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BOLLETTINI PERIODICI DA DATI TELERILEVATI PER IL MONITORAGGIO   DELLA   VEGETAZIONE   E   DELLE ACQUIE MARINO-COSTIERE
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BOLLETTINI PERIODICI DA DATI TELERILEVATI PER IL MONITORAGGIO DELLA VEGETAZIONE E DELLE ACQUIE MARINO-COSTIERE

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  • 1. BOLLETTINI PERIODICI DA DATI TELERILEVATI PER IL MONITORAGGIO DELLA VEGETAZIONE E DELLE ACQUE MARINO-COSTIERE Palermo, 30.06.2010 Alessandro Scordo
  • 2. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Un po’ di storia… La fotografia aerea nasce nel 1840 quando la tecnica ha offerto la possibilità di unire il volo e la fotografia. Si sviluppa in vari modi, anche mediante l’impiego di piccioni viaggiatori equipaggiati con macchine fotografiche. Le prime applicazioni estensive, per scopi militari, si sono avute nel corso della prima guerra mondiale. Nel 1957 nasce il telerilevamento spaziale sempre per scopi militari quando le prime macchine da ripresa furono montate su navicelle in orbita (Sputnik). Il primo satellite espressamente dedicato al monitoraggio di terre e oceani allo scopo di mappare risorse culturali e naturali è stato lanciato in orbita nei primi anni settanta: il Landsat.
  • 3. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Le diverse scale del TLR: dallo spazio, da airborne e di prossimità Tecniche di ripresa di immagini telerilevate sensori attivi e passivi telerilevate: I sensori attivi generano un segnale che "illumina" l'oggetto e ne registrano l'eco di ritorno. I sensori passivi misurano la radiazione naturalmente disponibile (emessa o riflessa dagli oggetti).
  • 4. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Vantaggi • Fornisce informazioni su grandi porzioni di territorio; • Permette di acquisire immagini multi-temporali della stessa area; temporali • I sensori remoti indagano in una porzione più larga dello spettro elettromagnetico rispetto all’occhio umano • I sensori remoti permettono di utilizzare una specifica banda di lunghezze d’onda o un numero di bande simultanee per l’analisi di un oggetto • Fornisce dati georiferiti e digitali • Alcuni sensori operano in tutte le stagioni, di notte, ed in cattive condizioni meteo Svantaggi • I dati originari non sono nel linguaggio tipico dell’utente e vanno rielaborati • L’interpretazione dei dati spesso non è immediata e richiede esperienza • I satelliti oggi operaranti non sempre sono adatti alla scala spazio-temporale richiesta
  • 5. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Applicazioni • Mappe dell’uso/copertura del suolo • Applicazioni forestali ed agricole (precision farming, stress vegetativo, ecc…) precision • Idrologia e monitoraggio delle coste • Pianificazione urbana • Emergenze e Rischio • Global change and Meteorologia • Archeologia • Monitoraggio ambiente marino Definizione di TLR Arte, scienza e tecnologia di ottenere informazioni quantitative sui processi fisici e ambientali, mediante processi di registrazione, misura e interpretazione di immagini e rappresentazioni digitali delle caratteristiche energetiche degli oggetti derivati da sistemi di sensori remoti (International Society for Photogrammetry and Remote Sensing).
  • 6. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO I processi base del telerilevamento A Fonte di energia B Interazione atmosferiche C Superficie terrestre D Sensore E Sistema di trasmissione dati F Elaborazione dati G Pubblicazione e diffusione dei risultati
  • 7. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Lo spettro elettromagnetico Le principali porzioni di spettro usate nel Telerilevamento sono: - Il visibile: 0,4 – 0,8 µm - Il vicino Infrarosso: 0,8 – 2,5 µm - L’Infrarosso Termico: 10 – 12 µm La firma spettrale Ogni differente superficie riflette la radiazione in maniera differente in vari canali. La radiazione riflessa in funzione della lunghezza d’onda viene chiamata firma spettrale.
  • 8. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Le risoluzioni • Spettrale: indica l’intervallo di lunghezze d’onda a cui è sensibile lo strumento (sensori multi-spettrali o iper-spettrali). • Radiometrica: rappresenta il numero di livelli in cui può essere scomposto il segnale originario. 8 bit 2 bit 1 bit • Geometrica: dimensioni dell’area (256 livelli) (4 livelli) (2 livelli) elementare al suolo di cui si rileva l’energia elettromagnetica (pixel). • Temporale: periodo di tempo che intercorre tra due riprese successive di una stessa area. 30 metri 10 metri 3 metri
  • 9. CENNI INTRODUTTIVI SUL TELERILEVAMENTO Alcuni satelliti … Risoluzione Bande Geometrica 15 m 520 – 900 nm LandSat 450 – 515 nm ETM 525 – 605 nm 630 – 690 nm 30 m Ris. temporale: 16 gg 750 – 900 nm 1.55 – 1.75 µm Scena 185km2 2.09 – 2.35 µm 60 m 10.4 – 12.5 µm Risoluzione Bande Geometrica Ikonos 1m 450 – 900 nm Ris. temporale: 3 gg 450 – 530 nm 520 – 610 nm 4m Scena 11 km2 640 – 720 nm 760 – 880 nm
  • 10. CONSIDERAZIONI INTRODUTTIVE Il degrado dell'ambiente rende necessario ed urgente l'avvio di concrete e coerenti attività mirate al monitoraggio ed alla salvaguardia degli ecosistemi terrestri e marini. BOLLETTINO “NDVI” BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE”
  • 11. BOLLETTINO “NDVI” ANALISI EVOLUTIVA DELLA VEGETAZIONE TRAMITE L’USO DI DATI TELERILEVATI
  • 12. BOLLETTINO “NDVI” Realizzazione di un GIS contenente distribuzioni spazio-temporali dell’indice di vegetazione NDVI. Gli indici di vegetazione forniscono delle valutazioni quantitative riguardo la vegetazione presente in un determinato territorio e sono ricavati dalla combinazione di due o più bande spettrali, facendo riferimento all’andamento specifico della firma spettrale della vegetazione vegetazione. Processi di riflessione, trasmissione ed assorbimento Andamento della riflettanza in corrispondenza del dell’energia solare incidente sulla vegetazione NIR all’aumentare del numero degli strati di foglie
  • 13. Processi di riflessione, trasmissione ed assorbimento Andamento della riflettanza in corrispondenza del dell’energia solare incidente sulla vegetazione NIR all’aumentare del numero degli strati di foglie Gli indici di vegetazione si usano in una varietà di contesti per stimare biomassa verde, ad esempio: - Analisi della siccità (Kogan, 1990; Tripathy 1996; Liu e Kogan, 1996); Tripathy., - Analisi della desertificazione (Provenzano et al., 2003; Scordo et al., 2009); - Analisi delle dinamiche vegetazionali (Maltese et al., 2005); - Analisi sulla perdita di suolo (Fattore Colturale C della USLE, Wischmeier e Smith)
  • 14. BOLLETTINO “NDVI” Gli indici di vegetazione: Classificazione 1:1 Pendenza Basati: I pixel vegetati si posizionano lungo delle NIR Vegetazione rette isovegetative passanti per l’origine degli assi e aventi pendenza differente. differente. NDVI, TVI, Corrected NDVI, ARVI, VI700, VIGREEN, Green NDVI, No Vegetazione NDVIgreen+red, VARI, GARI, Modified NDVI, DIRT, VCI, AFRI, NDVIMIR, WDRVI, NDWI R
  • 15. BOLLETTINO “NDVI” Gli indici di vegetazione: Classificazione Distanza Basati: I pixel di suolo nudo si allineano lungo NIR Vegetazione una retta, detta soil line, mentre quelli line, crescente a vegetati si allontanano. allontanano. PVI1, PVI2, PVI3, GVI3 e TSAVI Soil line b R
  • 16. BOLLETTINO “NDVI” Gli indici di vegetazione: Classificazione A comportamento intermedio DVI, EVI, SAVI, SAVIMIR, MSAVI, GEMI, OSAVI, SARVI Altri indici: Stima della clorofilla (TVI, STVI, CRVI, MCARI, TCARI e PSRI) e per il contenuto di acqua nella canopy (LSWI, WBI e PRI). PRI).
  • 17. BOLLETTINO “NDVI” NDVI: Normalized Difference Vegetation index Rappresenta certamente l’indice di vegetazione pendenza basato maggiormente utilizzato a livello globale. Fu proposto per la prima volta da Rouse et al. nel 1974 e viene definito dalla differenza tra la riflettanza nella banda spettrale dell’infrarosso vicino (NIR) e quella nella banda spettrale del rosso, normalizzata rispetto alla loro somma, secondo la seguente espressione: ρ NIR − ρ R NDVI = ρ NIR + ρ R Questa differenza è particolarmente sensibile in presenza di vegetazione poiché la biomassa verde generalmente diminuisce il segnale nella banda del rosso (a causa dell’assorbimento dovuto alla presenza della clorofilla) ed aumenta il segnale nella banda del vicino infrarosso. Con tale indice è possibile individuare la vegetazione verde rispetto al suolo nudo e il range di variabilità è compreso tra -1 e 1: allo zero corrisponde il valore approssimato di nessuna vegetazione.
  • 18. BOLLETTINO “NDVI” Esempio Applicativo: RICERCHE E STUDI PER LA PRODUZIONE DEI DATI CON L’UTILIZZO DI TECNICHE DI TELERILAVAMENTO E DI MISURE DI CAMPO PER LA VALUTAZIONE DEGLI INDICATORI DI QUALITÀ CLIMATICA FINALIZZATI AL MONITORAGGIO DEI PROCESSI DI DESERTIFICAZIONE NEL BACINO DEL FIUME IMERA MERIDIONALE
  • 19. BOLLETTINO “NDVI” Area di studio: Bacino Idrografico dell’Imera Meridionale Ricade nel versante meridionale della Sicilia e si estende per una superficie di oltre 2.000 km2 dalle Madonie al Mar Mediterraneo. Mediterraneo.
  • 20. BOLLETTINO “NDVI” Area di studio: Bacino Idrografico dell’Imera Meridionale Zone di uso del suolo Superficie [Km2] Superficie [%] Zone boscate 409,89 19,95 Seminativi 917,18 44,12 Zone agricole eterogenee 120,54 7,40 Superfici artificiali 421,39 19,14 Colture permanenti 140,29 8,25 Corpi idrici 26,23 1,14 Totale 2040,54 100,00 (CORINE Land Cover 2000)
  • 21. BOLLETTINO “NDVI” Pre-elaborazioni delle immagini Immagine grezza Calibrazione in radianza Calibrazione in riflettanza Georeferenzazione Subset Declouding Immagine in colori reali (RGB) della scena centrale della Sicilia Correzione atmosferica
  • 22. BOLLETTINO “NDVI” MSAVI PVI ARVI TSAVI OSAVI SARVI GEMI
  • 23. BOLLETTINO “NDVI” Analisi delle anomalie L’inverno del 2002 è stato siccitoso (500 mm di pioggia). La precipitazione media in Sicilia nel periodo 1973 1973-2003 è stata pari a 650 mm. L’inverno del 1995 è stato molto piovoso (1000 mm di pioggia)
  • 24. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” MONITORAGGIO DELLA QUALITÀ DELLE ACQUE MARINO-COSTIERE TRAMITE IMMAGINI SATELLITARI COSTIERE Acque marino-costiere (fino a 50 km dalla costa) costiere
  • 25. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Determinazione di distribuzioni spazio-temporali di variabili di qualità delle acque temporali marino-costiere quali SST, concentrazione di clorofilla-a, concentrazione di solidi sospesi, torbidità, ecc., nonché i fronti di temperatura temperatura. Monitoraggio di pieno campo Disco di Secchi Sonda dati in continuo multiparametrica ma dati puntuali Costi elevati Campionatori acqua Analisi di laboratorio (Bottiglia di Niskin)
  • 26. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Determinazione di distribuzioni spazio-temporali di variabili di qualità delle acque temporali marino-costiere quali SST, concentrazione di clorofilla-a, concentrazione di solidi sospesi, torbidità, ecc., nonché i fronti di temperatura temperatura. Monitoraggio di pieno campo Telerilevamento dati in continuo dati spazialmente distribuiti ma dati puntuali elevata risoluzione spaziale Costi elevati e bassa risoluzione temporale elevata risoluzione temporale e bassa risoluzione spaziale SINERGIA
  • 27. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Il MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) è uno spettroradio- metro a 36 bande, 21 delle quali tra 0,4 e 3,0 nm, e le restanti 15 tra 3,0 e 14,5 mm. Esso ha una campo di vista di 2300 km con una risoluzione spaziale di 250 m in 2 bande, 500 m in 5 bande e 1 km nelle altre 29 bande, con una risoluzione temporale di circa 12 ore. Il satellite Terra (AM1), e il satellite Aqua, (PM1) sono progetti per l’osservazione della terra concepiti dall’EOS (Earth Observing System). Il Terra sorvola la Terra da nord a sud, sorvolando l’Italia all’incirca alle 10:30 a.m. e p.m. mentre, l’Aqua da sud a nord, sorvolando l’Italia all’incirca alle 01:30 a.m e p.m.. m. Terra Aqua Data e luogo di lancio 8 Novembre 1999 da Vanderberg, California Data e luogo di lancio 4 Maggio 2002 da Vanderberg, California Veicolo per il lancio Delta II Veicolo per il lancio Delta II Peso 5190 kg Peso 2934 kg Numero di strumenti 5 sensori: MODIS, CERES, ASTER, MIRS, MOPITT 6 sensori: MODIS, CERES, AIRS, AMSR-E, Numero di strumenti AMSU-A, HSB Orbita Elio-sincrona, quota di 720 km Orbita Elio-sincrona, quota di 705 km Inclinazione 98.1° Inclinazione 98.2° Durata di un’orbita 101 minuti Durata di un’orbita 99 minuti Vita della missione 6 anni Vita della missione 6 anni
  • 28. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 1. Formazione del data-base Il database si costituisce tramite il download delle immagini direttamente dal sito della NASA dedicato alle missioni MODIS (http://modis.gsfc.nasa.gov/) 1. Scelta del satellite e del prodotto 2. Selezione del periodo di visualizzazione delle immagini
  • 29. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 3. Selezione dell’area di interesse In tal modo si scaricano per l’intervallo temporale selezionato tutte le immagini in cui è presente, anche in parte, l’area di interesse. Esempio: Intervallo temporale: 1 anno Area di interesse: Sicilia Numero di immagini scaricate: circa 700 Dimensione immagini: circa 200 GByte
  • 30. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 2. Pre-elaborazioni Riorganizzazione del dataset Esclusione delle immagini in cui l’area di interesse risulta essere parzialmente presente e di quelle con una elevata copertura nuvolosa. Esempio: Esempio Da circa 700 immagini all’anno si passa a meno di 200.
  • 31. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Riorganizzazione del dataset Le immagini MODIS risultano “in teoria” georiferite ad una proiezione Integerized Sinusoidal, Sinusoidal poco nota alla maggior parte dei pacchetti software di analisi Georeferenziazione con GLT dell’immagine. dell’immagine La georeferenzazione viene fatta con la GLT (Geographic Lookup Table), ottenuta dai dataset di latitude e longitude del prodotto MOD03, contiene le coordinate mappa di ogni pixel
  • 32. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Riorganizzazione del dataset Georeferenziazione con GLT MODIS non georiferita GLT (Geographic Lookup Table) MODIS georiferita (UTM ED50 fuso 33N)
  • 33. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Riorganizzazione del dataset Oltre a mascherare la terra ferma si “ritaglia” l’immagine. Georeferenziazione con GLT Subset spaziale
  • 34. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” Riorganizzazione del dataset Georeferenziazione con GLT Dalle 36 bande presenti nello spettroradiometro MODIS si selezionano solo quelle necessarie per poter stimare Subset spaziale le variabili di qualità delle acque marino- costiere (SST, Turbidity, TSS, Chl-a e fronti di temperatura). Subset spettrale La pre-elaborazione di serie temporali di immagini grezze Correzione atmosferica con il è realizzata da una catena di modello dello scattering relativo processi semi-automatizzati e controllati.
  • 35. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 3. SST (Sea Surface Temperature) La SST rappresenta un ottimo indicatore climatico da utilizzare per l’individuazione di eventuali tendenze climatiche o eventi transienti che, provocando improvvise e consistenti variazioni dei campi medi, possono apprezzabilmente influire sul clima regionale e eventualmente globale. Modello dello split windows per il calcolo della SST (Mao, Qin, Shi e Gong, 2004)
  • 36. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 4. Fronti di Temperatura I fronti sono regioni spaziali in cui si registrano gradienti considerevoli nella variabile osservata; si possono ad esempio definire fronti di temperatura, di salinità, ecc. Lo studio di fronti di varia natura può essere di fondamentale importanza per la comprensione di molti fenomeni come le dinamiche demografiche delle popolazioni ittiche. Il filtro detto di Sobel rientra nella categoria di filtri edge detection. 1 0 −1 2 2 Gx = 2 0 − 2 G = Gx + Gy 1 0 −1 1 2 1 Gy = 0 0 0 −1 − 2 −1
  • 37. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 5. Turbidity La torbidità è una caratteristica ottica, cioè basata sulla propagazione della luce. Un intorbidamento dell'acqua può portare a delle conseguenze abbastanza rilevanti come il riscaldamento dell’acqua stessa, dovuto all'assorbimento di calore delle particelle superficiali. Produce due effetti: assorbimento di energia luminosa e diffusione di energia luminosa Modello per la stima della Turbidity [NTU] (Chen, 2007) turbidity = 1203.9 ⋅ R (645)1.087
  • 38. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 6. TSS (Total Suspended Solids) Il termine total suspended solids (solidi sospesi totali, TSS) indica una grandezza usata nella gestione della qualità dell'acqua e nella depurazione. Modello per la stima della concentrazione di TSS (Delu et al. 1999) [mg/l] −3.9322 TSS = 3.2602 ⋅ (R440 / R550 )
  • 39. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 7. Clorofilla-a La clorofilla è un pigmento di colore verde presente nei grani dei cloroplasti delle cellule vegetali, o negli organismi procarioti che realizzano la fotosintesi clorofilliana La clorofilla-a: - picco di assorbimento nel blu-violetto (lunghezza d’onda pari a circa 400-500 nm); - picco assorbimento secondario nel rosso- -arancio (650-700 nm). Modello per la stima della concentrazione di CHL (CCHL) (O’Reilly et al. 2001) [mg/m3] ( 0.2830 − 2.753 R +1.457 R 2 + 0.659 R 3 −1.403 R 4 ) Chl = 10 ( 443 { 488 R = log10 max R550 , R550 })
  • 40. BOLLETTINO “ACQUE MARINO–COSTIERE” COSTIERE” 8. Implementazione del GIS SST Chl-a Turbidity TSS
  • 41. Grazie per l’attenzione

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