POLITECNICO DI MILANO
Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
Una applicazione di remote sensing multispettrale
per il monitoraggio realizzativo delle opere di
contrasto del dissesto idrogeologico: il caso di
Sentinel-2
Relatore: Prof. Giovanni Menduni Correlatore: Dott. Michele Munafò Controrelatore: Prof. Giovanni Ravazzani
Tesi di Laurea di: Silvia Tinon Matricola: 858473
Sommario
Riassunto ... 1 Abstract ... 2 Introduzione ... 3 Il monitoraggio amministrativo ... 5 1 Introduzione al telerilevamento ... 9 1.1 Energia Elettromagnetica ... 11 1.2 Spettro Elettromagnetico ... 121.3 Parametri Radiometrici Caratteristici Per Il Telerilevamento ... 13
1.4 Radiazione Di Un Corpo Nero ... 16
1.5 Interazione Tra Radiazione Solare E Atmosfera Terrestre ... 19
1.7 Interazione Tra Radiazione Solare E Superfici Naturali ... 26
1.7.1 Firma Spettrale Dell’acqua ... 27
1.7.2 Firma Spettrale Del Suolo ... 29
1.7.3 Firma Spettrale Della Vegetazione ... 31
1.8 Sensori ... 33 1.8.1 Sensori Ottici ... 34 2 Il programma Copernicus ... 39 2.1 SENTINEL-2: I Satelliti ... 44 2.2 Prodotti ... 49 3 Area di Studio ... 51
3.1 Inquadramento Normativo (PGRA, 2016)... 52
3.2 Inquadramento Progettuale ... 54
3.2.1 Perizie di variante ... 56
3.2.2 Stato Avanzamento Lavori... 57
3.2.3 Indicatori ... 58
4 Materiali e metodi ... 61
4.1 Acquisizione delle informazioni progettuali ... 62
4.3 Preprocessing delle immagini ... 66
4.4 Processing delle immagini ... 68
4.4.1 Calcolo degli indici... 69
4.4.2 Individuazione delle soglie ... 71
4.4.3 Classificazione ... 80
5 Applicazione ... 85
Bibliografia ... 91
Allegati ... 93
Indice delle figure
Figura 1: Propagazione del campo elettromagnetico. ... 11
Figura 2: Parametri caratteristici del segnale elettromagnetico. ... 11
Figura 3: Spettro elettromagnetico. ... 13
Figura 4: Emittanza e irradianza. ... 14
Figura 5: Emittanza del corpo nero in funzione della temperatura. ... 17
Figura 6: Picco di emittanza del Sole e della Terra. ... 18
Figura 7: Emittanza di un corpo nero, un corpo grigio e uno reale. ... 18
Figura 8: Irradianza teorica di un corpo nero alla temperatura del Sole e quella reale. ... 20
Figura 9: Curva della temperatura dell'atmosfera. ... 21
Figura 10: Rifrazione in funzione dell'angolo di incidenza. ... 22
Figura 11: Assorbimento radiativo di sostanze presenti in atmosfera e dell'atmosfera nel suo complesso. ... 23
Figura 12: Spettro di assorbimento dell'atmosfera in funzione dell'irradianza solare. ... 26
Figura 13: Firme spettrali di acqua, vegetazione e suolo. ... 27
Figura 14: Firma spettrale dell'acqua. ... 28
Figura 15: Riflettanza del ghiaccio e della neve. ... 28
Figura 16: Differenze spettrali tra nuvole e neve. ... 29
Figura 17: Firma spettrale del suolo in funzione dell'umidità. ... 30
Figura 18: Differenze spettrali tra diverse tipologie di suoli. ... 30
Figura 19: Comportamento spettrale di un set di rocce. ... 30
Figura 20: Struttura della foglia. ... 31
Figura 21: Spettro di assorbimento dei pigmenti caratteristici della vegetazione. .. 31
Figura 22: Variazione della riflettanza in funzione del ciclo di vita della foglia... 32
Figura .23: Spettro caratteristico della vegetazione. ... 32
Figura 24: Firma spettrale della vegetazione in funzione dello stress. ... 33
Figura 25: Bande di acquisizione del sensore pancromatico e di quelli multispettrali di IKONOS. ... 34
Figura 26: Esempio di bande di acquisizione di un sensore iperspettrale. ... 35
Figura 27: Esempio di diverse risoluzioni radiometriche... 35
Figura 28: Esempio di diverse risoluzioni spaziali. ... 36
Figura 29: Diffrazione di un'onda piana. ... 37
Figura 30:Esempio di applicazione del criterio di Rayleigh. ... 37
Figura 31: Configurazione orbitale dei due Sentinel-2... 45
Figura 33: Bande dei sensori ottici di Sentinel-2. ... 47
Figura 34: Distretto Idrografico dell'Appennino Settentrionale. ... 52
Figura 35: Suddivisione del distretto idrografico nei diversi bacini. ... 53
Figura 36: Progetto della cassa di espansione Pizziconi. ... 54
Figura 37:Sub-aree per la cassa di espansione di Figline Valdarno. ... 62
Figura 38: Numero medio di immagini per ogni mese. ... 64
Figura 39: Grafico che mostra gli intervalli temporali tra le immagini. ... 66
Figura 40: Immagine relativa alla banda B04 in data 04.07.2015 e l'immagine ridotta all'area di interesse (entrambe corrette atmosfericamente). ... 68
Figura 41: Immagine in falsi colori utilizzando gli indici, utilizzando le bande B02,B03, B08 e in colori reali del 24.01.2018. ... 71
Figura 42: Aree utilizzate per testare i valori di NDVI e BRT per la vegetazione. ... 72
Figura 43: Andamento dei due indici per le aree vegetate. ... 73
Figura 44: I due laghetti artificiali presenti sull'area. ... 74
Figura 45: Andamento di BRT e NDVI per le due aree test dell'acqua. ... 75
Figura 46: Aree utilizzate per valutare i valori caratteristici del suolo nudo. ... 76
Figura 47: Andamento dei due indici per le aree di cantiere, soggette a lavorazione. ... 77
Figura 48: Documentazione fotografica della visita di collaudo del 28 marzo 2018, gentilmente fornita dall'ingegner Chiarini. ... 78
Figura 49: Firme spettrali di due pixel di suolo nudo e uno di superficie artificiale in data 19 maggio 2018. ... 78
Figura 50: Andamenti temporali dei due indici per l'area interessata dalla costruzione dell'opera di presa. ... 79
Figura 51: Esempio di distribuzione di probabilità di NDVI e BRT estratte dalle aree a vegetazione costante. ... 80
Figura 52: Grafi per gli argini, per la deviazione del Faella e il cantiere, per l'opera di presa. ... 81
Figura 53: Classificazione delle immagini nelle date 04.07.2015, 04.01.2017 e 19.05.2018 ... 82
Figura 54: Rappresentazione del cruscotto per due eventi: "Immagine Sentinel n.1" e "Perizia di variante n.8". ... 87
Indice delle tabelle
Tabella 1: Confronto tra Sentinel, LANDSAT e SPOT ... 45
Tabella 2: Caratteristiche delle bande dei sensori multispettrali di Sentinel-2A e Sentinel-2B (ESA, 2015). ... 48
Tabella 3: Descrizione delle perizie di variante. ... 56
Tabella 4: Stato Avanzamento Lavori. ... 57
Tabella 5: IAL rispetto ai SAL redatti. ... 58
Tabella 6: Aumento percentuale dei costi e dei tempi a causa delle perizie. ... 59
Tabella 7: Stati possibili per le diverse sub-aree e relativi land covers... 63
Tabella 8: Lista delle immagini utilizzate in questo lavoro. ... 65
Tabella 9: Valori tipici di NDVI per alcune tipologie di copertura del suolo (Pettorelli, 2013). ... 70
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Riassunto
il monitoraggio delle grandi opere pubbliche, in particolare quelle di protezione dal rischio idrogeologico, è un tema molto importante: la necessità di rendere disponibile frequenti aggiornamenti sui progressi di tali costruzioni è un argomento centrale per le amministrazioni a tutti i livelli, sia regionali e locali che nazionali, questa esigenza nasce principalmente dalla crescente attenzione e partecipazione dei cittadini. In questo lavoro si vuole presentare un nuovo approccio al monitoraggio di questi cantieri dove le informazioni di tipo economico-finanziario e amministrativo vengono integrate con i dati dei satelliti ottici multispettrali Sentinel-2, del programma spaziale europeo Copernicus: l’introduzione di prodotti da remoto ha la triplice funzione di rendere più facilmente interpretabili i risultati del monitoraggio amministrativo, di fornire a qualsiasi utente una visione di insieme dell’avanzamento dei lavori e di aggiornare con una frequenza quasi continua i dati sulla progressione del cantiere. L’analisi fatta in questo elaborato è una premessa fondamentale per l’implementazione di questo metodo su larga scala: l’obiettivo è, infatti, quello di verificare le potenzialità di questo metodo per la creazione di un portale web in cui qualsiasi utente sia in grado di comprendere con facilità lo stato dei lavori di un’opera di interesse.2
Abstract
The monitoring of major public works, in particular those protecting against hydrogeological risk, is a very important topic: the need to make frequent updates available on the progress of such constructions is a central issue for administrations at all levels, both regional and national; this necessity arises from the growing attention and participation of citizens.This work aims to present a new approach to the monitoring of these sites where the economic-financial and administrative information is integrated with data from optical multispectral satellite Sentinel-2, of the European Space Program Copernicus: the introduction of remotely sensed products has the triple function of making the results of the administrative monitoring more easily interpretable, of providing any user with an overview of the progress of the works and of updating the data on the progresses of the construction site almost continuously.
The analysis made in this paper is a fundamental premise for the implementation of this procedure on a large scale: the goal is, in fact, to verify its potentialities for the creation of a web portal in which any user is able to easily understand the state of art of a construction site of interest.
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Introduzione
Le difficoltà di analisi dei dati sugli investimenti pubblici e sulle grandi opere, nello specifico, sulle opere di difesa del suolo e di prevenzione dal rischio idrogeologico, sono dovuti in larga misura alla complessità del controllo capillare, sia fisico che economico-finanziario e amministrativo. Questo comporta una generale inefficienza dei sistemi di monitoraggio e complessità di sintesi dei dati.Questa problematica è stato un tema fondamentale trattato da diversi enti direttamente coinvolti nelle procedure di monitoraggio e nella costruzione di tali opere, quali il CIPE1 e il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, attraverso la
promulgazione della Legge n.144 del 1999 che prevede la definizione di un organo di monitoraggio, il MIP2, per il controllo degli investimenti pubblici. Il sistema MIP/CUP3,
che verrà affrontato a seguito, è un sistema per il solo monitoraggio amministrativo ed economico-finanziario che garantisce la tracciabilità e lo stato di attuazione dei progetti finanziati con risorse pubbliche, ma che risulta complesso e di difficile fruibilità, soprattutto per il cittadino. Inoltre, a causa del lungo iter prima della pubblicazione i risultati che vengono mostrati fanno generalmente riferimento a uno stato dei lavori precedente anche di diversi mesi: nella nostra realtà, dove i sistemi di controllo remoti permettono, in altri campi di applicazione, un monitoraggio quasi in tempo reale, è sicuramente una limitazione non trascurabile.
La complessità aumenta se si considera l’esistenza di ulteriori sistemi di monitoraggio organizzati da diversi enti per l’esclusivo adempimento dei propri compiti istituzionali: ogni sistema ha la propria frequenza di aggiornamento e propri
1 Comitato Interministeriale di Programmazione Economica. 2 Monitoraggio degli Investimenti Pubblici.
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parametri, spesso simili ma non coincidenti: questo comporta la produzione di più “versioni” dello stesso dato, minando così il pilastro della trasparenza e della efficienza.
In questo elaborato di tesi si vuole proporre una procedura che affianchi il monitoraggio amministrativo, sfruttando le informazioni raccolte da remoto dai sensori ottici dei satelliti europei appartenenti alla costellazione Sentinel-2, seguendo gli stadi di lavorazione e progresso del cantiere.
La scelta dell’utilizzo di questi prodotti è legata alla altissima frequenza temporale, che permette un aggiornamento delle informazioni quasi-continuo; frequenza che non può essere perseguita dal monitoraggio amministrativo. Sebbene la risoluzione spaziale di questi dati non sia sufficiente per un monitoraggio quantitativo delle lavorazioni eseguite in cantiere, dato che la risoluzione spaziale di 10 metri non permette un’analisi di tipo geometrico, la loro natura open source rende questi dati sicuramente allettanti anche sul fronte della spesa. L’acquisto di prodotti satellitari commerciali ad alta o altissima risoluzione avrebbe dei costi quasi proibitivi per applicazioni che intendono utilizzare sistematicamente un grande numero di dati. L’obiettivo di questa procedura non è quello di controllare poliziescamente i lavori, né di sostituirsi alle normali procedure amministrative, ma di fornire a un’ampia rosa di utenti, dal singolo cittadino all’amministrazione e al decisore politico, una visione d’insieme sullo stato di fatto, che permetta di rendere fruibili informazioni qualitative, tempestive e frequenti sullo stato di attuazione dell’opera.
Il metodo propone l’integrazione dei dati provenienti dai SAL4, documento principale
del sistema MIP, con tutta l’informazione che si può raccogliere dalle immagini satellitari, fornendo un aggiornamento qualitativo sulla progressione dei lavori anche ogni cinque giorni.
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Questo lavoro, oltre a voler mostrare un approccio diverso e nuovo al monitoraggio da remoto, può presentarsi anche come un interessante caso d’uso per il programma spaziale europeo Copernicus.
A seguito verrà descritto nel dettaglio il sistema di monitoraggio per i finanziamenti pubblici vigente; la puntuale descrizione della procedura seguirà invece a un approfondimento sul telerilevamento e sui suoi principi fondanti, oltre che alla presentazione del programma Copernicus e delle caratteristiche principali dei satelliti e dei sensori, aspetti fondamentali per la piena comprensione della procedura. Si è poi reso necessario testare la procedura su un’opera di interesse e di grande estensione: la scelta è ricaduta sulla cassa di espansione di Figline Valdarno (FI), un’importante opera di prevenzione al rischio alluvionale per il Valdarno Fiorentino e per la città di Firenze.
I sistemi di monitoraggio amministrativo
Il nostro Paese non dispone di sistemi efficienti per la sintesi dei dati sugli investimenti pubblici. Questo fatto determina difficoltà nella analisi e nel supporto alla decisione politica. Il problema è particolarmente evidente per gli investimenti nella prevenzione delle catastrofi naturali, ove attori e fonti di finanziamento sono molteplici e diversificate. Il problema è noto. Il CIPE, nella sua delibera 124 del 2012, prevede un “tavolo” per la razionalizzazione dei sistemi di monitoraggio coordinato da DIPE che, a sei anni dall’istituzione, è in sostanziale stallo. Il problema si traduce anche in una generale mancanza di accountability nei confronti dei cittadini.
Tra tutti i sistemi di monitoraggio, uno dei principali è il sistema MIP/CUP, introdotto dalla Legge n. 144 del 1999 e concepito per migliorare l’efficienza della programmazione economica e delle politiche di sviluppo, garantendo il supporto nelle fasi di programmazione, valutazione, attuazione e verifica di piani, programmi e politiche di intervento. Lo scopo principale è il controllo sui progetti direttamente o indirettamente finanziati attraverso risorse pubbliche: per questo motivo, il
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monitoraggio ha una natura principalmente economico-finanziaria e amministrativa, che passa ovviamente anche da un controllo fisico dell’avanzamento dei lavori. Lo strumento cardine del sistema di monitoraggio è il Codice Univoco di Progetto (CUP), rilasciato dal DIPE5, e assegnato al singolo investimento pubblico che lo
identifica univocamente durante tutta la vita progettuale, fino alla conclusione. Il progetto è anche fornito di un ulteriore codice identificativo necessario per il controllo in fase di gara di appalto: il Codice Identificativo Gara (CIG), assegnato dall’Autorità Anticorruzione (ANAC).
L’assegnazione dei due codici viene fatta al singolo investimento: un’opera può essere trasversale a più CUP, ciascuno dei quali può essere a sua volta trasversale a più CIG. L’opera in quanto tale (ad esempio “la Salerno-Reggio”) non ha tuttavia un proprio tag; riportarne lo stato, richiede così di ripercorrere è così estremamente complesso.
Per ogni appalto è necessaria la nomina di un Responsabile Unico del Procedimento (RUP), definito in fase di gara d’appalto, per le fasi di programmazione, progettazione, affidamento ed esecuzione; tra gli innumerevoli compiti del RUP, come il controllo, il coordinamento e la sorveglianza sulla gestione economica, c’è anche la responsabilità della comunicazione tra impresa e stazione appaltante: deve, infatti, fornire una serie di “dati guida” in modo da poter ricostruire il percorso dell’opera, produrre la reportistica e intercettare eventuali anomalie.
Uno dei documenti più importanti per il monitoraggio amministrativo è lo Stato di Avanzamento Lavori (SAL), ovvero un documento che nasce dal registro di contabilità redatto dal direttore dei lavori. Questo documento è funzionale al pagamento delle rate di acconto per la costruzione dell’opera e raccoglie tutte le lavorazioni in esecuzione nella data di riferimento; nel SAL devono essere esplicitati il nome dell’impresa, il committente, la data a cui fa riferimento, tutti i dati relativi alle date
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di consegna, di inizio lavori, la data di ultimazione, i giorni di sospensione, l’importo del progetto e l’importo per le varianti. Nel SAL devono essere esplicitate tutte le lavorazioni eseguite fino alla data di redazione del documento e, per ognuna di queste, elencate le quantità o le percentuali eseguite corredate dall’importo. Una volta completato il documento, deve essere consegnato al RUP che ne verifica la correttezza e lo approva; una volta accettato ed effettuato il pagamento all’impresa, il documento viene reso pubblico.
L’iter di produzione e pubblicazione di questo documento ha dei tempi molto lunghi, per cui tra la pubblicazione e la data a cui fanno riferimento i lavori possono trascorrere anche diversi mesi: ciò può essere ininfluente per quello che riguarda il monitoraggio finanziario-amministrativo, con cui si vuole principalmente analizzare la trasparenza delle procedure e il rispetto dei tempi concordati in fase di gara, ma non permette di seguire e comprendere appieno le trasformazioni subite dall’area. È importante sottolineare l’esistenza di altri sistemi di monitoraggio organizzati da diversi enti per i propri adempimenti istituzionali, ognuno dei quali ha una propria frequenza di aggiornamento (mensile, trimestrale, “a evento”) e parametri simili ma non coincidenti (per esempio: l’”importo finanziato” può al netto/lordo dell’IVA o degli oneri per la sicurezza). Questo ridondanza di dati, che spesso sono nominati allo stesso modo ma contengono informazioni diverse, produce una generale inefficienza; minando i principi di trasparenza e unicità della fonte amministrativa del dato.
I principali sistemi di monitoraggio amministrativo per le grandi opere e i finanziamenti pubblici, oltre al sistema MIP/CUP della Presidenza del Consiglio, sono: - MEF-IGRUE6 (Ministero dell'Economia): portale ideato dal dipartimento del
Tesoro per gli adempimenti di diversi soggetti istituzionali;
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- MISE-DPS/BDU7, (Ministero Sviluppo Economico): relativo al monitoraggio degli interventi finanziati nell’ambito delle politiche comunitarie e di coesione.;
- AVCP/SIMOG, (ANAC): per il controllo in fase di gara d’appalto;
- MIT-PIS, (Ministero delle Infrastrutture): monitoraggio sull'attuazione dei programmi infrastrutturali e delle infrastrutture strategiche di settore; - MEF-BDAP (Ministero dell'Economia): sono pubblicati i dati di monitoraggio
delle opere inviati alla Banca Dati Amministrazioni Pubbliche (BDAP) dagli enti (pubblici o privati) che realizzano opere pubbliche;
- MATTM-RENDIS8 (ISPRA9): portale che offre informazioni riguardanti le opere finanziate dal Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare. Tutto questo nell’ ipotesi che i RUP operino secondo procedura, cosa che spesso non accade. I diversi sistemi operano difatti una vera e propria “molestia statistica” richiedendo più e più volte il ricalcolo e la digitazione delle medesime informazioni. Una catena inefficiente che causa errori e rende ancor più faticosa e complessa la costruzione di un quadro organico, sia per gli utenti esperti che, a maggior ragione, per i cittadini.
7 Banca Dati Unitaria.
8 Repertorio Nazionale degli Interventi per la Difesa del Suolo. 9 Istituto Superiore per la Protezione e la Ricerca Ambientale.
9
1
Introduzione
al telerilevamento
Il Remote Sensing, o Telerilevamento, è definita quella disciplina tecnico-scientifica che raggruppa tecniche, strumenti e mezzi interpretativi in grado di enfatizzare caratteristiche qualitative e quantitative di oggetti posti sulla superficie terrestre attraverso l’acquisizione, l’elaborazione e l’interpretazione di dati raccolti da piattaforme terrestri, aeree o satellitari senza un diretto contatto con l’oggetto in esame (JARS, 1993). L’obiettivo principale di queste tecniche è la produzione di mappe tematiche per l’analisi dei cambiamenti e dei processi dinamici in atto sulle aree in esame.
Dato che non c’è contatto tra oggetto e strumento, il telerilevamento si deve basare sulla propagazione dell’energia elettromagnetica, in particolare, quella emessa o riflessa dall’oggetto.
In generale, si identifica come sensore lo strumento che permette la misura dell’energia emessa o riflessa, mentre si definisce piattaforma il veicolo su cui il sensore è montato, come aerei, satelliti o droni.
Il primo utilizzo del termine Remote Sensing o Telerilevamento risale agli anni ’60 per riferirsi ad acquisizioni fotogrammetriche; si è poi allargato alle immagini satellitari, quando è stato lanciato il primo Landsat nel 1972.
10
Le piattaforme per il telerilevamento, in particolare le piattaforme satellitari, garantiscono una ripetitività delle misure fondamentale per il monitoraggio sia a breve come a lungo termine; in particolare, le applicazioni più importanti sono:
- Monitoraggio ambientale e territoriale; - Agricoltura;
- Gestione delle risorse ambientali; - Meteorologia;
- Creazione di mappe, monitoraggio dell’uso del suolo; - Applicazioni militari;
- Monitoraggio del cambiamento climatico.
Per incontrare le diverse necessità degli utenti, sono stati sviluppati dei sistemi che possono fornire una grande varietà di parametri spaziali, spettrali o temporali.
La missione che ha segnato lo sviluppo moderno del telerilevamento è, come già citato, il Landsat Multispectral Scanner System (MSS) lanciato nel 1972 e fornito di quattro bande spettrali, che permetteva l’acquisizione di immagini con un’alta risoluzione spaziale, per l’epoca, di 80 metri e copertura temporale di 18 giorni. A questa prima missione, ne sono seguite diverse altre che hanno potuto soddisfare le diverse e vaste applicazioni del telerilevamento come Envisat, SPOT, ERS, RADARSAT, RapidEye, QuickBird, IKONOS, MODIS, COSMO-SkyMed, Copernicus, con i suoi Sentinel, e molti altri.
Nonostante il grande sviluppo tecnologico che ha visto protagonisti i sensori per il telerilevamento, i principi di base del loro funzionamento e dell’acquisizione dei dati, restano uguali: l’oggetto sulla superficie terrestre viene caratterizzato in base alla sua capacità e modalità di emettere o riflettere l’energia elettromagnetica. Per questo motivo, nei paragrafi successivi, verranno descritti in modo più approfondito i princìpi fondamentali della radiazione elettromagnetica, i principali parametri radiometrici utilizzati nel telerilevamento e l’interazione tra energia, atmosfera e materiali.
11
1.1 Energia Elettromagnetica
Per comprendere i principi di funzionamento dei sensori per il telerilevamento, è necessaria un’introduzione alle caratteristiche fisiche dell’energia elettromagnetica. La radiazione elettromagnetica viene descritta dalla legge di Maxwell come un fenomeno ondulatorio, composto da un campo elettrico e uno magnetico, che si propagano, in assenza di perturbazioni, lungo una linea retta. I due campi sono tra loro perpendicolari ed entrambi normali alla direzione di propagazione.
L’onda è completamente descritta da tre parametri: lunghezza d’onda, ampiezza e fase; che sono ordinatamente la distanza tra due creste, l’altezza del picco e la frazione di scostamento dell’onda dall’origine, al tempo iniziale.
Figura 2: Parametri caratteristici del segnale elettromagnetico. Figura 1: Propagazione del campo elettromagnetico.
12
Dalla lunghezza d’onda, nota la velocità di propagazione, è possibile derivare la frequenza ovvero il numero di picchi passanti per un determinato punto in un dato intervallo di tempo.
c Hz Dove c è la velocità della luce pari a 8
2.988 10x m s/ , se la propagazione avviene nel vuoto.
È possibile descrivere l’energia EM anche attraverso la teoria dei quanti che identifica delle particelle, i fotoni, che trasportano una determinata quantità di energia; questa energia dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione:
[ ] c
Q J h v h
10
Questa formulazione permette di comprendere come radiazioni con lunghezze d’onda grandi siano più energetiche.
1.2 Spettro Elettromagnetico
La lunghezza d’onda ha un ruolo fondamentale nel telerilevamento: è infatti in funzione delle caratteristiche di emissione, assorbimento e trasmissione delle diverse lunghezze d’onda, che è possibile definire le caratteristiche di un oggetto.
L’insieme di tutte le possibili radiazioni elettromagnetiche ordinate in funzione della lunghezza d’onda o della frequenza è definito spettro elettromagnetico. Anche se lo spettro è definito continuo, a livello operativo, è necessaria una discretizzazione ovvero una suddivisione in classi spettrali identificate come:
- Raggi gamma: è una radiazione molto energetica dovuta al decadimento radioattivo;
13
- Raggi x: sono onde molto dannose per le cellule e vengono utilizzate solo in campo medico;
- Raggi ultravioletti: si suddivide a sua volta in tre sottobande (UVA, UVB, UVC); - Visibile: è una porzione ridotta dello spettro che corrisponde a quella percepita
dall’occhio umano ed è suddivisa nei colori dell’arcobaleno;
- Infrarosso: l’utilizzo di questa porzione dello spettro è ampio, si suddivide, al crescere della lunghezza d’onda, in infrarosso vicino (NIR11, SWIR12, MIR13) e
infrarosso termico (LWIR14, FIR15).
- Microonde: è una banda utilizzata principalmente per i sistemi di comunicazione terrestri e satellitari e viene suddivisa in otto bande in funzione della frequenza;
- Onde radio: radiazione utilizzata principalmente per le telecomunicazioni.
1.3 Parametri Radiometrici Caratteristici Per Il
Telerilevamento
La quantificazione dell’energia emessa o riflessa da un oggetto è un aspetto fondamentale per le applicazioni di osservazione della Terra da satellite. Alcuni dei parametri caratteristici sono:
11 Near Infrared 12 Shortwave Infrared 13 Midwave Infrared 14 Longwave Infrared 15 Far Infrared
14
- Energia radiante Q[J]: le principali deduzioni che si possono fare dalla definizione sono che al crescere della lunghezza d’onda, l’energia si riduce.
[ ] c
Q J h v h
Flusso radiante
[W] e intensità radiante I [W/sr]: derivano direttamente dalla definizione di energia radiante; il flusso quantifica l’energia Q trasferita nell’unità di tempo mentre l’intensità contiene le informazioni relative alla direzionalità del flusso.[ ] ( , ) dQ W dt d W I d sr
- Densità di flusso radiante[W 2
m ]: fornisce le informazioni spaziali dell’flusso radiante e quantifica la quantità di energia che raggiunge una superficie.
densità di flusso radiante=d
dA
A seconda che l’energia sia entrante o uscente si distingue tra irradianza E ed emittanza M: ( , ) ( , ) entrante uscente d E x y dA d M x y dA -
L’emittanza di un corpo nero è quantificata dalla legge di Planck che la descrive in termini di temperatura e lunghezza d’onda:
15 2 2 1 5 2 [ ] ( 1) hc kT hc M Wm m e 16
Questa equazione permette di evidenziare il rapporto di dipendenza dello spettro di emissione di un corpo nero, ovvero un oggetto teorico che assorbe il 100% della radiazione senza rifletterla, dalla temperatura.
Un corpo nero emette energia in tutte le lunghezze d’onda e la sua temperatura determina la lunghezza d’onda del picco di emissione: l’equazione di Planck permette di tracciare lo spettro di emissione di un corpo. La legge di Wien permette di definire la posizione del picco nota la temperatura: il sole, con una temperatura di circa 6000 K avrà il suo massimo nel visibile, mentre la Terra, con 288 K, lo avrà nell’infrarosso lontano.
MAX
b T
17
- Emissività: il rapporto tra l’emittanza di un corpo reale e quella di un corpo nero teorico a una determinata temperatura e lunghezza d’onda. L’emissività è un valore che varia tra zero (l’oggetto non è un buon radiatore) e uno (il corpo è un corpo nero). , ( ) ( ) BB M T M T
- Radianza (L): è un parametro complesso ma fondamentale per il remote sensing ed è definita come il flusso per unità di area e di angolo solido; questa grandezza permette di identificare il flusso sia in termini di intensità che in
16 h= costante di Planck
K=costante di Stefan-Boltzmann c= velocità della luce
T= temperatura (K)
17 b= costante di spostamento di Wien= 2,8978* 3 10 mK
16
termini direzionali e spaziali e può essere espressa in termini di irradianza, intensità radiante ed emittanza.
2
( , , , )
cos( ) cos( ) cos( ) cos( )
E I M L x y A A 2 2 1 1 ( , , , )[ ] cos( ) L x y Wm sr m A
Tutti i parametri radiometrici descritti sono fortemente dipendenti e variabili in funzione della lunghezza d’onda, per questo la notazione comprende un pedice.
1.4 Radiazione Di Un Corpo Nero
È noto come un generico oggetto a una temperatura superiore allo zero assoluto sia in grado di emettere radiazioni elettromagnetiche proprie in tutto lo spettro.
Un corpo nero, o radiatore perfetto, è definito come un oggetto ideale in grado di assorbire tutta l’energia elettromagnetica incidente senza rifletterla o trasmetterla; l’energia che il corpo è in grado di emettere sarà funzione delle sole temperatura ed emissività, pari a 1, e, per questo motivo, viene definita radiazione termica. L’equazione di Planck permette di quantificare l’emittanza di un corpo nero per una determinata temperatura e frequenza.
2 5 2 (exp 1) hc k T hc M 18
Questo significa che, nota la temperatura, è possibile definire lo spettro di radiazione di un corpo e, viceversa, nota l’energia emessa, dedurne la temperatura.
18 M
= emittanza del corpo nero Wm sr2 1m1
T= temperatura [K]
c= velocità della luce nel vuoto h= costante di Plank
17
L’integrazione dell’emittanza, derivata dalla legge di Plank, mostra una correlazione tra emittanza e la quarta potenza della temperatura, a meno di una costante: questa legge è chiamata legge di Stefan-Boltzmann.
4
M T 19
Differenziando la legge di Plank, si ottiene la legge di Wien che identifica la lunghezza d’onda in corrispondenza della quale l’emittanza è massima, nota la temperatura.
max
b T
20
Questa equazione è fondamentale per la determinazione della temperatura di un corpo nero, noto il suo picco di emittanza; per esempio, nota la temperatura del Sole di circa 6000 K, è possibile dedurre il suo picco di emittanza a circa 0.5
m, ovvero nello spettro del visibile; mentre la terra, con la sua temperatura di circa 300 K, avrà il suo picco a 9.6
m, nell’infrarosso termico.
19 = costante di Stefan-Boltzmann 20 b= costante di Wien
18
Figura 6: Picco di emittanza del Sole e della Terra.
Un corpo che ha un’emissività invariante con la lunghezza d’onda ma inferiore a uno, è definito corpo grigio: l’emittanza di un corpo grigio è una frazione di quella di un corpo nero, ma costante con la lunghezza d’onda.
, , ( ) ( ) GB GB BB M T cost M T
I corpi reali, però, non si comportano né come corpi grigi né come corpi neri: la loro emissività non è costante, ma varia in funzione della lunghezza d’onda, comportandosi come corpo grigio o nero solo in piccole porzioni dello spettro elettromagnetico.
19
La legge di Kirchoff permette di quantificare l’energia emessa, assorbita e trasmessa da un corpo che, per il principio di conservazione dell’energia, risulta:
1
Dove i parametri sono ordinatamente il coefficiente di assorbimento, di riflessione e di trasmissione.
il coefficiente di riflessione, o riflettanza, viene definito come il rapporto tra radiazione riflessa e radiazione incidente.
S
R I
La riflettanza permette di identificare univocamente un determinato materiale; risulta quindi un parametro fondamentale per il remote sensing, perché legato alle caratteristiche chimico-fisiche della superficie.
1.5 Interazione Tra Radiazione Solare E Atmosfera
Terrestre
Il Sole è la principale fonte di radiazione elettromagnetica per la Terra e quindi ricopre un ruolo essenziale anche per il telerilevamento: con la sua temperatura di 5777 K, emette radiazione elettromagnetica in tutte le lunghezze d’onda, ma principalmente nelle bande: - UV: 12%; - Visibile: 37%; - NIR: 28%; - SWIR: 21%; - MWIR: 2%. Radiazione incidente Radiazione riflessa
20
L’irradianza del Sole è però molto diversa da quella di un corpo nero alla temperatura di 5777 K, se misurata in corrispondenza della superficie terrestre: questo è dovuto al passaggio della radiazione in atmosfera.
L’atmosfera della Terra è uno strato di gas contente principalmente: - 78% di azoto;
- 21% di ossigeno; - 0.93% di argon;
- 0.038% di anidride carbonica; - 1% di altri gas e vapore d’acqua.
Tutti questi gas, comunemente chiamati aria, proteggono la Terra assorbendo raggi ultravioletti e riducendo le escursioni termiche tra giorno e notte.
L’atmosfera non è omogenea in altitudine, ma varia per composizione, densità e temperatura, influenzando le sue capacità di assorbimento, trasmissione e riflessione della radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole.
21
Comunemente, l’atmosfera è classificata in cinque strati diversi:
- Troposfera: si estende dalla superficie terrestre a circa 10 km ed è lo strato più denso dell’atmosfera, contente il 75% della sua massa e la maggior parte del vapore acqueo e degli aerosol; la temperatura, in questo strato, è decrescente con l’altitudine;
- Stratosfera: si estende dalla troposfera fino a 50 km di altezza. La sua temperatura è quasi costante fino ai 20 km, poi cresce al crescere dell’altezza: questo è dovuto allo strato di ozono che assorbe la radiazione ultravioletta. - Mesosfera: si estende fino a 80 km e l’andamento della temperatura, al
contrario dello strato inferiore, subisce un’inversione, diminuendo al crescere dell’altezza; questo perché non c’è assorbimento di radiazione solare;
- Termosfera: si estende fino a 500 km; la temperatura in questo strato cresce al crescere dell’altezza a causa dell’esposizione a radiazioni estremamente energetiche.
- Esosfera: è lo strato più esterno e si estende fino a confondersi con lo spazio; le temperature delle rare particelle presenti possono raggiungere temperature anche di 2500°;
22
Tutte le particelle di gas e aerosol presenti in atmosfera interagiscono con la radiazione solare in modo differente a seconda delle proprie caratteristiche fisiche. L’effetto atmosferico definisce tutti i fenomeni che avvengono in atmosfera e che modificano la velocità di propagazione della radiazione, la lunghezza d’onda, la distribuzione spettrale, l’intensità e il percorso.
I principali fenomeni a cui la radiazione solare è soggetta durante il passaggio in atmosfera sono:
- Rifrazione atmosferica: la radiazione solare subisce una deviazione dalla propria direzione di propagazione a causa del passaggio attraverso l’interfaccia con un mezzo di diversa densità. L’entità della deviazione può essere quantificato applicando la legge di Snell, considerando una radiazione monocromatica passante attraverso un mezzo isotropico.
1 2 2 1 sin( ) sin( ) n n
Dove n è il coefficiente di rifrazione del mezzo.
Come deducibile dall’equazione, la deviazione del raggio sarà nulla se il raggio incidente è perpendicolare all’interfaccia, mentre sarà massima, ovvero 90°, quando l’angolo di incidenza è critico.
2 1 sin c n a n
23
- Assorbimento atmosferico: è il processo per cui la radiazione elettromagnetica proveniente dal sole viene assorbita da atomi e molecole e trasformata in altre forme di energia, principalmente calore. Ogni sostanza presente in atmosfera assorbe solo determinate lunghezze d’onda per meccanismi come la transizione elettronica, per cui le bande prevalentemente interessate sono quelle dell’ultravioletto e del visibile, la vibrazione molecolare, che interessa in primis l’infrarosso termico, e la rotazione molecolare, che interessa primariamente le microonde e l’infrarosso lontano.
Ovviamente ogni sostanza presente in atmosfera interagisce in modo differente con la radiazione, per questo, le bande di assorbimento dei diversi atomi e molecole avranno uno spettro di assorbimento diverso e caratteristico. Questo implica che, in alcune regioni dello spettro elettromagnetico, l’atmosfera risulti opaca al passaggio della radiazione, questo è un forte limite per il telerilevamento.
24
- Dispersione atmosferica (scattering): è il fenomeno per cui molecole, particolato e vapore acqueo diffondono la radiazione elettromagnetica in atmosfera, questo dipende prevalentemente dalla grandezza delle particelle e dalla lunghezza d’onda. Si identificano tre tipologie di scattering:
1. Rayleigh scattering: avviene quando una particella è di dimensioni molto più piccole della lunghezza d’onda della radiazione incidente. Lo scontro tra particella e radiazione incidente si ipotizza elastico, perciò non c’è assorbimento e l’onda elettromagnetica viene rimbalzata in direzione casuale e quasi simmetrica.
2
r
Questa tipologia di scattering è caratteristica di lunghezze d’onda corte e può essere considerata trascurabile
per lunghezze d’onda superiori a 3
m, a causa del rapporto che deve sussistere tra lunghezza d’onda e raggio della particella. È possibile definire un coefficiente angolare di scattering di Rayleigh che lo quantifica in termini di magnitudo e direzione.2 2 2 4 8 ( 1) 3 ( ) (1 cos( )) 3 4 r n N 1 1 sr m 21
Nelle immagini satellitari, l’effetto di questa tipologia di diffusione è un generale offuscamento e una tendenza alla colorazione blu.
2. MIE scattering: avviene quando la radiazione incontra particelle di dimensioni paragonabili o superiori alla lunghezza d’onda.
21 N= numero di molecole per unità di volume;
n= indice di rifrazione;
25
2
r
In questo caso la diffusione è asimmetrica e la forma del lobo è legata alle caratteristiche chimico-fisiche della particella. In generale, sussiste una proporzionalità inversa tra intensità dello scattering e potenza n-esima22
della lunghezza d’onda ed è principalmente dovuto all’aerosol, particelle inquinanti e foschia presente a quote inferiori ai cinque chilometri. È possibile definire un coefficiente anche per lo scattering di MIE:
( ) ( ) 4 m m
Dove vengono mostrati i due contributi di magnitudo e direzionalità. Nelle immagini, il contributo dello scattering di MIE si traduce con un offuscamento e una tendenza al rosso.
3. Scattering non selettivo: è la diffusione dovuta a particelle molto grandi rispetto alla lunghezza d’onda, lo scattering sarà quindi indipendente da questa grandezza (con l’eccezione di lunghezze d’onda molto grandi come le microonde). La diffusione avviene in modo simmetrico e isotropo ed è caratterizzato dal colore bianco (per esempio, le nubi). Nelle immagini satellitari prevale il colore bianco ed è presente solo in presenza di nubi e foschie.
26
Lo spettro di emissione del Sole che raggiunge la superficie terrestre, non sarà approssimabile al corpo nero di temperatura equivalente; sarà, in generale, inferiore e con ‘buche’ di assorbimento dovute all’atmosfera.
I sensori per il telerilevamento satellitare misurano la radiazione riflessa dal sistema Terra-atmosfera: ciò implica che, nell’utilizzo di questi dati, sia necessaria una correzione dei dati dal disturbo atmosferico.
1.7 Interazione Tra Radiazione Solare E Superfici
Naturali
Da un punto di vista fisico, le superfici reali hanno comportamenti molto diversi quando vengono colpite da radiazione elettromagnetica; la proporzione di energia assorbita, trasmessa e riflessa varia a seconda delle caratteristiche chimico-fisiche dei materiali e il comportamento può essere differente, in funzione della lunghezza d’onda della radiazione a cui sono esposte; due superfici che, a una determinata lunghezza d’onda, risultano uguali, potrebbero essere completamente diverse in un’altra banda.
27
Questo è il principio su cui si basa l’identificazione della copertura del suolo con il telerilevamento, che permette di determinare il materiale in base alla sua firma spettrale, ovvero alla sua capacità di assorbimento e riflssione dello spettro elettromagnetico (Gianinetto, 2015).
A seguito, verranno descritte le firme spettrali delle principali coperture del suolo quali acqua, suolo e vegetazione.
1.7.1 Firma Spettrale Dell’acqua
La capacità di riflessione dell’acqua, ipotizzata pulita, è molto bassa: l’assorbimento è concentrato nell’ultravioletto (400nm) e dal giallo all’infrarosso(580nm); mentre la diffusione è concentrata nell’intervallo di lunghezza d’onda 400-500 nm, in corrispondenza del blu e del viola. In generale, la radianza riflessa è molto bassa, torno al 3%, e localizzata nella banda del blu e del verde; già nell’infrarosso vicino, la radianza è approssimabile a 0.
28
L’acqua allo stato solido ha una firma spettrale molto diversa: sia la neve che il ghiaccio hanno un’altissima albedo23 (pari a 0.4-0.9). il ghiaccio mostra un assorbimento quasi
completo per tutte le lunghezze d’onda superiori a 1.2
m, mentre la neve ha un picco di riflettanza pari quasi all’unità nel visibile, mentre nell’infrarosso decresce. Al crescere della lunghezza d’onda è possibile notare delle ‘buche’ di assorbimento caratteristiche dell’acqua, alle lunghezze d’onda di 1.4
m, 1.7
m e 2.6
m.La firma spettrale di neve e ghiaccio varierà a seconda della tipologia e della presenza di impurità e aria. Le nubi, che rappresentano l’acqua allo stato gassoso, hanno anch’esse una firma caratteristica: neve e nuvole, che nel visibile possono essere indistinguibili a causa dell’elevata albedo, sono
23 Frazione di radiazione solare ad onde corte riflessa dalla Terra verso lo spazio.
Figura 14: Firma spettrale dell'acqua.
29
facilmente discriminabili, per esempio, nell’infrarosso in quanto le nubi presentano una riflettanza alta, mentre la neve bassa.
Figura 16: Differenze spettrali tra nuvole e neve.
1.7.2 Firma Spettrale Del Suolo
Per definizione, il suolo è un materiale eterogeneo in composizione e granulometria; la sua firma spettrale dipende da fattori come la composizione chimica, granulometria, presenza di materiale organico o ossidi di ferro, umidità e rugosità; è però possibile definirne un andamento medio che permette di identificarlo univocamente.
L’andamento della firma presenta una crescita verso l’infrarosso, oltre il quale ha un andamento pseudo-costante; la presenza di umidità modifica in modo importante la risposta di un suolo abbassando la riflettanza in corrispondenza delle bande di assorbimento dell’acqua: questo abbassamento sarà tanto più grande, tanto più il suolo è umido.
La presenza di materiale organico provoca un generale abbassamento della firma, mentre la presenza di ossidi di ferro, un aumento della riflettanza in corrispondenza del rosso e una riduzione nell’infrarosso vicino.
30
A differenza dei suoli, per cui è possibile riconoscerne un comportamento spettrale medio, le rocce hanno un comportamento specifico in base alla loro natura: è quindi necessario studiarne la specifica risposta.
Figura 17: Firma spettrale del suolo in funzione dell'umidità.
Figura 18: Differenze spettrali tra diverse tipologie di suoli. Figura 19: Comportamento spettrale di un set di rocce.
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1.7.3 Firma Spettrale Della Vegetazione
La firma spettale della vegetazione è determinata principalmente da tre fattori: - La capacità di assorbimento,
riflessione e trasmissione delle componenti della pianta (per esempio: foglie, frutti e rami); - L’illuminazione;
- La struttura della vegetazione (per esempio: la disposizione delle foglie).
Un ruolo fondamentale per la caratterizzazione della firma è sicuramente la foglia e la sua struttura: l’epidermide funge da superficie di riflessione; la parte spugnosa influenza la risposta spettrale nell’infrarosso vicino, mentre i pigmenti quella nel visibile.
i pigmenti determinano la colorazione delle foglie e, quindi, anche la loro risposta nel visibile:
- Clorofille: sono responsabili della colorazione verde, ciò implica che hanno due bande di assorbimento nel blu e nel rosso e un picco di riflettanza nel verde; - Carotenoidi: definiscono la colorazione giallo-arancione autunnale;
- Antocianine: provocano la colorazione rossa.
Figura 20: Struttura della foglia.
32
Questo implica che la vegetazione mostrerà delle variazioni stagionali nella sua firma spettrale in accordo con il ciclo di vita delle foglie.
La parte spugnosa della foglia è la causa principale della forte riflessione nell’infrarosso vicino; mentre la risposta nello SWIR è dovuta principalmente alla presenza di acqua, mostrando i tipici tratti dell’assorbimento dell’acqua. In generale, la risposta spettrale della foglia è mostrerà in picco di riflettanza nel verde, e nel NIR.
Figura .23: Spettro caratteristico della vegetazione.
33
La firma spettrale della vegetazione è molto influenzata dallo stato di stress subito dalla pianta: uno stress vegetativo si traduce con un abbassamento della firma in corrispondenza del NIR e un innalzamento nello SWIR: è quindi possibile quantificare il benessere della vegetazione anche da remoto.
1.8 Sensori
la prima classificazione che viene fatta per i sensori si basa sul metodo di acquisizione: se lo strumento rileva la radiazione naturalmente riflessa o emessa dalla superficie terrestre, viene definito passivo; gli strumenti che emettono un segnale e ne registrano l’eco di ritorno vengono definiti attivi, come il SAR24.
I sensori passivi, data la dipendenza delle misure dalla luce solare, possono acquisire solo durante il giorno e, per questo, sono spesso eliosincrone; al contrario, i sensori attivi, emettendo loro stessi l’energia, possono raccogliere dati indipendentemente dalla presenza di energia solare. Considerato che in questo lavoro sono stati utilizzati dati presi esclusivamente da sensori passivi, verrà omesso l’approfondimento sui sensori attivi.
24 Synthetic Aperture Radar.
34
1.8.1 Sensori Ottici
Il telerilevamento ottico lavora in un range dello spettro elettromagnetico che va dal visibile (0.4
m) all’infrarosso vicino, fino all’infrarosso termico (15
m). In questo dominio spettrale, l’acquisizione dei dati avviene utilizzando strumenti a rifrazione, come i sistemi di lenti, o a riflessione, con sistemi di specchi.In generale, i sensori ottici vengono caratterizzati in funzione delle proprietà spettrali, radiometriche e geometriche. Le caratteristiche spettrali rilevanti per un sensore ottico sono:
- Il numero di bande; - L’ampiezza delle bande;
- La lunghezza d’onda centrale delle bande;
- La sensitività in corrispondenza ai margini delle bande.
In funzione di queste caratteristiche, i sensori ottici vengono classificati in quattro classi: i sensori pancromatici rilevano tutto lo spettro del visibile, producendo una sola immagine in bianco e nero, i multispettrali hanno un numero limitato di bande, generalmente nel visibile e nell’infrarosso vicino, e producono un numero di immagini in bianco e nero pari al numero di bande disponibili, con le quali è possibile produrre immagini a colori, i sensori iperspettrali sono simili ai precedenti, ma con un numero molto elevato di bande (spesso più di cento) con ampiezze molto ristrette.
35
La risoluzione radiometrica di un sensore è definita dalla capacità di percepire, codificare e distinguere diversi livelli di intensità flusso radiante emessi o riflessi dal target per una data lunghezza d’onda. Il sensore converte questa energia in corrente elettrica che permette di determinare il livello di intensità di energia per la singola lunghezza d’onda.
La capacità del sensore di distinguere questi livelli di energia viene spesso espressa in bit.
Figura 27: Esempio di diverse risoluzioni radiometriche.
36
Un’altra caratteristica fondamentale di un sensore ottico è ovviamente la risoluzione geometrica che viene quantificata con due parametri: IFOV, definito come l’angolo solido contenuto dall’area minima rilevabile dal sensore, e GIFOV25, ovvero la
proiezione a terra dell’angolo.
Si definisce FOV, Field of View, l’angolo solido contenuto nell’area massima rilevabile dal sensore. 2 2 2 2 V IFOV artg f IFOV GIFOV H
Ovviamente, queste grandezze
determinano la capacità di un sensore di discriminare tra due oggetti e di definirne la geometria.
25 Istantaneous Field of View e Ground-projected Istantaneous Field of View.
37
La risoluzione geometrica di un’immagine ottica può essere limitata da aberrazioni ottiche come delle imperfezioni o un non perfetto allineamento delle lenti; esiste però un limite fisico teorico alla risoluzione geometrica determinato dalla diffrazione della luce, ovvero la deviazione nella propagazione della luce nel passaggio del raggio attraverso una fenditura.
La risoluzione geometrica è, in generale, proporzionale alle dimensioni dell’apertura e inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda osservata.
Considerando due punti, la loro immagine risulterà unita e indistinguibile se la loro risoluzione angolare soddisfa la seguente relazione:
sin( )
D
Il criterio di Rayleigh permette di comprendere se due punti possono essere distinguibili: sin( ) 1.22 D sin( ) 1.22 D sin( ) 1.22 D sin( ) 1.22 D
Figura 29: Diffrazione di un'onda piana.
39
2
Il programma
Copernicus
Il programma Copernicus, precedentemente noto come Global Monitoring for Environment Security (GMES), nasce nel 1998 come iniziativa della Commissione Europea, dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e di un pool di agenzie spaziali nazionali. Copernicus è sovrinteso dalla Commissione Europea che definisce e sviluppa la visione politica del programma e lo coordina in
modo da mantenere un corretto e adeguato funzionamento del sistema; la Commissione è inoltre responsabile
del finanziamento a lungo termine del progetto.
Gli stati membri hanno un ruolo fondamentale nel programma contribuendo allo sviluppo dei satelliti, alla fornitura dei dati sia satellitari che terrestri e sostenendo, a livello sia scientifico che finanziario, lo sviluppo del segmento di terra.
L’ESA è responsabile della componente spaziale con un ruolo di responsabile del coordinamento tecnico e della gestione operativa delle missioni insieme ad EUMESTAT26.
40
Nella complessa gestione del programma, sono coinvolte molte altre agenzie europee operanti in diversi ambiti come quelli industriale, imprenditoriale, ambientale, di sicurezza marittima, oceanografico e meteorologico.
Il progetto mira a garantire, all’Europa e agli stati membri, l’indipendenza nel rilevamento e nella gestione dei dati satellitari, fornendo informazioni precise e affidabili su aspetti ambientali e di sicurezza alle diverse autorità europee e inserendosi nel più ampio progetto GEOS27.
Copernicus è un programma civile che mette a disposizione a cittadini, scienziati, imprenditori, autorità ed enti una vasta quantità di informazioni sulla Terra in forma aperta e gratuita, sostenendo iniziative europee, nazionali, internazionali e regionali di risposta e adattamento a fenomeni globali come il cambiamento climatico, l’inquinamento atmosferico, lo stato ecologico degli oceani, la pianificazione e programmazione territoriale e la gestione di emergenze umanitarie e naturali.
Le applicazioni del programma spaziale sono vaste e permettono una comprensione profonda e integrata del sistema Terra; gli utenti possono trarne beneficio per un alto numero di applicazioni come:
- Agricoltura: valutazione e monitoraggio delle coltivazioni, della sicurezza alimentare e sostegno a pratiche agricole sostenibili;
- Protezione civile: produzione di mappe di rischio, organizzazione della previsione e risposta a catastrofi naturali e crisi umanitarie, soccorso alla popolazione attraverso il ERCC28;
- Cambiamento climatico: per lo sviluppo di strategie efficaci di adattamento e mitigazione;
27 GEOstationary Scientific Satellite.
41
- Cooperazione e sviluppo: monitoraggio dell’agricoltura, deforestazione, desertificazione e controllo sulla biodiversità;
- Energia: selezione, gestione e monitoraggio dei siti di produzione di energia rinnovabile come riserve idriche, protezione di infrastrutture critiche o essenziali (centrali nucleari, gasdotti, oleodotti), in linea con l’impegno dell’Unione Europea nella riduzione dell’utilizzo di fonti inquinanti e non rinnovabili;
- Ambiente: monitoraggio atmosferico, glaciologico, ecologico, oceanografico e valutazioni di parametri idrologici fondamentali come impermeabilizzazione e umidità del suolo;
- Salute: analisi della qualità dell’aria regionale e globale, analisi, monitoraggio e gestione di epidemie o emergenze di salute pubblica;
- Trasporti: monitoraggio rotte navali, controllo del traffico marino;
- Sicurezza: supporto alle azioni extra-europee di mantenimento della pace, monitoraggio delle frontiere;
- Pianificazione urbana e regionale: analisi dell’espansione urbana e mappatura dei rischi geologici per uno sviluppo e una pianificazione sicura;
Inoltre, i servizi del programma rappresentano una fondamentale e vasta raccolta di dati utili alla ricerca scientifica avanzata, generando opportunità di innovazione e sviluppo in molti ambiti.
Il programma Copernicus si basa su un complesso sistema di infrastrutture satellitari e terrestri: la rete di monitoraggio a terra comprende stazioni di monitoraggio meteorologico, oceanografico, atmosferico e di posizionamento.
Questa complessa infrastruttura permette di integrare, calibrare e validare le informazioni satellitari e i diversi prodotti del programma spaziale.
42
La rete di monitoraggio comprende sia infrastrutture appartenenti ai singoli stati membri e a enti nazionali, come le reti di monitoraggio meteorologiche appartenenti ai servizi meteorologici nazionali, che network di proprietà di enti internazionali o di ricerca scientifica.
Tutti i dati raccolti vengono resi disponibili liberamente agli utenti, in linea con i principi del programma Copernicus.
La componente spaziale del programma è individuata dai Sentinels, ovvero sei famiglie di satelliti progettati per scopi di ricerca e raccolta dati specifici:
- Sentinel-1: è composta da una costellazione di due satelliti, SENTINEL-1A e SENTINEL-1B, lanciati nel 2014 su cui è installato un radar ad apertura sintetica in banda C che forniscono immagini in continuo; il vantaggio dell’utilizzo del SAR è la possibilità di raccogliere dati sia di giorno che di notte e con qualsiasi livello di nuvolosità, dato che le lunghezze d’onda utilizzate non vengono assorbite dalle nuvole o inficiate dalla bassa luminosità. I dati satellitari sono disponibili a diverse risoluzioni, da 5 m a 400 km. Gli obiettivi della missione sono di creare una lunga serie storica di dati SAR e di garantire una copertura globale e frequente.
- Sentinel-2: la missione, iniziata nel 2015, comprende due satelliti ottici, SENTINEL-2A e SENTINEL-2B, circolanti sulla stessa orbita e sfasati di 180°. I due satelliti sono forniti di sensori ottici multispettrali con 13 bande a diverse risoluzioni spaziali. Le informazioni raccolte dai satelliti sono utili a diversi servizi di Copernicus, in particolare a scopo di monitoraggio del suolo, protezione civile, mappatura del rischio e operazioni umanitarie.
- Sentinel-3: l’obiettivo primario della missione è il monitoraggio della superficie del mare, della temperatura di mari e terra e analisi oceanografiche ad alta accuratezza. È fornito di quattro diversi strumenti come un SAR altimetrico
43
(SRAL), un radiometro a microonde (MWR), uno strumento per la misura della temperatura (SLSTR) e uno per il colore della terra e dell’oceano (OLCI).
- Sentinel-4: la missione, composta da due satelliti, prevede di fornire dati per il monitoraggio della qualità dell’aria dell’Europa, della composizione chimica diurna della troposfera e delle proprietà delle nuvole.
- Sentinel-5 e Sentinel-5P: l’obiettivo primario delle missioni è quello di monitorare l’atmosfera con un’alta risoluzione spazio-temporale, in particolare sarà fornito di uno spettrometro operante in diverse bande (UV, VIS, NIR, SWIR) che permetterà di raccogliere dati riguardanti la qualità dell’aria, le forzanti climatiche, l’ozono e la radiazione UV. - Sentinel-6: fornito di un RADAR altimetrico,
permetterà di monitorare gli oceani con un’alta risoluzione e una frequenza di dieci giorni.
44
2.1 SENTINEL-2: I Satelliti
Il contributo dei Sentinel-2 al programma spaziale europeo è principalmente il monitoraggio della superficie terrestre attraverso osservazioni ottiche, multispettrali e ad alta risoluzione spaziale. Il sistema è stato progettato in modo da integrare e assicurare l’interoperabilità con sistemi di osservazione terrestre preesistenti come LANDSAT e SPOT.
Il programma SPOT è stato lanciato nel 1978 dalla CNES29 e attualmente conta cinque
satelliti; ogni satellite è fornito di un sensore pancromatico e uno multispettrale che possono acquisire individualmente o simultaneamente, vantando risoluzioni spaziali dai 20 ai 2.5 metri.
Il programma americano LANDSAT è iniziato nel 1972 con i primi sei satelliti e ha fornito dati chiave per numerose iniziative scientifiche, in particolare, per il monitoraggio del cambiamento climatico. I LANDSAT sono un gruppo di famiglie di satelliti con diverse caratteristiche tecniche, che permettono di soddisfare le necessità di un grande numero di applicazioni scientifiche.
Data l’importanza delle missioni precedenti, i Sentinel-2 sono stati progettati in modo che i dati dei diversi sistemi potessero essere coerenti, integrando, allo stesso tempo, importanti novità come la copertura globale, tempi di rivisitazione ridotti, alta risoluzione spaziale, buona risoluzione spettrale e ampio campo di vista (ESA, Sentinel-2 User Handbook, Sentinel-2015).
29 Centre National d’études Spatiales, l’agenzia francese che si occupa delle attività spaziali per la
45
LANDSAT 1-7 SPOT SENTINEL-2
Mission lifetime 1972-presente 1986-presente 2015-presente
Swath width (km) 185 2x60 290
Spectral bands 7 4 13
Spatial Resolution (m) 30, 60 2.5, 10, 20 10, 20, 60
Tabella 1: Confronto tra Sentinel, LANDSAT e SPOT
La copertura garantita dalla missione comprende tutte le terre continentali, comprese tra le latitudini 56°S e 84°N, i mari fino a 20 km dalle coste, tutte le isole europee e quelle extra-europee con superficie maggiore di 100 2
km , il Mar Mediterraneo e tutti i mari chiusi (ESA, 2015).
Per assicurare un tempo di rivisitazione ridotto, la missione ha previsto il lancio di due satelliti gemelli, Sentinel-1A e Sentinel-1B, che permettono di acquisire dati sulla stessa area ogni cinque giorni.
46
I due satelliti sono eliosincroni sfasati di 180° tra di loro e giacciono su un’orbita a un’altitudine media di 786 km, acquisendo immagini alle 10.30 ora locale: questa scelta è stata fatta sia per minimizzare la copertura nuvolosa che per garantire l’illuminazione solare ottimale, inoltre, è coerente con le missioni SPOT e LANDSAT. Le bande spettrali dei due satelliti si estendono dal visibile all’infrarosso (SWIR) con diverse risoluzioni spaziali (tab.1):
- Quattro bande a 10 m: blu (490 nm), verde (560 nm), rosso (665 nm) e NIR (842 nm);
- Sei bande a 20 m: quattro bande strette per la classificazione della vegetazione (705 nm, 740 nm, 783 nm e 865 nm) e due ampie nello SWIR (1610 nm e 2190 nm);
- Tre bande a 60 m: dedicate alla correzione atmosferica (443 nm, 945 nm e 1375 nm).
47
La risoluzione radiometrica del sensore è di 12 bit: questo permette di distinguere 4096 livelli di intensità della luce.
48
bb
Tabella 2: Caratteristiche delle bande dei sensori multispettrali di Sentinel-2A e Sentinel-2B (ESA, 2015).
S2A
S2B
Band Number Central wavelength (nm) Bandwidth (nm) Central wavelengt h (nm) Bandwidth (nm) Spatial resolution (m) 1 443.9 27 442.3 45 60 2 496.6 98 492.1 98 10 3 560.0 45 559 46 10 4 664.5 38 665 39 10 5 703.9 19 703.8 20 20 6 740.2 18 739.1 18 20 7 782.5 28 779.7 28 20 8 835.1 145 833 133 10 8a 864.8 33 864 32 20 9 945.0 26 943.2 27 60 10 1373.5 75 1376.9 76 60 11 1613.7 143 1610.4 141 20 12 2202.4 242 2185.7 238 2049
2.2 Prodotti
Uno degli obiettivi della missione è quello di fornire dati che possano fornire uno strumento di monitoraggio robusto: per questo, ai prodotti al livello di processing Level-1 vengono applicate correzioni radiometriche e geometriche.
I prodotti resi disponibili sono cinque:
- Level 0: sono i dati grezzi compressi, contenenti tutti i dati necessari ai prodotti superiori;
- Level-1A: sono i dati grezzi non compressi con le bande coregistrate;
- Level-1B: i dati sono corretti radiometricamente e il modello geometrico è corretto con punti a terra, che non sono però applicati ai dati;
- Level-1C: le immagini sono espresse in termini di radianza TOA30 e sono
ortorettificate; ai dati sono associate le maschere di acqua e nuvole. I dati forniti liberamente da Copernicus sono quelli di livello 1C.
51
3
Area
di Studio
La scelta dell’area di applicazione del metodo è stato un aspetto critico del lavoro: era necessario individuare un cantiere che soddisfacesse le necessità dei dati Sentinel. Gli aspetti che necessariamente sono stati analizzati sono:
- le dimensioni del cantiere; - la durata del cantiere;
- la disponibilità di informazioni dettagliate e cronologicamente corrette sullo sviluppo dell’opera.
Il cantiere dell’opera deve essere di dimensioni compatibili con la risoluzione spaziale non trascurabile delle immagini; inoltre, deve avere uno sviluppo prevalente all’interno della finestra temporale di disponibilità delle immagini, ovvero deve essere iniziato e finito, o in dirittura di conclusione, nel tempo che va dal lancio del primo satellite, luglio 2015, ad oggi.
Per poter comprendere correttamente la bontà delle analisi, è anche necessario avere informazioni dettagliate sul cronoprogramma delle lavorazioni, in modo da poter valutare la coerenza delle elaborazioni con l’effettivo sviluppo dei lavori.
Queste esigenze sono state parzialmente soddisfatte dalla cassa di espansione Pizziconi, nel comune di Figline Valdarno (FI). L’area interessata dall’opera è
