> FocusUnimore > numero 26 – giugno 2022


SM4SM – Satellite Methods for Structural Monitoring Satellite radar methods for structural monitoring and mapping of deformation phenomena in the Modena area 


Some teachers of DIEF are engaged in the project of development of a methodology for the structural monitoring and mapping of ground deformation phenomena from satellite radar data provided by the European Space Agency (ESA) community project Copernicus and the Italian Space Agency (ASI). In the first stage, the project focuses on the processing of satellite data relating to a vast territory including the Municipality of Modena. These data are processed with the PS-InSAR (Persistent Scatterers SAR Interferometry) interferometric technique that allows the detection of millimetric displacements, between subsequent satellite passages, for all targets that offer a consistent response to the signal sent by the satellite. Therefore, the methodology is useful to obtain ground displacements at structures with the typical detail of the satellite data used and therefore provides a powerful tool for monitoring both the territory and infrastructure. The second stage focuses on the characterisation of ground deformation and the application of new models for structural monitoring of bridges and buildings from displacement data provided by the interferometric technique.

L’obiettivo del progetto è lo sviluppo di una metodologia per il monitoraggio strutturale e la mappatura di fenomeni deformativi al suolo a partire da dati radar satellitari forniti dal progetto comunitario ESA (European Space Agency) Copernicus e dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Nella prima fase, il progetto si focalizza sull’elaborazione di dati satellitari relativi ad un vasto territorio comprendente il Comune di Modena. In particolare si utilizzano dati radar acquisiti con tecnica SAR (Synthetic Aperture Radar) a media risoluzione spaziale (20 x 5 m) forniti dai satelliti ESA Sentinel (1a e 1b) e alta risoluzione (3 m x 3 m) della costellazione Cosmo SkyMed di prima e seconda generazione, entrambi acquisiti nelle orbite ascendenti e discendenti (vedi figura 1). 

Copertura dei dati radar utilizzati dal progetto e forniti dai satelliti Sentinel-1 e Cosmo Skymed

Tali dati sono elaborati con la tecnica interferometrica dei PS-InSAR (Persistent Scatterers SAR Interferometry) che consente di rilevare spostamenti di entità millimetrica, tra successivi passaggi dei satelliti, per tutti i target che offrono una risposta coerente al segnale inviato dal satellite. Pertanto, la metodologia consente di ottenere spostamenti al suolo e in corrispondenza di strutture e infrastrutture con il dettaglio tipico del dato satellitare utilizzato e fornisce quindi uno potente strumento per il monitoraggio del territorio e dell’ambiente costruito (si veda la Figura 2 per una rappresentazione degli spostamenti medi al suolo ottenuti con tecnica PS-InSAR nell’area settentrionale della città di Modena).

La seconda fase è focalizzata sulla caratterizzazione delle deformazioni del suolo e sull’applicazione di nuovi modelli per il monitoraggio strutturale di ponti ed edifici a partire dati di spostamento forniti dalla tecnica interferometrica. Nonostante il metodo interferometrico sia già utilizzato per le indagini relative alle deformazioni al suolo, non sono oggi disponibili tecniche in grado di utilizzare i dati di spostamento nella definizione di alcuni tipici comportamenti delle strutture. 

Per identificare eventuali cedimenti di fondazioni e danni a ponti ed edifici, la procedura proposta distingue il comportamento della struttura da quello del suolo attraverso due modelli di deformazione, uno per la struttura e uno per il terreno circostante. A tal fine, è necessario elaborare i dati di spostamento relativi alle due orbite (ascendente e discendente) e definire modelli per allineare temporalmente e spazialmente i due dataset. L’identificazione diffusa di comportamenti strutturali anomali potrà essere utilizzata per supportare sistemi di early warning, affinché si possa intervenire sulla struttura prima che danni ingenti si possano verificare. I risultati saranno inoltre corredati da un’analisi delle incertezze affinché il gestore della struttura/infrastruttura possa valutare l’affidabilità delle risultanze.

Il risultato atteso è quindi una procedura in grado di monitorare in modo diffuso strutture e infrastrutture con un livello di precisione millimetrico, in un’ottica di manutenzione predittiva, e fornire informazioni su potenziali danni.

Spostamenti al suolo rilevati dai dati del satellite Sentinel-1

Tali obiettivi sono allineati con le linee strategiche individuate nella programmazione dell’Unione Europea in materia di ricerca e innovazione con impatti evidenti per comunità e amministratori impegnati nelle attività di governo del territorio (Cluster 3 “Civil security for society – Protection and security” e Cluster 4 “Digital, Industry and Space – Earth observation). Infatti il progetto promuove approcci al monitoraggio strutturale e del territorio basato sull’osservazione satellitare e degli asset dell’ambiente costruito e recepisce le indicazioni dell’UE che, con il progetto Copernicus, promuove le ricadute degli investimenti nel settore dell’osservazione satellitare e l’avvio della space economy.Il team incorpora le esperienze e le competenze necessarie per raggiungere gli obiettivi definiti dal progetto. Il Prof. Francesco Mancini (responsabile del Laboratorio di Geomatica del DIEF) si occupa di metodologie per il monitoraggio di fenomeni deformativi con tecniche geomatiche di tipo terrestre, aeree e satellitare. L’attività è supportata dall’Ing. Francesca Grassi, grazie alle competenze nell’elaborazione di dati radar satellitari. Il Prof. Loris Vincenzi (responsabile del Laboratorio di Strutture del DIEF) possiede competenze nell’uso di sensoristica e nei metodi di analisi dei dati per il monitoraggio strutturale. Nell’ambito del progetto, si occupa della definizione di algoritmi per la definizione del comportamento strutturale basati sugli spostamenti ottenuti con il metodo interferometrico. L’Ing. Elisa Bassoli collabora al progetto grazie alle competenze raggiunte nella fase di analisi dei dati del monitoraggio con sensori tradizionali e osservazioni satellitari.

Metodi radar satellitari per il monitoraggio strutturale e la mappatura di fenomeni deformativi nel territorio modenese