Strozzi, Tazio

We present the result of a test aimed at evaluating the capability of RADARSAT-2 and COSMO-SkyMed to map the natural subsidence and ground movements induced by anthropogenic activities in the historical center of Venice. Firstly, ground movements have been retrieved at quite long- and short-term by the Persistent Scattered Interferometry (PSI) on 2008-2015 RADARSAT-2 and 2013-2015 COSMO-SkyMed image stacks, respectively. Secondly, PSI has been calibrated at regional scale using the records of permanent GPS stations. Thirdly, considering that over the last two decades “in the historical center of Venice” natural land movements are primarily ascribed to long-term processes, and those induced by human activities act at short-term, we have properly resampled 83-month RADARSAT-2 C-band and 27-month COSMO-SkyMed X-band interferometric products by a common grid and processed the outcome to estimate the two components of the displacements. Results show that the average natural subsidence is generally in the range of 0.9 – 1.1 mm/yr and the anthropogenic ground movements are up to 2 mm/yr.

Le livellazioni geometriche sono state nel secolo scorso l’unico metodo di rilievo altimetrico che abbia consentito di misurare con precisione l'entità della subsidenza “moderna” dell’area costiera nord adriatica. Solo alla fine degli anni 1990 è stata istallata una rete per misure GPS in differenziale (DGPS) e in continuo (CGPS). Nell’ultimo decennio inoltre, l'utilizzo del radar ad apertura sintetica (SAR) su vettori satellitari ha consentito lo sviluppo e l’affinamento dell’analisi interferometrica differenziale (InSAR) e dell’analisi interferometrica su riflettori persistenti (IPTA) che si sono dimostrati di estrema efficacia per lo studio dei movimenti verticali del suolo. Nel caso della pianura costiera Veneta, sono stati utilizzati i satelliti ERS-1/2 ed ENVISAT dell’Agenzia Spaziale Europea, rispettivamente per il periodo 1992-2005 e 2003-2009, ed il satellite TerraSAR-X dell’Agenzia Spaziale Tedesca, per il biennio 2008-2009. Oggi si dispone di una densità di dati SAR che, data la risoluzione spaziale dei satelliti tra 20 e 3 m, è maggiore di circa 2 ordini di grandezza nelle l’analisi a scala regionale e più di 3 ordini per analisi locali rispetto alle misure tradizionali su capisaldi. Ciò ha permesso la mappatura dei movimenti del suolo a scala “regionale” (100×100 km2), locale (10×10 km2) e puntale al livello di singole strutture. Le serie di dati SAR sono stati calibrati e validati con le misure altimetriche di livellazione, DGPS e CGPS nella rete di monitoraggio ISES-IRMA. Grazie all’elevata densità di informazioni, all’ottima risoluzione spaziale e accuratezza verticale millimetrica del monitoraggio SAR è emersa una dinamica verticali del territorio costiero Veneto diversa da quanto ottenibile utilizzando le sole tecniche di livellazione tradizionale. L’immagine attuale indica che il processo subsidenziale si esplica con una forte variabilità spaziale, sia a scala regionale che locale. L’analisi integrata dei dati altimetrici e delle numerose nuove informazioni sul sottosuolo, recentemente acquisite nell’ambito di una serie di ricerche condotte dagli Autori, ha permesso la caratterizzazione delle componenti dei movimenti verticali del suolo della pianura costiera Veneta in funzione della profondità alla quale agiscono e la loro distribuzione areale.

The scope of the project “VENEZIA - Subsidence monitoring service in the Lagoon of Venice for regional administrative and water authorities” was to define and implement a land subsidence monitoring service in the Lagoon of Venice for regional and administrative authorities. In order to provide the best knowledge of the land subsidence process around the Lagoon of Venice, SAR-based monitoring techniques (differential SAR interferometry and interferometric point target analysis) were integrated with levelling and GPS surveys into an overall information system. Land subsidence due to natural and anthropogenic causes has represented one of the most serious environmental problems for the Lagoon of Venice and its catchment (Tosi et al., 2002, Carbognin and Tosi, 2003, Carbognin et al., in press). Land subsidence has increased the vulnerability and the geological hazard (i.e. river flooding, riverbank stability, intrusion of seawater in the aquifer system, deteriorating of the littoral sectors with a general coastline regression and an increment of the sea bottom slope close to the shoreline) of these areas, a large portion of which lies below the mean sea level. After the regulation of groundwater exploitation from the Venetian aquifer-aquitard system, a remarkable slowing down of the induced subsidence in Marghera (industrial zone), in the historical center of Venice and along the littorals was ascertained in the 1970’s. Recent studies (Carbognin and Tosi, 2003) have shown that land subsidence is still in progress in the southern and northern coastal areas and in the nearby mainland, where groundwater is extracted from artesian wells, thicker and more compressible Holocene sediments are present, and organic soil oxidation takes place in reclaimed areas. Until 1999, levelling of the Venice region was carried out only along the coast and the lagoon edges and the monitoring network was composed by benchmarks along single levelling lines; a fine grid network was established only in the city of Venice. In recent years, the levelling network has been updated to cover all the southern part of the Lagoon, and plans exist to cover also the northern sector. The same network used for the levelling surveys is also considered for differential GPS measurements. In addition to these ground-based methods, differential SAR interferometry using long series of SAR data (Wegmüller and Strozzi, 1998; Strozzi et al, 2001) and interferometric point target analysis (IPTA) (Wegmüller et al., 2003, Werner et al., 2003) have emerged as very promising tools for the monitoring of land subsidence at high spatial resolution. The VENEZIA project was organized along a service definition phase, a service implementation phase and a service quality assessment phase. Important elements of the project were the definition, implementation and validation of the service for interferometric point target analysis and the integration of the SAR-based monitoring techniques with levelling and GPS surveys into an overall information system capable to provide the best knowledge of the subsidence process to the authorities that manage the Po Plain area around the Lagoon of Venice.

Con il termine “subsidenza” si intende ogni movimento di abbassamento della superficie terrestre indipendentemente dalla causa che lo ha prodotto, dal suo sviluppo areale, velocità di esplicazione, evoluzione temporale e alterazioni ambientali che ne conseguono. La subsidenza è l’ultimo stadio, e il risultato in superficie, di una serie di processi che si esplicano nel sottosuolo e che, in qualche modo, sono correlati alla struttura geologica/geomeccanica del territorio; particolari caratteristiche dei terreni possono infatti favorire, accelerare o impedire tali processi. In generale, la subsidenza si esplica in modo differenziale nel tempo e nello spazio con tassi di abbassamento annui variabili dal millimetro al centimetro e un’estensione dell'area coinvolta da locale a regionale. La subsidenza avviene per cause sia naturali sia antropo-indotte che talora si sommano nella risultante. L’intervento dell’uomo agisce spesso da “catalizzatore”, influenzando in modo considerevole il fenomeno, o da “promotore” determinandone l'innesco. In genere l'abbassamento del suolo legato a cause naturali si sviluppa a scala regionale, ha un’evoluzione lenta, avvertibile in tempi storici o addirittura geologici, per cui non producendo effetti immediati sul territorio passa spesso inosservata. La subsidenza generata da attività antropiche invece si esplica di regola in tempi relativamente brevi (al massimo qualche decina di anni), ha un’espansione territoriale più limitata ma con effetti che possono compromettere fortemente l’ambiente, le opere e le attività umane, nel caso in cui non si intervenga con azioni di controllo e gestione. Le principali cause di subsidenza naturale sono attribuibili a processi tettonici profondi (movimenti orogenetici, attività vulcanica e attività sismica), all’abbassamento del substrato pliocenico per il carico geostatico (peso dei sedimenti sovrastanti), a trasformazioni chimico-fisiche (diagenesi) dei sedimenti per effetto del carico litostatico, alla compattazione naturale dei sedimenti non consolidati depositatisi sullo strato pliocenico), a movimenti isostatici. Altre cause minori e/o concomitanti possono essere riconosciute nelle modifiche dello stato fisico, ad esempio a seguito del prosciugamento naturale di bacini lacustri o lagunari con processi di compattazione e ossidazione di materiali organici. La subsidenza antropica più diffusa sia per estensione che per magnitudo del fenomeno è quella indotta dalla compattazione del suolo generata dallo sfruttamento eccessivo di fluidi sotterranei. L’acqua è senza paragoni il fluido più estratto, ma la produzione di idrocarburi, petrolio e gas, anche in associazione tra loro o con acqua, è altresì causa di subsidenze elevate. Benché vi siano differenze “geologico-territoriali” nelle aree dove i fluidi sono estratti, i principi che regolano il rapporto causa-effetto sono sostanzialmente gli stessi. A seguito del prelievo la pressione originaria del fluido sotterraneo diminuisce causando un incremento della tensione effettiva tra i grani della formazione; questo incremento provoca una deformazione della matrice solida del terreno, a seguito del “riassestamento” dei grani, e quindi una compattazione (riduzione dello spessore) che si ripercuote in un abbassamento della superficie del suolo. Anche le bonifiche, soprattutto quelle idrauliche, rappresentano una delle trasformazioni antropiche all’ambiente che comporta seri problemi di subsidenza. In genere il tasso di abbassamento dei suoli bonificati, ossia la velocità di esplicazione, è direttamente proporzionale all’abbassamento della falda freatica e si realizza per due processi principali: uno geomeccanico, che comporta la riduzione di volume per compattazione, e uno biochimico che avviene per ossidazione dei terreni ad alto contenuto organico (torbe). In questo caso il drenaggio intenso dei terreni bonificati fa sì che i suoli torbosi, venuti a contatto con l’atmosfera, si ossidino e perdano massa rilasciando nell’atmosfera CO2. Anche l’estrazione di materiali solidi dal sottosuolo può provocare subsidenza. Questo processo differisce sensibilmente da quello per estrazione di fluidi. Esso si esplica sia con graduale abbassamento dei terreni a copertura dell’intera miniera (depressioni della superficie del suolo) sia con improvvisi collassi dei singoli cunicoli della miniera (buchi in superficie). La coltivazione di miniere, ad esempio giacimenti di carbone o di sali, ha talora indotto effetti disastrosi sul territorio, anche su vaste superfici, ma con tempi di realizzo anche superiori al secolo e successivi alla chiusura della stessa miniera. Il tempo richiesto per il verificarsi di fessurazioni o cavità in superficie appare ancora aleatorio, per cui, contrariamente a quanto si fa per i fluidi, è assai difficile sviluppare modelli matematici di previsione, sia temporale che di magnitudo, del fenomeno. A completamento di questa sintesi informativa, va menzionato anche l’abbassamento del suolo per applicazione di carichi in superficie (edifici, rilevati ecc). Il processo di compattazione che avviene per un sovraccarico in superficie, su terreni non consolidati, è lo stesso di quello che si esplica per estrazione di fluidi, ovvero un aumento della tensione intergranulare efficace che provoca una diminuzione dello spessore dei sedimenti. Va comunque specificato che in generale questi fenomeni sono limitati alle aree di intervento, e pertanto è più corretto parlare di “consolidazione” piuttosto che di “subsidenza”. Il tasso di subsidenza si quantifica confrontando le quote altimetriche del suolo rilevate in momenti temporali successivi; le misure possono essere acquisite utilizzando diverse tecniche, sia “da terra” che “remote”, ma che in comune hanno necessariamente lo stesso riferimento ad un punto "stabile" o del quale è noto il movimento. E’ infatti difficile assicurare la completa stabilità di un punto e ritenerlo quindi verticalmente fisso; tuttavia presentando alcune zone movimenti decisamente limitati, e quindi trascurabili rispetto a quelli indotti dal processo di subsidenza che interessa studiare, queste si possono assumere stabili e quindi di riferimento senza influenzare il risultato.

La perdita altimetrica totale nell’area veneziana, riferita al livello medio del mare (relative sea level rise), valutata nel corso del XX secolo in circa 23 centimetri, è notoriamente dovuta a cause diverse, ovvero la subsidenza geologica, quella indotta dall’estrazione d'acqua dal sottosuolo per uso prevalentemente industriale (concentrata in alcuni decenni al centro del periodo), ed infine la crescita del livello marino. La ricerca sulla subsidenza di Venezia concluse la prima complessa fase negli anni ’90, dimostrando, tra le altre cose, l’arresto del processo antropo-indotto e registrando negli anni ’70 una esigua ma indubbia inversione (rebound) a seguito della ripressurizzazione naturale del sistema acquifero. La stabilità del centro storico veneziano è stata confermata nel 2000 da un monitoraggio integrato con misure topografiche, satellitari e mareografiche. La subsidenza ha comunque provocato 10-14 cm di abbassamento della città che, per le caratteristiche geomeccaniche del sottosuolo, risulta pressoché irreversibile. Gli studi più recenti sono stati condotti alla scala dell'intera area lagunare veneziana. Sono state analizzate le cause naturali e antropiche della subsidenza e sono stati messi a punto sistemi di monitoraggio innovativi. In particolare è stato sviluppato un originale sistema di monitoraggio integrato che utilizza diverse metodologie di rilevamento quali livellazioni, GPS (differenziale ed in continuo), interferometria satellitare convenzionale (InSAR) e interferometria su riflettori permanenti (IPTA). Il sistema è in grado di fornire risultati sia in specifiche aree urbane di interesse che a scala regionale, con elevata risoluzione spaziale e precisione verticale millimetrica. Esso è stato applicato per ricostruire gli spostamenti verticali del territorio nel decennio 1992-2002, ed ha confermato la stabilità delle aree centrali del bacino lagunare, ivi compresa la città di Venezia, evidenziando invece la gravità del processo in atto in diversi centri urbani di terraferma e nei litorali turistici. Stime attendibili sulla tendenza eustatica sono state calcolate su serie storiche secolari, cioè sufficientemente lunghe da non risentire di variabilità e ciclicità di breve periodo, non significative nella valutazione di tendenza. Per l'ultimo secolo l’innalzamento del medio mare in Alto Adriatico è stato calcolato in circa 1.20 mm/anno sulle serie storiche mareografiche, ad esempio, di Trieste. Analisi statistiche di dettaglio hanno verificato la presenza di un unico trend lineare per Trieste stessa, sebbene con un andamento oscillatorio sul breve periodo, ma non per Venezia dove, in concomitanza con il periodo influenzato dalla subsidenza antropica, il livello del mare esibiva una apparente crescita anomala significativamente più elevata di Trieste. E' stata ampiamente verificata la presenza di fluttuazioni del livello marino che a Venezia hanno una ciclicità dell’ordine di 20 anni, per cui si presentano andamenti tendenziali estremamente variabili al variare della finestra temporale assunta per il calcolo: tra 1.97 mm/anno sui 35 anni dal 1973 al 2007 a -2.64 mm/anno negli ultimi 6 anni. Una stima affidabile dell’andamento tendenziale del livello medio del mare può essere pertanto eseguita solo se si dispone di un periodo di misure della lunghezza di almeno 2 – 3 volte la fluttuazione caratteristica, e non certo confrontando medie quinquennali/decennali. Questo dà un'idea di quale cautela sia necessaria nelle valutazioni, e per il territorio veneziano in particolare. Con tutt’altra angolazione, il confronto tra la frequenza delle macchie solari e quella dei sovralzi di marea di origine meteorologica (che alla fine dei conti determinano le inondazioni) evidenzia la forte correlazione riscontrata negli ultimi 40 anni tra i due fenomeni: la spiegazione di questo è completamente da investigare.

Land subsidence is a severe geologic hazard threading the lowlying coastal areas worldwide. Monitoring land subsidence has been significantly improved over the last few years by space borne earth observation techniques based on SAR (Synthetic Aperture Radar) Interferometry. Within the INLET Project, funded by Magistrato alle Acque di Venezia – Venice Water Authority (VWA) and Consorzio Venezia Nuova (CVN), we have used the Interferometric Point Target Analysis (IPTA) to characterize the ground displacements within the Venice Lagoon. IPTA measures the movement of backscattering objects (point targets, PT) at the ground surface which persistently reflect radar signal emitted by the SAR antenna. For this study 80 ERS-1/2 and 44 ENVISAT scenes recorded from 1992 to 2005 and from 2003 to 2007, respectively, have been processed by IPTA. High reliable land subsidence data have been detected for thousands of PT located on the lagoon margins, along the littorals, in major and small islands, and on single anthropogenic structures scattered within the lagoon. On the average, land subsidence ranges from less than 1 mm/year to 5 mm/year, with some PT that exhibit values also larger than 10 mm/year depending on both the local geologic conditions and anthropogenic activities. A network of few tens of artificial square trihedral corner reflectors (TCR) has been established before summer 2007 to monitor land subsidence in the inner lagoon areas where natural reflectors completely lack (e.g., on the salt marshes). The first interferometric results on the TCR appear very promising.

Our knowledge of the dynamics of vertical ground movements plays a fundamental role in the study of the geomorphological processes, particularly for determining sediment deposition and erosion causes. The conservation of lagoon morphological structures such as salt marshes and tidal flats, besides erosion due to waves and currents, depends on their surface height with respect to the sea level that, for short periods, is primarily related to the land subsidence process and secondarily to eustasy. Ground vertical variations with respect to the sea level, even if small, can, in fact, trigger sediment erosion and deposition processes. To determine land displacement rates in small islands of the Venice Lagoon not covered by traditional surveys (levelling and differential GPS), SAR-based monitoring techniques, i.e. differential SAR interferometry (INSAR) and interferometric point target analysis (IPTA) from ERS-1 and ERS-2 satellites, were performed. We will use the Murano Island for our example in this contribution.

Dopo un breve richiamo all’abbassamento del suolo di Venezia, il lavoro illustra gli studi più recenti sulla subsidenza del comprensorio lagunare dove agiscono diversi fattori valutabili su scala regionale. E’noto che alla perdita altimetrica totale avvenuta a Venezia nel secolo scorso (ca 23 cm) hanno contribuito, con diversa incidenza, la subsidenza geologica, la subsidenza indotta dai pompaggi di acque artesiane e l’innalzamento del livello del mare. Nell’ultimo decennio si sono approfonditi ed ampliati gli studi del processo subsidenziale riguardo alle sue cause quali: a) le componenti naturali a breve ed a lungo termine, ovvero la consolidazione dei depositi recenti e la neotettonica; b) l’eustatismo; c) l’influenza di potenziali sfruttamenti dei giacimenti gassiferi offshore; e d) la subsidenza geochimica dovuta all’ossidazione dei suoli organici ed alla salinizzazione dei terreni argillosi che interessa in modo particolare il bacino scolante meridionale, incidendo sull’abbassamento del suolo con tassi che raggiungono anche 2 cm/anno. Per l’analisi delle cause della subsidenza, per le conseguenze sull’ambiente e per gli sviluppi metodologici, la ricerca si è ampliata a livello regionale, dapprima verso il comprensorio meridionale Veneziano-Padovano, dove, per le caratteristiche geomorfologiche del territorio largamente bonificato ed in buona parte oggi sotto il livello del mare, la subsidenza in atto induce un serio impatto ambientale e socio-economico. In seguito gli studi hanno interessato le aree nord-orientali della Provincia di Venezia, dove il confronto spazio-temporale dei rilievi altimetrici 2000/1993 aveva evidenziato, tra l’altro, un aumento dei tassi di subsidenza nei settori litorali a vocazione turistica di Cavallino-Jesolo-Caorle (ca 4 mm/anno). Si presentano infine i risultati di un metodo originale di monitoraggio integrato, elaborato per ottimizzare le informazioni derivanti dalle livellazioni, GPS, Interferometria SAR convenzionale e su riflettori permanerti, in grado di fornire mappe sinottiche dei movimenti del suolo su scala regionale ad alta risoluzione spaziale (pixel 20 × 20m) e precisione verticale millimetrica.

The Venice Lagoon, Italy, is a unique worldwide environment which is presently vulnerable due to loss in surface elevation as a result of land subsidence referred to the mean sea level. Land displacements in the Venice coastland have been determined over time by traditional monitoring techniques (i.e., spirit leveling and GPS). Recently, SAR-based analyses have been used to complement the ground-based methods. Interferometric analysis on persistent point targets has been proved to be very effective in detecting land displacement in the coastal environment. ERS SAR and ENVISAT ASAR images spanning the time period 1992-2005 and 2003- 2006, respectively, have been processed at regional and local scale and on “natural” as well as “artificial” reflectors.

In the Interferometric Point Target Analysis (IPTA) point-like targets that remain phase coherent over time are identified in a sequence of satellite Synthetic Aperture Radar (SAR) images and used to estimate the progressive deformation ofthe terrain with millimetric accuracy. Building upon conventional interferometric SAR techniques, IPT A overcomes atrnospheric delay anomalies and tempora! and geometrie decorrelation by exploring the tempora! and spatial characteristics of radar interferometric signatures collected from point targets widely available over urban areas but that can be also found scattered outside cities and villages. In this contribution the application of IPT A to the monitoring of land' subsidence in the urban and littoral environments of the Venice Lagoon is described. The results achieved using ali the available ERS SAR images acquired between 1992 and 2000 are very significant due to the achieved target spatial and tempora! coverage.