Il monitoraggio satellitare InSAR del territorio regionale toscano

È stato presentato lunedì 9 aprile a Firenze il sistema di monitoraggio satellitare del territorio regionale toscano tramite interferometria radar da satellite (InSAR – Interferometric Sinthetic Aperture Radar), frutto di una collaborazione fra Regione Toscana, Dipartimento di Scienze della Terra dell’Università di Firenze, LAMMA e Protezione Civile regionale. La Toscana è la prima regione italiana a dotarsi di un sistema del genere, consistente nella sorveglianza dei movimenti di circa 2 milioni di “permanent scatters” (riflettori permanenti), per lo più punti di origine antropica (edifici o strade), distribuiti in tutto il territorio regionale. L’obiettivo generale delle attività è l’aggiornamento dinamico del quadro conoscitivo sul rischio idrogeologico, grazie all’analisi della posizione di questi punti ad ogni passaggio del satellite, individuando eventuali comportamenti anomali di uno o più di questi e determinare se sia il caso o no di approfondire la situazione. È quindi possibile sia diramare una previsione precoce di alcuni eventi, come fornire un aggiornamento continuo in caso di dissesti, fornendo indicazioni utili alla gestione dell’emergenza. La Toscana è stata la prima regione italiana a dotarsi di questo strumento, che permette di monitorare l’evoluzione morfologica del territorio, con particolare riferimento a frane ed altri fenomeni di dissesto ad un costo contenuto. Da notare che vengono usati i satelliti europei Sentinel e che il software utilizzato, oggi diffuso in tutto il mondo, è stato ideato e sviluppato interamente in Italia.

PERCHÈ  L’INTERFEROMETRIA RADAR DA SATELLITE? Il radar con apertura sintetica interferometrica (InSAR) consente l'individuazione, la mappatura e l'analisi delle aree interessate da deformazioni indotte da fenomeni di dissesto idrogeologico come frane e subsidenza indotta da pompaggi della risorsa idrica o connessa allo sfruttamento della risorsa geotermica. Questa tecnica oggi è largamente utilizzata in geodesia e telerilevamento, perchè è lo strumento più all’avanguardia per la misura degli spostamenti superficiali, in quanto presenta due importanti vantaggi:

• il primo è che l’interferometria radar satellitare usa di base come bersagli riflettenti del segnale precedentemente emesso dal satellite stesso edifici, manufatti o speroni rocciosi: in questo modo si ottiene un numero importante di misurazioni non invasive e ad alta precisione degli spostamenti del suolo e dei manufatti, senza dover implementare una rete di stazioni apposite come succede invece per i sensori GPS. Ne consegue la possibilità di avere una rete di stazioni di riferimento estremamente densa (in Toscana sono quasi due milioni…), ottenuta ad un costo relativamente basso rispetto ad un monitoraggio a scala regionale fatto con reti geodetiche; 
• il secondo è che l’uso del radar ha il vantaggio assoluto di non aver bisogno di particolari condizioni di luce e le frequenze a cui lavora sono non vengono disturbate da pioggia, nebbie e nuvole, quindi è indipendente da qualsiasi variabile astronomica e meteorologica

La metodologia consiste nel confronto delle immagini scattate nei passaggi successivi di un satellite (o di una costellazione di satelliti), esaminando se e di quanto uno dei bersagli permanenti si è mosso (o ha cambiato la sua velocità) nel corso dei vari passaggi del satellite sopra di lui, con precisione millimetrica. Questo monitoraggio, dunque, è eccellente per studiare alcuni fenomeni geologici come subsidenza, frane a cinematica lenta, movimenti tettonici e vulcanici, in qualche caso anche a scala del singolo di edificio e a costi piuttosto contenuti. Inoltre i dati possono essere utilizzati per il monitoraggio delle infrastrutture di origine antropica come strutture portuali e tracciati stradali, per valutare la stabilità di infrastrutture quali ponti, cavalcavia e viadotti e per mettere in evidenza e controllare fenomeni di instabilità in aree di cava. 

I primi dati di questo genere da parte dell’ESA sono arrivati nel 1992 e nel 1996 il professor Canuti, all’epoca docente di Geologia applicata a Firenze ne segnalò l’importanza a Franco Barberi, sottosegretario alla Protezione Civile, che ne recepì subito l’utilità. Uno dei primi esempi di applicazione di questa tecnica allo studio del dissesto del territorio da parte dei geologi fiorentini è stato proprio nel 1996 quando a Marano, sull’Appennino bolognese, si mise in moto la stessa frana che si è ripresentata il mese scorso e di cui ho parlato qui.

Nel 2003 ci fu la prima applicazione a scala di bacino, con l’aggiornamento della situazione del dissesto del territorio nel bacino dell’Arno. Seguì l’esperienza di Cavallerizzo di Cerzeto, in Calabria. Da quel momento il Dipartimento di Scienze della Terra di Firenze è centro di competenza della Protezione Civile e ha spesso usato i satelliti InSAR per il monitoraggio delle frane durante e dopo le emergenze.

Perché però questa esperienza si è tradotta solo adesso in questo flusso di dati e perché solo dopo l’esperienza toscana il sistema verrà applicato a tutto il territorio nazionale? Perché solo adesso, con i satelliti della costellazione Sentinel, c’è la disponibilità di dati costante alla giusta definizione e per l’affinamento e il consolidamento della tecnica InSAR. 

I satelliti Sentinel dell’ESA ritornano sulla stessa area ogni 6 giorni circa, ora più, ora meno. Il satellite invia un segnale radar a terra, che viene riflesso appunto dai riflettori permanenti. I segnali radar vengono interpretati grazie ad un software ideato da una azienda italiana, la TreAltamira, uno spin-off del Politecnico di Milano. È stata scelto Sentinel perché ha la giusta risoluzione per operare a scala regionale. Un sistema come l’italiano COSMO-SkyMed, che per esempio è stato impiegato per il monitoraggio del relitto della Costa Concordia, ha una risoluzione più precisa, ma a livello regionale diventerebbe ingestibile, perché invierebbe troppi dati. Pertanto COSMO-SkyMed viene affiancato a Sentinel solo nel caso che necessiti una investigazione più particolareggiata. 

L’archivio attualmente disponibile è formato da 280 acquisizioni in 4 anni, cioè da quando è attivo Sentinel, quindi da prima dell’inizio del progetto specifico, nell’ottobre 2016.

IL PROGETTO TOSCANO. La Toscana è la prima regione a fare una cosa di questo tipo: il monitoraggio con il radar interferometrico satellitare è un “presidio del territorio” capace di vedere i fenomeni prima che diventino disastri, ed è quindi complementare al sistema nazionale di allerta perché indentifica le forzanti che agiscono sul territorio dove c’è il rischio, permettendo di allertare il sistema di Protezione Civile.

I dati ottenuti tramite il monitoraggio InSAR sono piuttosto specialistici e da gestire con la dovuta attenzione. È ovvio che il loro trasferimento deve seguire procedure rigorose. Gli attori principali sono quattro:

• il LAMMA, che ai più è noto per le previsioni del tempo (sulle quali è apprezzato e utilizzato ben fuori i confini regionali) ma fa tante altre cose, è il primo passaggio: i dati provenienti direttamente da chi elabora il dato vengono immessi nel WebGIS regionale
• il DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA tramite il gruppo di Geologia Applicata interpreta i dati e effettua il monitoraggio in continuo dello scenario deformativo del territorio della Regione Toscana, producendo un report ogni 12 giorni
• la REGIONE TOSCANA, nel caso, trasmette le informazioni acquisite dal monitoraggio radar satellitare presso gli Enti competenti (comuni, Protezione Civile e Genio Civile)
• gli ENTI COMPETENTI hanno così un prezioso ausilio per la prevenzione prima e per la sorveglianza poi dei fenomeni che coinvolgono la deformazione del suolo

In caso di una situazione che si può profilare grave è previsto un sopralluogo in tempi rapidi.

L’ATTIVITÀ SPECIFICA DEL DIPARTIMENTO DI SCIENZE DELLA TERRA. Sostanzialmente vengono generati due prodotti: un monitoraggio istantaneo tutte le volte che il satellite che passa e una mappatura della deformazione generale del territorio in un anno.

• nel monitoraggio in tempo reale (PS MONITORING), i dati vengono analizzati al loro arrivo in funzione della serie temporale di ogni singolo punto e l’allarme per una anomalia scatta quando l’ultimo dato del movimento del punto si discosta dal suo trend generale, quindi quando un punto che è sempre stato fermo mostra un movimento, oppure se un punto in movimento rallenta o incrementa la sua velocità  
• nella mappatura generale del territorio (PS MAPPING) è invece una analisi della deformazione totale avvenuta nell’arco di un anno e serve, nello specifico del progetto, per aggiornare la mappa dei dissesti

Quando al DST viene identificato un cluster di anomalie, queste vengono analizzate ed interpretate in modo da attribuirne la causa (subsidenza locale o areale, innalzamento locale o areale, movimento di versante, attività geotermica, deformazione in discarica, attività estrattiva) e gli viene attribuito di conseguenza un colore, armonizzato con quelli generali del sistema della Protezione Civile, che tiene conto della importanza di quanto gravita intorno all’area in oggetto (ad esempio un cluster in un centro abitato è più importante di un cluster intorno ad un edificio isolato). Viene poi aggiornata la carta regionale della classificazione dei comuni, nella quale il colore del comune corrisponde a quello del cluster più “grave” esistente nel suo territorio.

La classificazione presenta questi 4 colori:

ROSSO: comune con almeno un cluster interessa infrastrutture primarie e/o agglomerati di edifici

ARANCIO: comune con almeno un cluster di deformazione interessa infrastrutture secondarie e/o edifici sparsi

GIALLO: comune con almeno un cluster, ma che non interessa elementi a rischio

VERDE: assenza di cluster

Questo in figura è uno dei bollettini di monitoraggio più recenti.

Le anomalie necessitano di sopralluoghi per la loro validazione. Eccone alcuni esempi.

Qui un sopralluogo ha evidenziato un crollo lungo una scarpata come origine di una anomalia in una cava. 

Una frana nell'Appennino pistoiese, con il coinvolgimento di alcuni edifici di una frazione del comune di Sambuca Pistoiese

La forte subsidenza dell'area a SE di Pistoia, provocata dagli ingenti prelievi di acqua per il florovivaismo.

In quest’altra carta è invece presentato il dato regionale complessivo, con l’evidenziazione delle cause a cui sono state addebitate le varie anomalie.

Rendere fruibili queste informazioni all’utilizzatore finale non è banale, perché i dati grezzi sul WebGIS necessitano di una interpretazione che non è alla portata di chiunque, ma solo di operatori altamente specializzati. Comunque nel prossimo futuro sul sito del LAMMA sarà liberamente scaricabile per tutti il bollettino, disponibile ogni 12 giorni (e anche la serie storica dei bollettini).