Studio e sviluppo di un sistema per l'analisi del dissesto idrogeologico basato su immagini satellitari Copernicus

The aim of this thesis is to demonstrate the potential of the remote sensing of the Copernicus Sentinel-1 satellites for the analysis of hydrogeological instability in Italy in emergency situations such as during floods. The analysis of the SAR products of the Sentinel satellites has allowed the creation of an image processing code to generate near-real-time maps of the flood and therefore of potential support to emergency responders and authorities. For this purpose, it was decided to use Ground Range Detected (GRD) images acquired with Interferometric Wide Swath (IW) and TOPSAR (Terrain Observation with Progressive Scans) technique: data is acquired in bursts by cyclically switching the antenna beam between multiple adjacent sub-swaths The code, written in Python language, automatically takes care of making a series of corrections to the original image such as the reduction of thermal noise, the improvement of radiometric calibration, the filtering of speckle noise and the corrections of the geometric distortions of the ground. The processing to identify flooded areas or not takes place thanks to the calculation of a separation threshold of the backscattering coefficient detected by the satellite antenna, this is the binarization phase. We chose to use two automatic binarization techniques known in the literature as the Otsu Method and the Minimum Method as well as the ability to manually set this threshold by the user. Once the flood mask was obtained, a visual comparison was then made between the map obtained and the aerial photographs taken by the Fire Brigade during the flood that hit the Rieti plain on 26 and 27 January 2021. The processing results are influenced not only by the choice of the binarization method but also by the polarization of the starting image and guarantee better results in the case of images with bimodal type histograms. This paper wanted to demonstrate the potential of remote sensing and a possible application in an area of fundamental importance such as that of emergency management using free access data.

L’obbiettivo di questa tesi è quello di dimostrare le potenzialità del telerilevamento dei satelliti Copernicus Sentinel-1 per l’analisi del dissesto idrogeologico in Italia in situazioni emergenziali come in occasione di alluvioni, esondazioni ed inondazioni. L’analisi dei prodotti SAR dei satelliti Sentinel ha permesso la creazione di un codice di elaborazione delle immagini per generare mappe quasi real-time dell’inondazione e quindi di potenziale supporto a soccorritori ed autorità in ambito emergenziale. A questo scopo si è scelto di utilizzare le immagini Ground Range Detected (GRD) acquisite con modalità Interferometric Wide Swath (IW) e tecnica TOPSAR (Terrain Observation with Progressive Scans): il radar scansiona il terreno avanti e indietro rispetto la direzione di movimento del satellite e il fascio dell’antenna è direzionato ciclicamente in più percorsi adiacenti. Il codice, scritto in linguaggio Python, si occupa, in automatico, di apportare una serie di correzioni all’immagine originale come la riduzione del rumore termico, il miglioramento della calibrazione radiometrica, il filtraggio del rumore di speckle e le correzioni delle distorsioni geometriche del terreno. L’elaborazione per individuare zone allagate o meno avviene grazie al calcolo di una soglia di separazione del coefficiente di backscattering rilevato dall’antenna del satellite, si tratta della fase binarizzazione. Si è scelto di utilizzare due tecniche di binarizzazione automatica e note in letteratura come Metodo Otsu e Metodo Minimo oltre che la possibilità di impostare manualmente questa soglia da parte dell’utente. Ottenuta la maschera di inondazione, si è quindi provveduto ad un confronto visivo tra la mappa ricavata e le fotografie aeree scattate dai Vigili del Fuoco in occasione dell’alluvione che ha colpito la Piana Reatina il 26 e 27 Gennaio 2021. I risultati dell’elaborazione sono influenzati oltre che dalla scelta del metodo di binarizzazione anche dalla polarizzazione dell’immagine di partenza e garantiscono risultati migliori nel caso di immagini con istogramma di tipo bimodale. Quest’elaborato ha voluto dimostrare le potenzialità del telerilevamento e una possibile applicazione in un ambito di fondamentale importanza come quello della gestione delle emergenze usando dati ad accesso libero.