Il Notiziario LASSTRE

A cura di Fabrizio D’Amico(1)

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IL NOTIZIARIO LASSTRE

IN QUESTO NUMERO DEL NOTIZIARIO SI ILLUSTRANO LE ATTIVITÀ DI RICERCA INTRAPRESE SULL’INTERFEROMETRIA RADAR SATELLITARE PER IL MONITORAGGIO DELLE INFRASTRUTTURE VIARIE E FERROVIARIE, CHE SI INSERISCONO TRA LE GIÀ NOTE ATTIVITÀ CONDOTTE DAL GRUPPO DI RICERCA DELL’UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE SUL RILIEVO E MANUTENZIONE DELLE INFRASTRUTTURE DI TRASPORTO

Il tema del monitoraggio delle infrastrutture di trasporto è sempre risultato essere tra le tematiche di maggiore interesse del gruppo di Ricercatori e Docenti del gruppo LASSTRE del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre. In Paesi come l’Italia, caratterizzati da un ambiente contraddistinto dalla simultanea presenza e interazione di fenomeni tettonici, vulcanici e idrogeologici - tali da condizionare ed a volte compromettere lo sviluppo sociale, economico e infrastrutturale del Paese - risulta ormai fondamentale per le Istituzioni l’utilizzo di sistemi di monitoraggio sempre più efficaci ed efficienti. Anche alla luce dei recenti drammatici eventi, come il crollo del viadotto Polcevera a Genova, emerge l’urgente necessità di monitorare lo stato attuale delle infrastrutture viarie, ferroviarie e delle opere in elevazione in particolare. In questo notiziario si riepilogano quindi alcune delle attività intraprese e condotte in questo ambito attraverso l’utilizzo e l’applicazione di metodologie innovative. A tal proposito, è evidente quanto sia strategico il continuo sviluppo tecnologico sul piano del supporto alle istituzioni preposte alla programmazione degli interventi di prevenzione e manutenzione o strettamente connessi a situazioni di emergenza. Il gruppo di ricerca sta lavorando sull’applicazione delle moderne tecniche di interferometria radar satellitare e nell’implementazione di modelli e algoritmi semi-automatici, per consentire un’efficace valutazione delle condizioni critiche per la sicurezza e ottimizzare la gestione di un nuovo servizio di monitoraggio delle infrastrutture di trasporto lineari, con specifico riferimento a quelle viarie e ferroviarie. In tale contesto, giova ricordare come la tecnica denominata Interferometria Differenziale da Radar ad Apertura Sintetica (DInSAR) satellitare ha dato prova, nel corso degli ultimi 20 anni, di enormi potenzialità in relazione alle attività di controllo e difesa del suolo per la capacità di individuare e monitorare i movimenti del terreno con accuratezza centimetrica e, in alcuni casi, millimetrica che non è possibile raggiungere con altra strumentazione. Le immagini radar satellitari vengono infatti acquisite attraverso l’utilizzo di particolari sistemi denominati SAR (Synthetic Aperture Radar) che, montati su piattaforme satellitari, riescono a fornire immagini elettromagnetiche della superficie terrestre a frequenze comprese tra 500 MHz e 10 GHz, con risoluzione spaziale di qualche metro. Questi dispositivi sono ormai in grado di sfruttare le orbite dei satelliti per osservare la stessa porzione di superficie da posizioni successive, in modo da sintetizzare un’antenna fittizia di grandi dimensioni ed incrementare la risoluzione al suolo. Il principale vantaggio dell’utilizzo di dati satellitari per il monitoraggio di fenomeni deformativi consiste nella possibilità di acquisire informazioni indipendentemente dalle condizioni di luminosità (rilievi diurni e notturni) e dalle condizioni meteorologiche, grazie alla capacità di penetrazione delle microonde. Un’ulteriore potenzialità consiste nella capacità di osservare estese porzioni della superficie terrestre in un arco temporale breve e con regolarità, in relazione al tempo di rivisitazione del satellite utilizzato, che può raggiungere fino a un giorno. Il gruppo di ricerca LASSTRE sta recentemente applicando tali tecniche InSAR con riferimento alle infrastrutture viarie e ferroviarie con il fine di ottenere utili informazioni da integrare con le tecnologie ad alto rendimento operanti direttamente sul suolo

1. Esempio di risultato ottenuto con analisi satellitare InSAR in corrispondenza della pista di volo n° 3 dell’Aeroporto di RomaFiumicino (Fonte: dati da Analisi PS-InSAR, Cosmo-Skymed 2013, PST-A: Piano Straordinario di Telerilevamento Ambientale)

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2. La misura della variazione di distanza sensore-bersaglio in corrispondenza di un PS

e per le quali si è già consolidata una importante attività di ricerca, tra cui spicca il Ground Penetrating Radar (GPR). L’idea alla base delle tecniche interferometriche è quella di confrontare più immagini satellitari acquisite dalla stessa orbita e sulla stessa area di interesse, eseguendo una differenza delle distanze sensore-bersaglio (sottraendo i rispettivi valori di fase delle immagini) misurate nei due istanti di acquisizione, identificando in tal modo possibili movimenti superficiali. Tra gli effetti che riducono la qualità dei risultati ottenuti con le tecniche di interferometria differenziale vi sono, in primo luogo, i fenomeni di decorrelazione temporale (collegate alle diverse condizioni vegetative del territorio) e geometrica, legata alla distanza tra le due orbite effettivamente percorse dal sensore. Entrambi i limiti sono stati superati dalla tecnica dei diffusori permanenti (PSInSAR). Tale approccio si basa sull’osservazione che un piccolo sottoinsieme di bersagli radar di piccole dimensioni, i Permanent Scatterers (PS), risultano praticamente immuni dagli effetti di decorrelazione temporale e geometrica. Tipicamente i PS corrispondono ad elementi già presenti al suolo per i quali le caratteristiche elettromagnetiche non variano sensibilmente di acquisizione in acquisizione. In corrispondenza dei PS è inoltre possibile calcolare la tendenza media di deformazione, con una precisione compresa nell’ordine dei millimetri (per i punti migliori), oltre all’intera serie temporale di deformazione. Alla precisione delle misure e alla densità spaziale dei punti di misura si aggiunge un ulteriore vantaggio, costituito dalla ricchezza di dati open-source ormai disponibili negli archivi dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA - European Space Agency). Ad oggi è possibile avviare un’analisi PS, avendo a disposizione dati a partire fin dal 1992 (come ad esempio missioni ENVISAT e ERS), con la possibilità di ricostruire la storia passata dell’area di interesse. A tal proposito i Ricercatori del LASSTRE sono risultati recentemente vincitori del progetto ESA denominato “STRAIN: Sensing Transport Infrastructures” (EOhopS Proposal id 46829). Il progetto si basa sull’applicazione di tecniche di Interferometria Radar Satellitare per l’individuazione e la caratterizzazione di anomalie e criticità in corrispondenza delle infrastrutture viarie di trasporto e delle opere in elevazione ai fini del monitoraggio delle stesse. A solo titolo di esempio, si può far riferimento a un’applicazione condotta dal gruppo di ricerca LASSTRE su di una tratta ferroviaria a singolo binario, situata in provincia di Foggia rappresentata nelle Figure 3 e 4. In tale contesto, l’applicazione della tecnica PS ha consentito di individuare, su una tratta lunga circa 10 km, un totale di tre zone puntualmente soggette a deformazione. In tal senso, dunque, questa preliminare applicazione ha consentito di ottenere un’utile indicazione al fine di ulteriori indagini di dettaglio, incrementando così l’efficienza e la produttività dell’intero sistema di monitoraggio infrastrutturale. D’altro canto, l’applicazione della sola tecnologia satellitare consente di individuare zone affette da spostamenti in corrispondenza delle infrastrutture di trasporto, ma non consente di

3. La linea ferroviaria di interesse 4. Un esempio di zona soggetta a deformazioni superficiali da analisi PS

LABORATORIO PER LA SICUREZZA STRADALE DELL’UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE

comprenderne le cause, fatto che invece risulta essenziale per la pianificazione di ulteriori indagini in situ e di possibili soluzioni al problema. È per tale motivo che, per indagare particolari fenomeni che possono provocare il degrado del patrimonio infrastrutturale, può risultare utile - e a volte strategico - integrare il dato satellitare con quello ottenuto da ulteriori tecniche non distruttive ad alta produttività. In tal senso, l’utilizzo del GPR - che consente una visione completa e dettagliata su ogni strato costituente la sovrastruttura in esame - può risultare un’efficace soluzione per ottenere una completa valutazione dello stato interno dell’opera. Inoltre, la caratterizzazione geometrica delle sovrastrutture, stradali o ferroviarie che siano, può ben effettuarsi tramite impiego ad esempio di Laser Scanner 3D, in grado di definire con risoluzione sub-millimetrica le dimensioni dei grani superficiali. L’efficienza di questa tecnica può essere inoltre sensibilmente e ulteriormente incrementata, se integrata all’utilizzo di Unmanned Aerial Vehicles (UAV), anche detti droni, capaci di monitorare le infrastrutture dall’alto. È opportuno sottolineare come questa complessa linea di ricerca intrapresa ben si presti al trasferimento tecnologico verso Istituzioni ed Enti Gestori che operano nel settore della realizzazione e manutenzione ordinaria e straordinaria così come del monitoraggio delle opere di ingegneria civile. In conclusione, quindi, l’impiego di dati satellitari al fine del monitoraggio delle infrastrutture di trasporto a livello di rete ha già dimostrato molteplici profili di interesse e proficua applicabilità. Ad ogni modo, è convinzione dei Ricercatori del LASSTRE che la massima efficienza ed efficacia vengano raggiunte solo in un contesto di integrazione numerica tra le informazioni raccolte tramite diverse tecnologie non distruttive, capaci di effettuare analisi su diversi elementi dell’infrastruttura monitorata, con una scala di dettaglio variabile. Di questi temi, peraltro, si è fruttuosamente discusso e si discuterà nella sessione “Data fusion, integrazione, correlazione e sviluppi delle tecnologie non distruttive e modelli numerici per le applicazioni in ingegneria e nelle geoscienze” dell’European Geophysicists Union General Assembly 2018 e 2019 (EGU 2018, EGU 2019), co-organizzata dal Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre che si tiene annualmente a Vienna. Tra le evidenze risultanti dalla sessione si conferma che, in estrema sintesi, è proprio per mezzo di tale processo di Data Fusion che si può effettivamente raggiungere un grado di complessiva conoscenza riguardo lo stato di un’infrastruttura, e quindi riguardo la relativa necessità di interventi manutentori. Il processo messo a punto sembra traguardare interessanti obiettivi legati alla costituzione di un sistema capace di supportare le necessarie azioni di manutenzione e gestione delle infrastrutture di trasporto con dati accurati, estesi e continuamente aggiornati ed aggiornabili da strumentazione ad alto rendimento. n

(1) Ingegnere e Dottore di Ricerca del Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi Roma Tre

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