto ad altri metodi (linee di livellazioni, stazioni GPS, ecc) e consente la realizzazione di servizi operativi efficaci a livello nazionale e globale. La tecnologia è in forte crescita. I nuovi sensori sono volti a migliorare le capacità in termini di copertura e di qualità delle misure (precisione, sensibilità e densità spaziale e temporale). L’Italia continuerà a giocare un ruolo fondamentale con la messa in orbita dei satelliti COSMO/SKYMED Second Generation. GRAZIE