Studio di Fattibilità dell'analisi interferometrica su un'area di interesse

INTRODUZIONE 
 
 
Da più di un decennio le tecniche di analisi interferometrica consentono di 
ottenere mappe topografiche (DEM – Modello di Elevazione Digitale) ad alta 
precisione (dell’ordine della decina di metri) di vaste aree del pianeta e, più 
recentemente, mappe di deformazione del suolo con una precisione sub-
centimetrica fornendo quindi validi strumenti per il monitoraggio di aree a rischio 
a supporto degli enti per la protezione civile. 
Quelle analizzate, in questa tesi, sono le tecniche di analisi 
interferometrica  InSAR (Synthetic Aperture Radar Interferometry) e DInSAR 
(Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry). 
Queste due si basano, fondamentalmente, sul confronto tra i termini di fase 
di immagini complesse SAR  (Synthetic Aperture Radar) relative alla stessa zona 
acquisite in istanti di tempo differenti e con orbite di acquisizione leggermente 
diverse. 
Acquistare un set d’immagini SAR per effettuare analisi interferometriche, 
comporta disporre di risorse economiche non indifferenti. 
Considerato ciò, si comprende anche la necessità, da parte dell’acquirente, 
di voler effettuare uno studio previo di fattibilità in grado di dire se, il particolare 
set di immagini considerate, risulta adatto all’applicazione dell’analisi 
interferometrica.  
Un’esigenza simile è stata manifestata, ad esempio, dall’azienda Carlo 
Gavazzi Space di Milano la quale ha commissionato all’Università Federico II di 
Napoli lo sviluppo di una metodologia per applicare uno studio di fattibilità del 
genere prima citato. 
La finalità di questa tesi è quella di  sviluppare una possibile metodologia 
che permetta l’implementazione di  una procedura per effettuare tale studio di 
fattibilità.
Introduzione 
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La metodologia proposta si caratterizzata in sei passaggi consistenti nella 
creazione di tutte le possibili coppie di immagine generabili dal set assegnato, 
nella selezione di tali coppie con baseline minore della baseline critica (superata la 
quale le immagini risultano del tutto incorrelate), nella generazione degli 
interferogrammi, nella valutazione delle mappe di coerenza associate agli 
interferogrammi, nella creazione della mappa di coerenza media, 
nell’individuazione dei permanent scatterers candidati e nella valutazione della 
relativa densità. 
In tale metodologia quelli selezionati come possibili candidati PS sulla 
mappa di coerenza media, ottenuta appunto dalla media delle mappe di coerenza 
associate agli interferogrammi selezionati, sono i  punti/pixel delle immagini il cui 
valore di coerenza risulta maggiore di un valore di soglia opportunamente scelto. 
Applicata la sequenza dei passi indicata nella metodologia sopra descritta, 
se la densità dei PS risultante soddisfa il requisito assegnato, allora si ritiene 
fattibile l’applicazione dell’analisi interferometrica e si suggerisce di procedere 
all’acquisto del data-set completo di immagini. 
Per arrivare a discutere della metodologia proposta nonché dei problemi 
connessi allo studio di fattibilità dell’analisi interferometrica, verranno introdotti  
nei primi capitoli i concetti base del telerilevamento e dell’analisi 
interferometrica. 
In particolare, nel primo capitolo, si daranno nozioni circa il 
telerilevamento e gli strumenti ad esso collegati. 
Si parlerà poi, nel secondo capitolo, dei sistemi SAR e dei benefici che 
questi ultimi portano alla risoluzione in azimut. 
Nel terzo capitolo, si arriverà a discutere delle tecniche interferometriche 
sopra citate ossia InSAR e DInSAR. 
Infine nel quarto capitolo verrà descritta la procedura che faccia capire 
praticamente come bisogna operare al fine di effettuare lo studio di fattibilità 
sopra citato.
1 Cos’è il telerilevamento? 
 
Il telerilevamento è una  tecnica usata per ottenere informazioni da oggetti che si 
basa sulla raccolta e sull’analisi di dati senza che lo strumento usato per raccogliere i 
dati stessi entri in contatto diretto con l’oggetto studiato.  
Nel telerilevamento, tre elementi sono essenziali:  
1. una PIATTAFORMA in grado di sostenere lo strumento  
2. un OGGETTO da osservare 
3. uno strumento o un SENSORE per osservare l’oggetto. 
Un elemento importante è costituito anche dalle informazioni che si ottengono dai 
dati dell’immagine e dal modo in cui esse vengono utilizzate e salvate. 
Nel campo dell’ingegneria quando si parla di telerilevamento, l’oggetto osservato 
è la superficie della Terra e il telerilevamento viene inteso come un mezzo di misura a 
distanza delle proprietà di oggetti presenti sulla superficie della Terra. 
Le piattaforme sono tutti i mezzi di trasporto che determinano “la distanza” dalla 
superficie del pianeta (per esempio, aerei e satelliti). 
L’oggetto da osservare è il nostro pianeta, i sensori sono tutti gli strumenti 
utilizzati per osservare la Terra (telecamere, scanner, radar, ecc.) e le informazioni 
ottenute ed elaborate sono un utile strumento che aumenta la nostra conoscenza del 
pianeta e delle sue problematiche (l’evoluzione del buco d’ozono, l’avanzamento dei 
deserti, l’aumento della deforestazione e molto altro ancora)
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 D’ora in avanti, il termine telerilevamento si dovrà intendere nell’accezione in cui è utilizzato dagli 
ingegneri. Il telerilevamento è una scienza che mira soprattutto ad osservare e scoprire quello che succede 
sulla superficie terrestre. 
Capitolo primo 
Introduzione al telerilevamento
Capitolo 1                                                                          Introduzione al telerilevamento 
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1.1 Le piattaforme : Aerei e Satelliti 
 
Per quanto siano sofisticati gli strumenti utilizzati per il telerilevamento, senza un 
mezzo idoneo a sorvolare la Terra non è possibile acquisire dall’alto una panoramica 
ragionevole. 
È per questo che il telerilevamento è una scienza relativamente nuova. 
Attualmente il modo più semplice per monitorare la Terra a distanza consiste 
nell’utilizzo di aerei, questi per poter scattare fotografie vengono equipaggiati con 
macchine fotografiche. 
Caratteristico degli aerei (dal punto di vista del telerilevamento) è il fatto di volare 
ad una quota relativamente bassa (solo alcuni chilometri sulla superficie terrestre) e 
quindi di poter scattare solo fotografie di aree limitate, anche se tali fotografie 
consentono di riconoscere molti dettagli (es. automobili, persone, alberi, ecc). 
Affinché tali aerei possano effettuare voli di rilevamento, le condizioni 
meteorologiche devono essere sufficientemente buone da garantire la possibilità di 
acquisire molte fotografie; quindi le fotografie scattate dagli apparecchi a bordo di tali 
aerei sono spesso abbastanza nitide (se in assenza di nubi). 
D’altra parte gli aerei non possono volare sempre (ad es. di notte o quando piove o 
c’è foschia, anche se spesso è proprio in circostanze come queste che servono le 
immagini). 
In Figura 1.1 è mostrato un esempio di fotografia aerea. 
 
Figura 1.1 Fotografia aerea della zona ovest di Londra
Capitolo 1                                                                          Introduzione al telerilevamento 
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Si riesce a vedere tutti i dettagli della fotografia (per es. le macchine, il traffico 
stradale, le finestre degli edifici, i bus londinesi, ecc.). 
Nel 1957 un evento importante segnò l’inizio di una nuova era nell’osservazione 
della Terra. 
In quell’anno l’Unione Sovietica lanciò il primo satellite (Sputnik) della storia. 
Ma cos’è un satellite? Dalle scienze ci viene la definizione classica ossia un 
satellite è un corpo celeste orbitante intorno ad un pianeta o un corpo celeste che si 
muove attorno ad un pianeta. 
Ad esempio, un satellite che tutti conosciamo è la Luna. 
In generale, si dice che la Luna è un “satellite naturale” perché non è costruito 
dall’uomo. 
Per contro, i “satelliti artificiali” sono oggetti costruiti dall’uomo in orbita attorno 
ai pianeti. 
Quindi, nel telerilevamento, quando si parla di satelliti, ci si riferisce sempre a 
satelliti di tipo artificiale. 
I satelliti, oggi, sono le principali piattaforme utilizzate nel telerilevamento, essi 
sono in grado di trasportare una vasta gamma di sensori (sensori per studiare le 
condizioni meteorologiche, per studiare i paesaggi o i disastri naturali, altri per studiare 
la vegetazione ecc.). 
Rispetto agli aerei, una volta lanciato e dopo che ha raggiunto la sua orbita, un 
satellite è sempre a disposizione quindi non c’è bisogno di progettare un volo per 
acquisire immagini. 
Un altro grande vantaggio dei satelliti sta nel fatto che sono in grado di acquisire 
immagini di vaste aree (visione sinottica). 
Per esempio, sarebbe complicato per un aereo compiere una ricognizione 
sull’intera superficie di un oceano per individuare potenziali perdite di petrolio lasciate 
da una nave. 
Con un satellite, invece, il compito è molto più semplice. 
Il sensore a bordo di un satellite cattura regolarmente immagini dell’oceano, che 
vengono successivamente inviate ad una “stazione base”, qui le immagini vengono 
elaborate opportunamente, per valutare l’eventuale inquinamento dell’oceano. 
L’immagine satellitare, in Figura 1.2, mostra, in nero, un mare molto inquinato.
Capitolo 1                                                                          Introduzione al telerilevamento 
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In quel momento l’aereo addetto al monitoraggio osservò solo l’inquinamento 
vicino alla costa, ma l’immagine dal satellite rivelò che l’entità dell’inquinamento era 
molto maggiore. 
 
Figura 1.2 Immagine acquisita dal satellite ERS-1 nel dicembre 1992, dieci giorni dopo che la petroliera 
greca Aegean Sea finì arenata sulla costa spagnola. 
 
In ogni caso anche i satelliti hanno dei limiti. 
Alcuni di questi seguono. 
Anzitutto il costo dei satelliti è molto maggiore di quello degli aerei, inoltre 
progettare missioni aeree è più rapido ed economico. 
Se serve un’immagine di una particolare area o si aspetta che il satellite sorvoli 
quella zona (ma possono passare alcuni giorni) o si usa un altro satellite. 
Questa è una delle ragioni per cui servono così tanti satelliti per avere una 
copertura più o meno completa della superficie del pianeta. 
 
1.1.1 Orbite satellitari 
 
Poiché i satelliti sono in orbita al di fuori dell’atmosfera, non risentono della 
resistenza dell’aria e quindi per la legge d’inerzia volano a velocità costante. 
In più, fuori dall’atmosfera forze, che agiscono contemporaneamente sui satelliti, 
quali la spinta gravitazionale della Terra e la forza centrifuga, vengono a bilanciarsi. 
Il risultato di ciò è che i satelliti volano su orbite stabili, anche per molti anni, 
attorno alla Terra. 
La spinta gravitazionale diminuisce più ci si allontana dalla Terra, mentre la forza 
centrifuga aumenta di pari passo con l’aumento della velocità orbitale.
Capitolo 1                                                                          Introduzione al telerilevamento 
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Quindi un satellite in un’orbita bassa, cioè a una distanza di circa 800km dalla 
Terra, è esposto ad una forte attrazione gravitazionale quindi deve spostarsi ad una 
velocità considerevole per generare una forza centrifuga di pari entità. 
C’è quindi una connessione diretta tra la distanza dalla Terra e la velocità orbitale 
del satellite. 
A una distanza di 36000 km, l’orbita ha una durata di 24 ore, pari al tempo di 
rotazione della Terra, a questa distanza un satellite in orbita sopra l’Equatore sarà 
stazionario in rapporto con la Terra. 
Queste orbite sono dette “geostazionarie” e sono utilizzate principalmente dai 
numerosi satelliti di telecomunicazione. 
Un satellite stazionario utilizzato per il telerilevamento offre il vantaggio di vedere 
la Terra sempre dalla stessa prospettiva, ciò significa che è in grado di registrare la 
stessa immagine a brevi intervalli di tempo. 
Questa caratteristica è particolarmente utile per osservazioni delle condizioni 
meteorologiche. 
Uno svantaggio delle orbite geostazionarie risiede nella grande distanza dalla 
Terra che riduce la risoluzione spaziale raggiungibile. 
Per ottenere, allora, una panoramica globale o si usano molti satelliti 
meteorologici in orbita geostazionaria distribuiti uniformemente in varie parti del 
mondo oppure si fa uso di un’altra orbita. 
In questo caso il satellite è posizionato su un’orbita polare, allora, mentre il 
satellite esegue rivoluzioni intorno alla propria orbita, la Terra ruota sul proprio asse e 
ogni volta che il satellite effettua una rotazione completa, viene effettuata una scansione 
di una nuova striscia della superficie terrestre. 
Dopo un certo numero di rotazioni si otterrà una scansione intera della Terra. 
Alcuni satelliti effettuano ogni volta una scansione ampia e possono, di 
conseguenza, ricoprire l’intera superficie della Terra in poche rotazioni; al contrario, i 
satelliti con elevata risoluzione che effettuano scansioni di porzioni piccole di superficie 
impiegano vari giorni per coprire l’intera superficie terrestre. 
 
1.2 Gli oggetti da osservare 
 
La Terra è troppo grande per essere osservata tutta in una volta, per avere una 
immagine dell’intera sfera terrestre, il satellite deve allontanarsi dal pianeta.