CAMBIAMENTI VOLUMETRICI DELLE SPIAGGE E DELLE DUNE TRAMITE DATI VHR SAR

CAMBIAMENTI VOLUMETRICI DELLE SPIAGGE E DELLE DUNE
                    TRAMITE DATI VHR SAR
                                                    Gianfranco Fornaro, Virginia Zamparelli

         Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente, Consiglio Nazionale delle Ricerche
                                              (CNR-IREA), Napoli
Questo studio è stato sviluppato con il supporto della piattaforma CosteLab nell'ambito del “Progetto Premiale Rischi Naturali Indotti dalle Attività Umana - COSTE”, n.
   2017-IE.0, finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca (MUR), coordinato da ASI e sviluppato da e-GEOS e Planetek Italia con la partecipazione del
        Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Meteorological Environmental Earth Observation (MEEO) e Geophysical Applications Processing (GAP) srl
                               Risultati SAR generati dal processamento di prodotti CSK®, ASI ©, consegnati secondo licenza d’uso ASI

Obiettivi del tema di ricerca
Questo tema di ricerca è focalizzato sull’uso di sistemi radar per il rilevamento e il monitoraggio dei
cambiamenti volumetrici delle spiagge e delle dune nella zona costiera a sud di Oristano (Sardegna).
L'attività è stata orientata alla valutazione della reale applicabilità delle tecniche di telerilevamento satellitare
con i dati acquisiti dal sensore COSMO-SkyMed in modalità di acquisizione standard (risoluzione spaziale
di 3 m), mediante un’analisi interferometrica multi-temporale. Questa tipologia di analisi permetterà anche di
effettuare ulteriori indagini relative alla variazione temporale della coerenza interferometrica.

Materiali e Metodi
L'attività di ricerca relativa alle variazioni volumetriche della spiaggia e delle dune è stata condotta nell’area
di Piscinas, in corrispondenza del più importante sistema dunale italiano. L'analisi si è concentrata sull'uso
della risposta multitemporale di ampiezza e fase, permettendo la caratterizzazione delle proprietà di coerenza
e la presenza o meno di deformazioni. Nello specifico, è stata effettuata un'analisi di coerenza
interferometrica multitemporale per l'individuazione di aree stabili a livello elettromagnetico, ovvero meno
influenzate dai fattori ambientali (soprattutto forti fenomeni ventosi persistenti) o dai fattori antropici, anche
di piccola entità. E’ stato analizzato uno stack di 62 immagini COSMO-SkyMed acquisite in un intervallo
temporale di 3 anni dal 16/06/2015 al 24/06/2018. La scelta del dataset tiene conto dell'orientamento
dell'area (verso W-NW per il caso studio), in modo da evitare possibili perdite di risoluzione/coerenza
associate a fenomeni di foreshortening. In particolare, ci siamo concentrati sull’area che va dalla zona
costiera del Golfo di Oristano fino al sistema dunale di Piscinas. I dati sono stati elaborati con un metodo di
elaborazione interferometrica a due step implementato a bassa e ad alta scala (risoluzione) [1]. Il primo step
effettua l'analisi a bassa risoluzione selezionando un vincolo sulla generazione della rete interferometrica
corrispondente ad una baseline spaziale massima di 750 m e una separazione temporale massima di 120
giorni.
Questo passaggio permette di stimare a piccola scala (bassa risoluzione) sia il pattern di deformazione così
come il ritardo di fase di propagazione legato alla presenza dell’atmosfera (APD) che agisce come un
disturbo di rumore spazialmente correlato. L'elaborazione a bassa risoluzione è stata eseguita tramite
l’algoritmo di elaborazione DInSAR Small Baseline Subset (SBAS) [2] con un fattore multilook condotto su
una finestra di pixel di dimensione corrispondente a 60x60 m2.
Il modello ad alta risoluzione, elaborato dopo la rimozione dell'APD, si basa invece su un metodo
tomografico che sfrutta le informazioni di ampiezza e fase. In particolare, per tenere conto delle
caratteristiche di scattering dell'area analizzata, è stato considerato il metodo CAESAR (Component
extrAction and selEction SAR) [3,4].

Risultati e Discussione
L’analisi di deformazione è stata presa in considerazione per questo caso di studio, in quanto fornisce
informazioni sulla posizione delle aree che mostrano caratteristiche stabili nel tempo e che sono quindi meno
interessate dai fattori di erosione (in particolare dall'azione del vento). Questa analisi suggerisce come l'intera
area costiera a sud di Oristano non sia interessata da alcun fenomeno significativo di deformazione
nell'intervallo temporale considerato. In particolare, entrambe le mappe di deformazione (alta e bassa

risoluzione) forniscono una chiara evidenza delle aree non interessate da significativi cambiamenti nelle
proprietà di dispersione, nel periodo di osservazione (Fig.1).

    Figura 1: A sinistra la mappa di deformazione a bassa risoluzione che mostra la velocità media di deformazione
dell’intera area di studio. A destra l’analisi ad alta risoluzione dell’area di Piscinas: in alto l’immagine mostra i risultati
 alla massima risoluzione possibile; in basso, sono rappresentati i risultati ottenuti tramite il metodo CAESAR con un
                                                  fattore di multilook di 3x3.

In figura 2 è invece mostrata la mappa di coerenza dello scattering, che indica la stabilità temporale della
risposta complessa (ampiezza e fase) dello scatterer. Più precisamente il coefficiente di correlazione
temporale corrispondente al test statistico utilizzato per l'individuazione dei persistent scatterers [5]. La
mappa di coerenza mostra la presenza di un'area caratterizzata da un basso livello di coerenza che si sviluppa
lungo il letto di un torrente (direzione NW-SE). La coerenza della zona costiera risulta essere generalmente
più elevata rispetto alle regioni interne. Inoltre, il livello di coerenza nella parte meridionale della costa
raggiunge valori generalmente maggiori rispetto alla parte settentrionale. Le misure sembrano dunque
indicare una stabilità generale della zona costiera.

       Figura 2: Coefficiente di correlazione temporale utilizzato per l’individuazione dei persistent scatterers.

Per analizzare ulteriormente il comportamento della coerenza sullo stack multitemporale mostrato in figura
2, la coerenza osservata su tutte le possibili coppie interferometriche, è stata modellata come una funzione
triangolare rispetto alla baseline (spaziale) modellata dalla baseline critica e rispetto al tempo, come una
funzione esponenziale decrescente modellata dalla costante temporale di decorrelazione [6,7]. Questo
modello mostra come le variazioni temporali, non mostrate qui, spiegano la maggior parte della variabilità
spaziale della coerenza complessiva riportata in figura 2.

Possibili sviluppi futuri
L’analisi riportata in questa attività di ricerca può essere completata da indagini effettuate sulla
caratterizzazione della risposta d'ampiezza multitemporale della scena. Una semplice analisi che coinvolge le
statistiche di primo e secondo ordine relative all'intensità può da sola fornire informazioni interessanti sulla
scena osservata. Confrontando quindi una mappa fornita dal Corine Land cover [8] con una mappa che
mostra il rapporto tra il valore medio quadratico dell'intensità e la varianza di quest’ultima, è interessante
notare come un semplice indicatore derivato dall'analisi della risposta radar multitemporale fornisca una
mappatura spaziale piuttosto precisa delle linee di variazione della copertura del suolo (Fig.3). Questo
confronto fornisce la prova della potenziale applicabilità di questo indice per dedurre la variabilità temporale
del ground scattering associato ai cambiamenti che avvengono con le diverse copertura del suolo.

    Figura 3: Risultati dell’analisi dell’intensità. A sinistra il rapport tra l’intensità media al quadrato e la varianza
                         dell’intensità, mentre a destra la mappa del Corine Land cover (2018).

Pubblicazioni e Presentazioni
    •   N. Ghirardi, M.Bresciani, G. Luciani, G. Fornaro, V. Zamparelli, F. De Santi, G. De Carolis, C.
        Giardino, “Mapping of the risk of coastal erosion for two case studies: Pianosa island (Tuscany) and
        Piscinas (Sardinia)” In book Eighth International Symposium “Monitoring of Mediterranean Coastal
        Areas. Problems and Measurement Techniques”, Vol.126, pag. 713-722, Editore Firenze, 2020.
    •   M. Bresciani, N. Ghirardi, G. Fornaro, V. Zamparelli, F. De Santi, G. De Carolis, D. Tapete, M.
        Palandri, C. Giardino, “Mapping Of The Risk Of Coastal Erosion For The Case Study Of Piscinas
        (Sardinia)”, In Proc. IGARSS 2021

Bibliografia
    1. Fornaro, G. & Pauciullo A. (2018). Interferometric and Tomographic SAR. Novel Radar Techniques
       and Applications; Klemm, R., Nickel, U., Gierull, C., Lombardo, P., Griffiths, H., Kock, W., Eds:
       361-402.
    2. Fornaro, G., Pauciullo, A., Serafino, F. (2009). Deformation monitoring over large areas with
       multipass differential SAR interferometry: A new approach based on the use of spatial differences.
       International Journal of Remote Sensing, 30(6), 1455-1478.
    3. Fornaro, G., Pauciullo, A., Reale, D., Verde, S. (2014). Multilook SAR tomography for 3-D
       reconstruction and monitoring of single structures applied to COSMO-SKYMED data. IEEE Journal
       of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 7(7), 2776-2785.
    4. Fornaro, G., Verde, S., Reale, D., Pauciullo, A. (2015). CAESAR: An approach based on covariance
       matrix decomposition to improve multibaseline–multitemporal interferometric SAR processing.
       IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 53(4), 2050-2065.

5. De Maio, A., Fornaro G., Pauciullo A, (2009). Detection of Single Scatterers in Multidimensional
   SAR Imaging. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 47 (7), 2284-2997.
6. Rocca, F. (2007). Modeling interferogram stacks. IEEE Transactions on Geoscience and Remote
   Sensing, 45(10), 3289-3299.
7. Pauciullo, A., De Maio, A., Perna, S., Reale, D., Fornaro, G. (2014). Detection of partially coherent
   scatterers in multidimensional SAR tomography: A theoretical study. IEEE Transactions on
   Geoscience and Remote Sensing, 52(12), 7534-7548.
8. Feranec, J., Soukup, T., Hazeu, G., Jaffrain, G. (Eds.). (2016). European landscape dynamics:
   CORINE land cover data. CRC Press.