Differential Radar Interferometry Applied to the Detection and Monitoring of Geological Hazards

We live in a constantly changing environment, characterized by climate changes, extreme weather events and the occurrence of more frequent geological hazards that have a strong negative impact on the territory and society, interrupting services, damaging buildings and infrastructure and jeopardizing the life of millions of people worldwide. For this reason, there is the need to build a society resilient to natural-hazards, which can understand how the natural system behaves and responds to natural and human-induced modifications and can adapt to these changes. The monitoring of the territory is necessary to comprehend the triggering factors and the mechanisms of geological hazards and to plan the most suitable actions to prevent and mitigate the risk. The monitoring of geological hazards with conventional ground-based techniques such as Global Positioning System (GPS) and levelling is usually expensive and time consuming, which limits the number of measured points and the overall duration of the surveys. One of the best way to overcome to these problems is to use remote-sensing techniques to monitor large portion of territory reducing operating costs and time. Advanced Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry (A-DInSAR) is one of the best tool to monitor and study ground displacements over very large portions of territory in a cost-effective way. In this Doctoral Thesis, we applied A-DInSAR to the monitoring of the geological instabilities occurring in different areas characterized by unique geological and environmental features. The selected areas include different environments such as vegetate territories, low and steep topography, coastal areas, salty deserts, urbanized land, each of them affected by hazards of natural and anthropic origin such as landslides, subsidence and karstic activity. In each case study, the monitoring activity presented its own challenges that were overcome adopting specific technical solutions in the data processing and management. The aim of this work is to give an overview of the potential of A-DInSAR techniques when applied to the study of geological hazards in different environments. This can be useful to show to local Authorities that A-DInSAR can be fully integrated as part of the activities carried out to manage the territory and to prevent and mitigate the risk related to geological hazards.

Viviamo in un mondo in costante evoluzione, caratterizzato da cambiamenti climatici, eventi naturali estremi e dal verificarsi di sempre più frequenti catastrofi di natura geologica che hanno forte ripercussione sul territorio e sulla società, con l’interruzione di servizi, danni alle strutture e infrastrutture mettendo a rischio la vita di milioni di persone in tutto il mondo. Per questo c’è la necessità di costruire una società resiliente al rischio geologico e che sia in grado di capire in che modo la natura reagisce e si adatta ai cambiamenti sia naturali che causati dalle attività umane. Il monitoraggio del territorio è essenziale per riuscire a comprendere i meccanismi che portano al verificarsi di un evento e in questo modo riuscire a prevenire e mitigare il rischio con azioni ed opere adatte. Il monitoraggio e lo studio di eventi geologici quali subsidenze e frane attraverso tecniche geodetiche da terra come per esempio Global Positioning System (GPS) e livellazione è solitamente molto dispendioso sia in termini di tempo che di denaro, fattore che limita notevolmente il numero di misurazioni che si possono effettuare e la durata complessiva delle attività di monitoraggio. Uno dei metodi migliori per ovviare a questi problemi è l’utilizzo di tecniche di remote-sensing che permettono di investigare aree molto vaste con tempi e costi molto ridotti. Le tecniche Avanzate di Interferometria Radar Differenziale ad Apertura Sintetica (A-DInSAR) sono uno dei migliori strumenti per poter studiare i movimenti della superficie terrestre sia a scala regionale che locale con misurazioni ad elevata accuratezza e precisione in maniera economicamente vantaggiosa. In questa Tesi di Dottorato, le tecniche A-DInSAR sono applicate allo studio fenomeni geologici in diverse aree di studio. Le aree scelte comprendono zone densamente vegetate, pianeggianti e montuose, aree costiere e deserti salati, ognuna delle quali soggetta a instabilità sia naturali che antropiche come frane, subsidenze e fenomeni derivanti da attività carsica. L’applicazione di queste tecniche nei diversi contesti ha presentato difficoltà e sfide che sono state superate adottando specifiche soluzioni durante l’elaborazione dei dati satellitari. Lo scopo principali di questo lavoro è quello di mostrare le potenzialità delle tecniche A-DInSAR applicate in diversi contesti geologici e mostrare quali informazioni possono essere ottenute dall’utilizzo di dati SAR e quale contributo tali informazioni possono portare nell’ambito della pianificazione ambientale e territoriale. Questo può essere molto utile per dimostrare alle Autorità come l’integrazione di monitoraggi basati su tecniche A-DInSAR all’interno delle opere di prevenzione e mitigazione del rischio idrogeologico sia necessario per uno sviluppo sostenibile del territorio.