ICEsat GLAS

Il 12 gennaio 2003 la NASA ha lanciato il satellite ICESat (Ice, Cloud and Land Elevation Satellite) per il monitoraggio della criosfera (copertura ± 86°, contro gli 81.5° di ERS 1-2 ed Envisat).

A bordo del satellite un unico sensore, il laser altimetro GLAS (Geoscience Laser Altimeter System), queste le sue caratteristiche principali:

- impronta del laser: 66m

- lunghezza d’onda del raggio utilizzato per l’altimetria: 1064 nm

- equidistanza degli spot along track: 172m, corrispondente ad una frequenza di emissione degli impulsi di 40 Hz.

- epispaziatura across track: dipende dalla latitudine, 15 km a 80°, 20 km a 70° (Bamber et al., 2009)

- accuratezza orizzontale: ± 10m

Come superficie di riferimento si considera l’ellissoide Topex-Poseidon (lo stesso utilizzato nell’omonima missione, dalla quale prende il nome) con datum cartesiano geocentrico: la georeferenziazione avviene combinando il vettore posizione del sensore GLAS con la misura della congiungente sensore-bersaglio data dalla misura laser.

In stretta analogia con i lidar aviotrasportati la posizione del sensore è determinata tramite un sistema che integra un GPS, che provvede al posizionamento assoluto e al timing, con una piattaforma inerziale, che determina gli angoli d’assetto (Sirota et al., 2005).

L’accuratezza della misura dipende in primis dalla precisione con cui si determina l’angolo di puntamento (che determina l’orientazione spaziale del vettore slant range rispetto al sensore), definito rispetto ad un sistema di riferimento inerziale celeste (SRS Stellar Reference System) tramite una star track camera (cioè in buona sostanza un telescopio collegato ad un sensore ccd).

Dato che il sistema è stato progettato in modo da riuscire a contenere nei 10 cm l’accuratezza nella misura in range per pendenze fino ai 3 deg la corrispondente precisione nella

determinazione dell’angolo di puntamento è necessario sia di circa 7.3 µrad (Sirota et al., 2000).

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Fig. 21.1 (NASA, 2002): satellite ICESat.

Dato che il valore di quota associato allo spot si ottiene come media dei valori compresi nell’impronta, l’accuratezza (cioè la differenza rispetto al valore vero), a prescindere dalle varie fonti d’errore, dipende dall’angolo di divergenza del raggio, in particolare in caso di asperità e rilievi (snagging-effect).

GLAS presenta rispetto ai radar altimetri una divergenza molto minore, che consente un’impronta a terra di dimensioni notevolmente più contenute e quindi un’accuratezza migliore.

Dato che la precisione con la quale si determina l’angolo di puntamento è continuamente migliorata come indicativi della precisione nella determinazione della quota in funzione della pendenza si possono considerare i valori riportati in una pubblicazione del 2007 (Brenner et al., 2007), la più vicina all’epoca di acquisizione dei dati che si sono utilizzati in questa ricerca:

da 14 cm per pendenze trascurabili a 59 cm per pendenze comprese tra 1.1° e 1.2° (si consideri che lo studio è stato condotto rispetto a incrementi nella pendenza di 0.1°), valori significativamente migliori rispetto a quelli dei radar altimetri.

Si tenga comunque presente che questi valori sono stati ottenuti applicando una tecnica di waveform retracking, per descriverla è necessaria una breve digressione su come avviene la riflessione dell’impulso.

La forma d’onda (waveform) che si considera qui consiste nell’energia del segnale

retrodiffuso corrispondente ad un singolo impulso laser e presenta un’intensità che è funzione del tempo di volo (e quindi dello slant range), della riflettenza e della scabrosità della

superficie illuminata.

Mentre la riflettenza, più accentuata in caso di superfici lisce e piane, induce un aumento dell’energia dei ritorni che porta ad una saturazione del sensore, la scabrosità ne determina la dispersione, con conseguente aumento del rumore (ed è anche per questo motivo, oltre che per il contenimento dello snagging-effect, che la focalizzazione del raggio è importante). L’utilizzo di una lunghezza d’onda nel campo del visibile, quindi minore rispetto a quelle caratteristiche della banda del radar, evita quella che altrimenti rappresenterebbe un’altra

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fonte d’errore, la penetrazione del raggio nella neve e nel firn, con il problema di una maggiore variabilità spaziale e temporale dovuta alla stagionalità (Massom e Lubin, 2006) (maggiori dettagli riguardo alla penetrazione delle onde elettromagnetiche nella criosfera si trovano nel cap. Coerenza).

Si consideri inoltre che a questa frequenza non si verificano ritardi ionosferici significativi (cfr. cap. Atmosfera) ma che d’altro canto si ha un’accentuata sensibilità alle perturbazioni e alle anisotropie della troposfera: impossibilità ad attraversare le nuvole più spesse, ritardi in quelle più rarefatte (forward scattering).

Ritornando al waveform retracking questa tecnica consiste nell’individuare una gaussiana che si adatti alla forma d’onda: il valore in slant range corrispondente al centroide della gaussiana è il dato che si considera per la determinazione dell’altimetria (Brenner et al., 2007).

La saturazione, distorcendo la forma d’onda, introduce un sistematismo nella gaussiana che comporta un allungamento del valore di slant range e quindi la determinazione di una quota inferiore a quella reale (Brenner et al., 2007; Fricker et al., 2005); il forward scattering, solitamente ma non sempre (Brenner et al., 2007), induce un effetto analogo (Fricker et al., 2005; Zwally et al., 2002).

Da ricordare per completezza che GLAS è dotato anche di un altro laser, a frequenza più elevata, con lunghezza d’onda 534 nm, per lo studio dell’atmosfera.

DATI UTILIZZATI

Il dato GLAS è processato dall’ICESAT Science Investigator-Led Processing System (I- SIPS) e distribuito dal National Snow and Ice Data Center (NSIDC) in 15 formati binari:

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Le codifiche L1A, L1B ed L2 corrispondono ad una classificazione rispetto al tipo di processing:

- livello1, comprende il formato GLA01, consistente nei dati altimetrici preprocessati ai quali non è stata applicata alcun tipo di correzione, e i formati da GLA02 a GLA 06, dati relativi ai parametri d’acquisizione e alle modalità con le quali sono state effettuate la correzioni.

- livello2, gli altri formati, da GLA08 a GLA15, dati già corretti.

Si sono utilizzati dati GLA06 e GLA12, queste le fasi in cui è consistita la preparazione del dato con programmi di conversione resi disponibile dal NSIDC:

- trasformazione da formato binario a formato ASCII con il tool NGAT (NSIDC GLAS Altimetry elevation extractor).

- le posizioni sono espresse in coordinate geografiche rispetto all’ellissoide Topex Poseidon, è quindi necessario un passaggio di datum per renderli congruenti al dato interferometrico; si è utilizzato uno script IDL, convert_ellipsoid.pro (Sirota et al., 2000).

- creazione in ambiente GIS del corrispondente shapefile puntuale, successivamente convertito in proiezione stereografica polare.

Il limite principale dei dati GLAS è rappresentato dalla disomogeneità nella distribuzione spaziale (fig. 21.2), data dalla distanza tra le tracks, che impedisce la generazione di un DEM a scala regionale senza l’integrazione con altre fonti, che, quasi sempre meno precise, ne comportano un deterioramento della qualità.

Un DEM dell’intero Antartide con soli dati ICESat è stato pubblicato nel 2008: presenta una risoluzione spaziale di 500m ma accuratezze altimetriche discrete solo dove il dato è

effettivamente presente (DiMarzio et al., 2008).

Validazione in ambiente GIS

Il confronto con il dato GPS, rappresentato sia dai vertici della rete VLNDF che soprattutto da altri rilievi e traverse che negli anni sono stati effettuati, ha consentito una validazione del dato GLAS nell’area d’interesse.

Si consideri infatti che le statistiche riportate in letteratura (cfr. cap. ICEsat-GLAS), essendo riferite ad intere macroregioni dell’Antartide, non possono essere considerate più di tanto significative dell’effettiva accuratezza del dato in un’area di estensione limitata.

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Fig. 21.2: validazione in ambiente GIS del dato laser altimetro GLAS.

Descrizione dei dati considerati, rappresentati in proiezione stereografica polare:

-in azzurro chiaro i punti GPS, quelli appartenenti alla rete VLNDEF sono contrassegnati da un cerchio azzurro scuro all’interno;

- in verde scuro, di dimensioni minori, i punti ICEsat GLAS: -in toni d’azzurro una delle scene ERS.

Questo passaggio è delicato in quanto le misure GPS, frutto di rilievi diretti, rappresentano l’unica fonte di cui si ha la certezza dell’attendibilità: dato che la distribuzione spaziale non ne consente un confronto, assicurarsi che il dato GLAS sia in buon accordo con quello GPS consente di considerarlo come verità a terra nelle successive validazioni.

Operativamente si è confrontato ogni punto GPS sia con il punto GLAS più vicino in un intorno di 100m che con la media di quelli contenuti nel raggio di cattura (la procedura empirica di reiezione degli outliers dal dataset GLAS è descritta nel cap. “Verifica dell’accuratezza dei DEM disponibili”).

Dato che le differenze sono contenute nell’ordine dei 10m si è concluso che, per quanto riguarda la regione del Drygalski, i dati GLAS possano essere considerati attendibili al pari di quelli GPS.

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Fig. 21.3: grafico che illustra la dipendenza dell’accuratezza altimetrica del dato ICESat-GLAS in funzione della quota ellissoidica; in ascissa la quota ellissoidica del punto GPS più vicino in un intorno di 100m, in ordinata la differenza presentata rispetto a questo punto.

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Capitolo 22