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Lo sguardo dei satelliti sul nostro territorio: l’occhio dei radar al nostro servizio

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di Lorenzo Lipparini, Geologo

Forse non tutti sanno che….. verrebbe da cominciare, come la famosa rubrica della settimana enigmistica. E in effetti è stato per me stupefacente qualche anno fa scoprire che grazie ai sensori radar dei satelliti, è possibile non solo osservare e monitorare la superficie del nostro territorio oggi, ma addirittura andare indietro nel tempo, di anni, e scoprire come essa si è evoluta.

Ma facciamo un passo alla volta.

INTRODUZIONE

L’area della quale parliamo, è per l’appunto quella del delta del Tevere, da Fiumicino a Ostia, il nostro territorio (fig.1).

 

Fig.1 – (A) Area di studio con sovrapposta una carta geologica storica (Amenduni, 1884), nella quale si osservano gli antichi stagni di Maccarese e Ostia (Maccarese e Ostia pond). La linea tratteggiata in bianco rappresenta il Grande Raccordo Anulare di Roma, come riferimento.

Dal punto di vista geologico, l’area è stata dominata dal delta del Tevere, e dalla sua evoluzione nel tempo oltre che, almeno da epoca romana, da importanti interventi di carattere umano che ne hanno modificato notevolmente e continuamente l’aspetto.

Grazie ad una serie di studi geologici, dati derivanti dai pozzi perforati nell’area, e grazie a studi geofisici che indirettamente ci restituiscono l’andamento degli strati geologici sotto la superficie, è possibile ricostruire in dettaglio la distribuzione e gli spessori di questi depositi del delta del Tevere, cosi come mostrato in fig. 2, in mappa e in sezione.

 

Fig. 2 – Inquadramento geologico dell’area di Fiumicino e del delta del Tevere (da Bozzano et al., 2018). (b) Mappa della superficie di unconformity alla base delle sequenze deposizionali più recenti; in grigio via via più scuro le aree con uno spessore maggiore; (c) Sezioni geologico-stratigrafiche attraverso le sequenze deposizionali del Tevere (vedere figura 1b per la posizione delle sezioni) (da Milli et al. “Morphological features of the Tiber delta”, modificato da Giraudi 2004). LST, lowstand system tract; TST, transgressive system tract; HST, highstand system

Conoscere gli spessori, le caratteristiche e le variazioni laterali di questi depositi, è uno strumento fondamentale per qualsiasi attività di pianificazione del territorio e un dato di partenza per capirne la sua evoluzione odierna, in particolar modo nella costruzione di nuovi insediamenti urbani, strade, ferrovie ecc., cosi come per conoscere, ad esempio, la distribuzione in profondità delle acque dolci.

LA SUBSIDENZA

Com’è noto, ma forse non evidente a tutti, quest’area, da Fiumicino al delta del Tevere, è soggetta a fenomeni chiamati di “subsidenza”, cioè di abbassamento graduale, lento e per lo più costante, del suolo; fenomeni che sono legati alle caratteristiche litologiche e geotecniche dei depositi tipici di ambiente deltizio come il nostro, con limi e sabbie limose, depositi di torba ecc., sedimenti che per le loro caratteristiche risultano compressibili, cioè tendono a compattarsi in maniera consistente specialmente se sottoposti ad un carico (come la costruzione di un edificio o di un asse viario importante, ad esempio).

Per un territorio come il nostro, di fatto circondato dalle acque del fiume Tevere (soggetto a piene periodiche e stagionali) e del mare (soggetto alle maree e agli eventi di mareggiate), e ubicato allo stesso livello di quota, i fenomeni di subsidenza devono essere ben conosciuti, monitorati e, ove possibile, ridotti, per evitare eventi di allagamenti anche importanti, in un’area così fortemente popolata, con le conseguenze in termini di danni, alle cose e alle persone facilmente immaginabili, e delle quale si conserva memoria anche recente.

Studi come quello che qui di seguito velocemente raccontiamo, inspirato in particolare ad una pubblicazione effettuata nel 2018 sull’area da un gruppo di ricerca dell’Università “La Sapienza” di Roma e della società NHAZCA (spin-off della stessa Università), possono rappresentare non solo un tema interessante per conoscere meglio il proprio territorio, ma ancor di più uno strumento da utilizzare per una sua gestione ottimale e lungimirante, per la gestione e riduzione dei rischi, per supportare in maniera ampia la sua pianificazione territoriale.

Prendo quindi spunto da questo articolo (Bozzano et al, 2018), per raccontare il nostro territorio da un altro punto di vista, quello del satellite, punto di vista lontano eppure così preciso e attento, che può in maniera indipendente e oggettiva insegnarci molto sul territorio che ci ospita e sul modo migliore di gestirlo, cercando di comprenderne le caratteristiche e le modifiche in atto in anticipo, piuttosto che affrontarne le emergenze.

LA TECNICA DI STUDIO – IL SAR SATELLITARE

La tecnica di cui stiamo parlando, quindi quello che abbiamo definito “l’occhio radar del satellite”, si chiama interferometria SAR Satellitare. È una tecnica in grado di misurare, con un’accuratezza millimetrica, gli spostamenti superficiali di un territorio anche molto vasto, attraverso l’analisi di immagini radar che i numerosi satelliti artificiali, in orbita intorno alla terra, continuamente acquisiscono. Questi satelliti orbitano a quote oltre i 600 km di altezza, e acquisiscono costantemente immagini con vari sensori, quali quelli radar, “rivisitando” ciascuna area con cadenza costante, per mesi ed anni, una volta ogni settimana o due.

Più in dettaglio la tecnica di analisi della quale parliamo è nota come A-DInSAR (tecniche avanzate di analisi interferometrica satellitare avanzata), una combinazione di tecniche che utilizza numerose immagini SAR satellitari e algoritmi sofisticati per misurare la deformazione della superficie terrestre e degli oggetti su di essa presenti (Figura 3a e b – Ferretti et al., 2001).

 

Fig. 3. Schema che illustra i principi di base delle metodologie A-DInSAR: (a) acquisizioni del satellite sulla stessa area di studio in tempi diversi; (b) image stacking; (c) Persistent Scatterers e differenza di fase (parte rossa dell’onda) del segnale SAR (da Rocca, 2017).

 

È una tecnica che sfrutta la presenza sul territorio di riflettori naturali visti dal radar, chiamati Persistent Scatterers (fig. 4 c), caratterizzati da un’elevata riflettività del segnale radar, costante nel tempo (Ferretti et al., 2001; Kampes, 2006), quali elementi antropici (edifici, manufatti, infrastrutture), e naturali (rocce esposte, porzioni omogenee di terreno), senza la necessità che vi siano installate strumentazione di misura.

Grazie agli archivi storici delle immagini radar satellitari (disponibili a partire dai primi anni ’90), acquisiti dalle diverse Agenzie Spaziali Internazionali durante missioni passate e ancora attualmente in corso, è possibile eseguire analisi degli spostamenti storici, andare cioè indietro nel tempo, per quanto questa possibilità abbia per certi versi dell’incredibile, e sia sconosciuta alla maggior parte delle persone.

Da quando le prime missioni satellitari con sensori SAR sono state lanciate le immagini radar sono state raccolte in diverse parti del mondo, con tempi di rivisitazione della stessa area dell’ordine di alcuni giorni, da numerosi satelliti dai nomi “spaziali”, quali ERS1 ed ERS2, ENVISAT, RADARSAT-1, RADARSAT-2, ALOS-PALSAR, ALOS2, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, SENTINEL-1A, SENTINEL 1-B.

Cosi come si possono fare delle analisi per ricostruire il passato, con le stesse tecniche di analisi è possibile usare le informazioni ottenute dalle immagini radar di satelliti attualmente in orbita, per monitorare e controllare l’evoluzione attuale e futura dei fenomeni oggetto di studio.

L’AREA DI OSTIA E FIUMICINO – ESEMPI

Andiamo ad analizzare quindi alcune delle immagini pubblicate dai colleghi geologi nel 2018 (Bozzano et al., 2018), e vediamo quali informazioni ci mostrano e dettagli ci raccontano, come strumento per conoscere meglio il nostro territorio.

Come premessa generale, nelle figure che seguono i pallini colorati rappresentano le velocità medie di spostamento del terreno (in questo caso subsidenza), espressa in millimetri per anno, cosi come misurato dai dati satellitari. In rosso le aree a subsidenza maggiore, in verde le aree stabili. In particolare, i risultati mostrati derivano dell’analisi dei dati radar satellitari (SAR), acquisite dal satellite Cosmo-SkyMed negli anni tra il 2011 e il 2015 circa.

 

Fig. 4 – Risultato dell’analisi dei dati radar satellitari (SAR), acquisite dal satellite Cosmo-SkyMed. Sullo sfondo la carta geologica storica di Amenduni (1884). I colori rappresentano le velocità di spostamento (in questo caso subsidenza) del terreno, cosi come misurato dai dati satellitari. In rosso le aree a subsidenza maggiore, in verde le aree stabili. Con i poligoni in nero sono evidenziate le aree paludose bonificate degli stagni di Maccarese ed Ostia: la buona corrispondenza (specialmente nell’area nord dove insiste la pista dell’aeroporto di Fiumicino), tra le aree maggiormente subsidenti (in rosso) e le aree degli stagni bonificati, mostrano in maniera chiara come che uno dei principali fattori di controllo della subsidenza è rappresentato proprio dalla natura geologica dei terreni e dalla loro storia recente. (da Bozzano et al., 2018).

 

 

 

Fig. 5 – a) Esempio di analisi del dato SAR Satellitare della pista dell’Aeroporto di Fiumicino. Si nota che una parte della pista è soggetta a importanti fenomeni di subsidenza, con velocità di spostamento media maggiori, tra il 2011 e il 2015, di 10 millimetri per anno.

Un’altra parte della pista, invece. Mostra una sostanziale stabilità. Le ragioni di un così diverso comportamento dello stesso artefatto in modo così netto sono da ricercarsi nella geologia sottostante, come mostrato dalla sezione geologica in fig. 5b, che evidenzia la presenza di un potente (spesso) spessore di terreni alluvionali (più compressibili, in rosso chiaro) al di sotto della pista nella sua parte più subsidente (in rosso, sulla destra, in figura).

 

Fig. 6 – Vista 3D dell’esempio di fig.5, che mostra il dettaglio dell’analisi interferometrica satellitare sulla pista dell’aeroporto di Fiumicino.

Fig. 7 – Esempio di zona con strutture (edifici e strade, in particolare la Roma-Fiumicino), che mostrano velocità di subsidenza tra il 2011 e il 2015 anni di più di 10 millimetri per anno.

In dettaglio, l’analisi del dato SAR Satellitare evidenza con chiarezza come una buona parte di queste recenti opere antropiche costruite su terreni alluvionali, tra le quali l’area nota come “Commercity (centro commerciale), e l’Autostrada Roma-Fiumicino, oggetto di lavori di ampliamento terminati nel 2000, sono soggette a fenomeni di subsidenza per compattazione dei sedimenti sottostanti.

Si nota come aree anche limitrofe mostrano comportamenti molto variabili, fortemente subsidenti (in rosso) o stabili (in verde). Tali differenze sono in buona parte dovute al tipo di fondazione usato, che in caso di fondazioni profonde ha permesso alla struttura di evitare il fenomeno di compattazione dei sedimenti subito sottostanti.

Fig. 8 – Esempio di zona con strutture (edifici e strade), che mostrano una sostanziale stabilità tra gli anni 2011 e 2015.  Si tratta del tratto di arrivo all’Aeroporto dell’autostrada Roma-Fiumicino e della adiacente ferrovia, oltre che delle strutture associate all’aeroporto (palazzine Alitalia, ecc.).

In dettaglio, l’analisi del dato SAR Satellitare evidenza come aree anche limitrofe mostrano comportamenti molto variabili, fortemente subsidenti (in rosso) o stabili (in verde). Tali differenze sono in parte riconducibili a differenze nei terreni sottostanti (in termini di caratteristiche geotecniche), in parte dovute al tipo di fondazione usato, che in caso di fondazioni profonde ha permesso alla struttura di evitare il fenomeno di compattazione dei sedimenti subito sottostanti.

Fig. 9 – Esempio di zona con strutture (edifici e strade, in particolare la Roma-Fiumicino), che mostrano velocità di subsidenza tra il 2011 e il 2015 anni anche di più di 10 millimetri per anno. Gli effetti di subsidenza sono particolarmente evidenti sulle aree di recente urbanizzazione avvenute nella zona, tra le quali l’area nota come “Parco Commerciale Da Vinci”, e l’Autostrada Roma-Fiumicino, oggetto di lavori di ampliamento terminati nel 2000.

 

Fig. 10 – Esempio di analisi eseguito nell’area dello svincolo tra l’autostrada Roma-Fiumicino e il Grande Raccordo Anulare di Roma, oggetto di lavori terminati nel 2000, che mostra velocità di subsidenza tra il 2011 e il 2015 anni anche di più di 10 millimetri per anno.

Nel riquadro in basso a destra, è mostrato come esempio il dettaglio di una singola serie temporale relativa ad uno dei “Punti di misura” ottenuti lungo l’autostrada: tale grafico mostra cioè lo spostamento di un singolo punto, andando a ricostruire il suo spostamento relativo nell’arco di anni passati.

CONCLUSIONI

In conclusione, l’utilizzo di tecniche di analisi satellitare è ad oggi, per quanto ancora poco conosciute, uno strumento tecnologicamente avanzato e disponibile che permette di analizzare, studiare, monitorare e capire l’evoluzione del nostro territorio. Inoltre, la possibilità di studiare allo stesso tempo ampie porzioni di territorio, e la possibilità di ricostruirne oggi la sua evoluzione passata, rappresentano uno strumento prezioso per capirne l’evoluzione e predirne il prossimo futuro, strumento che può, e dovrebbe, essere usato ai fini della gestione e riduzione dei rischi, e come supporto ad una migliore pianificazione territoriale.

 

BIBLIOGRAFIA

Amenduni, G. Sulle Opere di Bonificazione della plaga Litoranea dell’Agro Romano che Comprende le paludi e gli Stagni di Ostia, Porto, Maccarese e delle terre Vallive di Stracciacappa, Baccano, Pantano e Lago dei Tartari. Relazione del Progetto Generale 15/7/1880; Eredi Botta: Roma, Italy, 1884; pp. 1–36

Bozzano F., Esposito C., Mazzanti P., Patti M., Scancella S. 2018. Imaging Multi-Age Construction Settlement Behaviour by Advanced SAR Interferometry. Remote Sensing 10(7):1137 DOI: 10.3390/rs10071137

Ferretti, A.; Prati, C.; Rocca, F. Permanent scatterers in SAR interferometry. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2001, 39, 8–20. [CrossRef]

Giraudi, C. Evoluzione tardo-olocenica del delta del Tevere. Il Quat. 2004, 17, 477–492.

Kampes, B.M. Radar Interferometry: Persistent Scatterer Technique. Remote Sensing and Digital Image Processing; Springer: Dordrecht, The Netherlands, 2006

www.nhazca.com

 

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