CAPITOLO 5

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Evoluzione spettrale degli incendi campionati

5.1. Il concetto di firma spettrale

Alla base del concetto di firma spettrale vi è l’interazione tra radiazione elettromagnetica e materia, da cui derivano i fenomeni di assorbimento, trasmissione e riflessione dell’energia incidente, illustrati qualitativamente nella figura 5.1.

In questa schematizzazione la radiazione solare, rappresentata con la lettera “I”, viene assorbita “A”, trasmessa “T” e riflessa “R” dalla fronda di un vegetale.

Figura 5.1: interazione tra radiazione elettromagnetica e materia (I.N.G.V.).

La legge fondamentale della conservazione dell’energia prevede che l’energia derivante dalla somma dei fenomeni di assorbimento, trasmissione e riflessione deve essere pari a quella incidente, in termini matematici tale legge viene espressa nella equazione 5.1, dove il pedice λ indica la lunghezza d’onda.

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incidente λ trasmessa λ assorbita λ riflessa λ

E

+

=

Equazione 5.1: principio di conservazione della radiazione elettromagnetica.

L’equazione 5.1 può essere riscritta dividendo ambo i membri per il termine che rappresenta l’energia incidente (Eλincidente), in questo modo si ottiene l’equazione 5.2, in

cui figurano: ¾

_E

RIFLETTANZ

A

E

ρ

_incidente λ riflessa λ

=

¾

_E

ASSORBANZA

E

α

_incidente λ assorbita λ

=

¾

TRASMITTAN

ZA

E

τ

_incidente λ trasmessa λ

₌

=

Riflettanza (ρ), assorbanza (α) e trasmittanza (τ), variano significativamente in funzione della lunghezza d’onda, inoltre possono assumere valori, compresi tra 0 e 1, la cui somma deve essere pari a 1 (energia incidente) per la legge della conservazione della radiazione elettromagnetica riscritta nell’equazione 5.2.

1 =

+

α

τ

ρ

Equazione 5.2: principio di conservazione della radiazione elettromagnetica riscritto in termini di

riflettanza, assorbanza e trasmittanza.

La riflettanza rappresenta il rapporto tra la radiazione incidente sulla superficie di un corpo, e quella da esso riflessa. Tale grandezza, espressa in termini percentuali, viene di solito impiegata per descrivere la risposta spettrale di varie tipologie di materiali sottoposti a determinate condizioni di illuminazione e di ripresa.

Lo studio dell’energia come funzione delle lunghezze d’onda riflesse da un corpo (solido, liquido e gassoso), quando esso interagisce con l’energia incidente, è uno dei campi di interesse della spettroscopia.

Le librerie spettrali ottenute per mezzo di studi di spettroscopia (su rocce, suoli, vegetazione e altri materiali di interesse scientifico) permettono di poter discriminare

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fisiche differenti. Il riconoscimento, infatti, si basa sulle variazioni del segnale di riflettanza registrato nelle regioni dello spettro elettromagnetico corrispondenti al visibile, all’infrarosso vicino e a onda corta.

Le analisi spettroscopiche condotte su varie tipologie di materiali differenti per geometria, composizione chimica e stato fisico, hanno permesso di tracciare dei diagrammi che rappresentano l’andamento della riflettanza in funzione della lunghezza d’onda. Questi grafici prendono il nome di curve della risposta spettrale. Nella figura 5.2 ne viene riportato un esempio in cui sono posti a confronti gli andamenti della riflettanza per quattro categorie di superfici: acqua, vegetazione, suoli umidi e terreni asciutti. Tali tipologie di superfici hanno una propria firma spettrale caratterizzata da un particolare andamento della riflettanza, con dei valori massimi e minimi localizzati in specifici intervalli di lunghezze d’onda.

L’acqua assorbe gran parte della radiazione solare incidente nella regione del visibile (~ 0,4 – 0,7 µm) riflettendone generalmente meno del 10%, mentre nell’infrarosso vicino e a onde corte la curva della riflettanza tende a zero.

I corsi d’acqua interni e il mare spesso trasportano del carico in sospensione che può determinare un aumento della riflettanza, tuttavia, in questi casi, occorre considerare che lo spettro risultante deriva dalle caratteristiche di riflettanza dei due elementi distinti: l’acqua e il materiale da essa trasportato.

La riflettanza dei suoli cresce all’aumentare della lunghezza d’onda, con una serie di minimi, approssimativamente a 1,4, 1,9 e 2,7 µm, causati da un elevato assorbimento dell’energia radiante da parte dell’acqua contenuta nel terreno. L’effetto dell’umidità sulla risposta spettrale delle formazioni pedologiche è ancora più evidente per la categoria suoli umidi, dove la relativa curva conserva l’andamento crescente, ma risulta sempre inferiore rispetto a quella dei suoli più secchi, fino ad abbassarsi significativamente in corrispondenza delle lunghezze d’onda di cui sopra.

In questa tesi è stata effettuata un’analisi dell’evoluzione temporale della firma spettrale di due aree boschive che, prima degli incendi “01_07” e “01_08” (vedi capitolo 4), erano costituite prevalentemente da formazioni miste tendenti alla gariga e pinete a prevalenza di pino marittimo e domestico.

La conoscenza della firma spettrale della vegetazione, riportata nella figura 5.3, è stata di fondamentale importanza per comprendere quali fossero le bande Landsat TM (ed ETM) più idonee a questo tipo di studio.

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Figura 5.2: curve delle risposta spettrale dell’acqua, della vegetazione, e dei suoli secchi e umidi

(Wageningen University, http://www.wur.nl/uk/).

Nel visibile, l’assorbimento della luce ad opera dei pigmenti fogliari predomina sulla riflettanza. In particolare i due minimi locali di riflettanza nel blu (~ 0,40 – 0,50 µm) e nel rosso (~ 0,65 – 0,70 µm) sono dovuti alla clorofilla presente nelle due forme: a e b, che costituiscono circa il 65% dei pigmenti totali delle piante superiori. L’assorbimento nelle suddette bande determina il picco di riflettanza in corrispondenza del verde, a circa 0,55 µm. Per questo motivo la clorofilla è anche detta pigmento verde.

Altri pigmenti secondari contribuiscono all’assorbimento dell’energia di alcune lunghezze d’onda a cui la clorofilla non è sensibile. Nelle piante superiori sono presenti i carotenoidi quali: il carotene e la xantofilla.

Il carotene è un pigmento rosso – arancio che assorbe soprattutto la radiazione verde (0,50 – 0,60 µm), ed è responsabile del colore dei fiori, dei frutti e delle foglie senza clorofilla.

La xantofilla è gialla, capta le lunghezze d’onda tra 0,35 e 0,40 µm, ed è responsabile del colore delle foglie quando cadono dalla pianta.

In natura esistono anche ulteriori tipi di pigmenti fotosintetici che hanno picchi di assorbimento in altre regioni dello spettro visibile non coperte dalla clorofilla e dai carotenoidi. Le ficobiline, ad esempio, sono presenti solo nelle alghe nelle seguenti due forme: la ficocianina (di colore azzurro, assorbe a 555 e 617 nm) la ficobilina (è rossa e

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Nell’infrarosso vicino l’assorbanza risulta inferiore al 10%, mentre la riflettanza e la trasmittanza possono anche arrivare al 50%. Tale regione spettrale, è contraddistinta da un tipico “plateau” di riflettanza il cui livello dipende dalle strutture interne della foglia come il mesofillo.

Il mesofillo viene definito come la parte della lamina fogliare compresa tra le due epidermidi. Esso è costituito da un parenchima clorofilliano che, specialmente nella foglie dorso ventrali, è differenziato in due strati di solito ben distinti: il palizzata e il lacunoso.

Il mesofillo è ricco di cloroplasti la cui posizione reciproca può variare a seconda dell’intensità della luce incidente. Nelle piante situate in luoghi particolarmente luminosi, le cellule del palizzata sono molto allungate e possono essere disposte in più strati, in quanto luce sufficiente per la fotosintesi penetra in profondità nel lembo fogliare (Gerola ,1998).

Nelle piante xenofile che hanno sviluppato meccanismi di resistenza agli stress idrici, come le sclerofille presenti nel Mediterraneo, il mesofillo è strutturato in più strati a palizzata e viene protetto da cuticole spesse in modo da limitare il processo di evapotraspirazione dalle foglie. Gli spazi intercellulari, normalmente riempiti da aria satura di vapore acqueo sono scarsi, pertanto, rispetto ad altre specie, suddetti organismi possono presentare un diverso indice di rifrazione fogliare.

All’interno della regione dell’infrarosso-vicino si possono riconoscere due intervalli di lunghezze d’onda aventi le seguenti caratteristiche:

• tra 0,70 – 1,10 µm la riflettanza si mantiene elevata anche se in corrispondenza di 0,96 µm vi è una leggera flessione dovuta all’assorbimento dell’acqua

• fra 1,10 – 1,30 µm dagli alti valori di energia riflessa dell’infrarosso vicino, si passa gradualmente alle bande d’assorbimento dell’acqua dell’infrarosso a onda corta.

Nell’infrarosso a onda corta (SWIR ~ 1,0 – 2,5 µm) la radiazione incidente sulle foglie viene assorbita dall’acqua presente nelle cellule e negli spazi intercellulari del mesofillo.

La figura 5.3 mostra, nella regione dello SWIR, tre minimi relativi centrati approssimativamente a 1,4, 1,9 e 2,5 µm, ognuno dei quali corrisponde alle lunghezze d’onda di assorbimento dell’acqua già viste anche nelle firme spettrali dei suoli umidi.

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L’infrarosso a onda corta risulta, pertanto, una regione spettrale sensibile allo stress idrico della vegetazione correlabile a fattori antropici quali, ad esempio, gli incendi.

I principali fattori che influenzano la firma spettrale della vegetazione nelle tre regioni spettrali del visibile, dell’infrarosso vicino e dell’infrarosso a onda corta sono i seguenti:

• la struttura interna ed esterna • l’età

• lo stato di idratazione • lo stress minerale • il vigore.

Figura 5.3: firma spettrale della vegetazione (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia).

La regione spettrale dell’infrarosso vicino è quella in cui il segnale di riflettanza degli incendi recenti è più forte (Chuvieco, 1999). Le lunghezze d’onda del NIR, per questo motivo, vengono generalmente considerate le migliori per l’individuazione e la mappatura delle aree bruciate (Hall et al. 1980, Tananka et al. 1983; Richards 1984, Ponzoni et al. 1986, Frederiksen et al. 1990, Langaas e Kane 1991, Lopez e Caselles 1991, Pereira e Setter 1993, Caetano et al. 1994, Koutsias e Karteris, 1996, Silva, 1996, Sousa 1998, Pereira 1999), specialmente quando i carichi di combustile (legname) sono elevati e la combustione rilascia grossi quantitativi di scorie carboniose sul suolo (Chuvieco ,1999).

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In questa porzione dello spettro elettromagnetico neppure lo stato fenologico sembra incidere in maniera negativa sulla riflettanza delle piante, che rimane sistematicamente più alta rispetto a quella delle zone recentemente percorse dal fuoco. A tal proposito sono stati condotti degli studi su due tipi di coperture vegetali contraddistinte da un diverso contenuto idrico quali la Savana, e le foreste temperate. I risultati hanno dimostrato che nel NIR non esistono differenze significative tra gli incendi della Savana, in cui la vegetazione è prevalentemente secca, e quelli della foresta temperata caratterizzata da boschi perlopiù rigogliosi (Chuvieco, 1999).

In conclusione, le considerazioni di cui sopra in merito all’utilizzo dell’infrarosso vicino per lo studio della vegetazione, e quelle discusse nel capitolo 4, relativamente alle aree bruciate, suggeriscono che lo spazio bispettrale NIR – SWIR sia il più idoneo agli scopi di questa tesi.

Il visibile, sebbene alcuni autori sostengano che sia meno appropriato per lo studio delle superfici percorse dal fuoco (vedi capitolo 4), è la regione dello spettro elettromagnetico impiegata in letteratura insieme al NIR, per il calcolo dei classici indici di vegetazione quali ad esempio: SR, NDVI e SAVI. Questi verranno comparati ad altri indici sensibili alla copertura vegetale, nel capitolo 6 di questa tesi.

L’analisi spettrale del recupero della vegetazione e il calcolo degli indici di cui sopra hanno reso necessaria la conversione dei valori digitali delle immagini Landsat a disposizione, in più utili unità di riflettanza alla cima dell’atmosfera. Al fine di ridurre il rumore dello scattering atmosferico sul segnale riflesso dalle superfici investigate, nel seguente paragrafo sarà discussa anche la tecnica del “Dark Object Subtraction” (Chavez, 1988) proponendo un modello di conversione dei DN in radianza esoatmosferica corretta.

5.2. La trasformazione dei DN in unità di riflettanza

La possibilità di rilevare e quantificare i cambiamenti che avvengono sulla superficie della Terra, è condizionata dalla capacità dei sensori installati sulle piattaforme satellitari, di produrre misure calibrate e coerenti delle caratteristiche ambientali riprese dallo strumento (Chander, 2003).

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Il confronto tra dati acquisiti da dispositivi aventi caratteristiche differenti, ovvero risalenti a date diverse, è possibile previa conversione dei valori digitali dei pixels nei parametri di radianza (LSAT) e di riflettanza alla cima dell’atmosfera (ρTOA).

Il calcolo dell’energia rilevata dallo strumento costituisce un passo fondamentale per riferire, ad un’unica scala radiometrica, i dati spettrali delle immagini acquisite da differenti satelliti.

Il diagramma di flusso della figura 5.4 rappresenta, in maniera sintetica, i passaggi della procedura di registrazione del valore di radianza al sensore per i satelliti Landsat TM e ETM; per ottenere il valore dell’energia misurata dal satellite, espressa in [W/m2.sr.µm], occorre procedere a ritroso dal numero digitale calibrato QCAL al dato grezzo a 32 bit del Level 1 (Chander, 2003).

La radianza calcolata dai DN dei pixels può essere trasformata, a sua volta, tramite uno specifico coefficiente di conversione (vedi testo), in riflettanza alla cima dell’atmosfera. I vantaggi nell’utilizzo di quest’ultima grandezza, quando vengono analizzate immagini satellitari acquisite da sensori con diverse specifiche tecniche, sono i seguenti:

• viene compensata la variabilità dovuta agli angoli di zenith solare, che cambiano a seconda delle date di registrazione delle immagini analizzate • viene ridotta l’influenza delle condizioni di ripresa proprie di ogni sensore

che comporta calibrazioni differenti per ogni scena

• si riducono le diversità tra i valori di irradianza solare esoatmosferica per ciascuna banda.

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Il metodo seguito in questa tesi per estrapolare il valore di riflettanza a partire dai DN delle immagini Landsat a disposizione, si basa sull’utilizzo dell’equazione 5.3, i cui termini costituenti sono:

• il coefficiente di conversione tra radianza e riflettanza (Kλ)

• la radianza al sensore (Lsat)

• l’energia dovuta allo scattering atmosferico (Lhaze)

(

sat haze

)

λ

K

L

λ

L

λ

ρ

=

−

Equazione 5.3: formula per il calcolo della riflettanza (ρλ) alla cima dell’atmosfera; ogni termine è funzione della lunghezza d’onda λ.

Nell’equazione 5.3 compare anche il contributo energetico dovuto al fenomeno dello scattering atmosferico che deriva dall’interazione tra radiazione riflessa e/o emessa ed atmosfera.

Nel testo a seguire verrà preso in esame ciascun termine dell’equazione 5.3 (Kλ,

Lλ SAT, Lλ HAZE), scritto senza il pedice λ per rendere più agevole la lettura.

Il coefficiente di conversione K, la cui espressione matematica viene riportata nell’equazione 5.4, a sua volta comprende i seguenti parametri:

• l’irradianza esoatmosferica del Sole (ESUNλ), che rappresenta il flusso

radiante solare alla cima dell’atmosfera, mediato sulle lunghezze d’onda di ciascun canale; i valori di ESUNλ, per ogni banda Landsat TM e ETM, sono

elencati nella tabella 5.1

• la distanza Sole – Terra (d2_{) in unità astronomiche ottenibili, per qualsiasi}

giorno dell’anno, interpolando i valori della tabella 5.2, ovvero utilizzando opportuni manuali nautici

• l’angolo di zenith solare (θs), espresso in gradi, è il reciproco dell’angolo di elevazione solare il cui valore si trova nell’header file di ciascuna Landsat.

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Landsat TM 5 Landsat ETM 7

Irradianza solare (W/mq s.r. µm) Irradianza solare (W/mq s.r. µm)

1 1957,0 1969,0 2 1826,0 1840,0 3 1554,0 1551,0 4 1036,0 1044,0 5 215,0 225,7 7 80,7 82,1 Banda

Tabella 5.1: irradianza solare media alla cima dell’atmosfera per le bande Landsat TM ed ETM

(http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/IAS/handbook/handbook).

Giorno Giuliano Distanza Giorno Giuliano Distanza

1 0,9832 196 1,0165 15 0,9836 213 1,0149 32 0,9853 227 1,0128 46 0,9878 242 1,0092 60 0,9909 258 1,0057 74 0,9945 274 1,0011 91 0,9993 288 0,9972 106 1,0033 305 0,9925 121 1,0076 319 0,9892 135 1,0109 335 0,986 152 1,014 349 0,9843 166 1,0158 365 0,9833 182 1,0167

Distanza Terra - Sole in unità astronomiche

Tabella 5.2: distanza tra la Terra e il Sole espressa in unità astronomiche

(http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/IAS/handbook/handbook). s λ

ESUN

d

π

K

ϑ

cos

2

⋅

=

Equazione 5.4: fattore di conversione tra radianza e riflettanza

Le bande elencate nella tabella 5.1 sono quelle che permettono di calcolare la riflettanza dai dati di energia al sensore, infatti i canali mancanti dell’infrarosso termico (6 e 8), possono essere impiegati solo per stimare l’emissione di calore dalla superficie terrestre.

L’energia al sensore (LSAT) dell’equazione 5.3, deriva dalla conversione dei valori DN dei pixels nei valori di radianza di LEVEL 1 (vedi figura 5.4).

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Le specifiche per la calibrazione delle immagini Landsat a disposizione sono state ricostruite dal sito ufficiale della missione Landsat 7 (http://landsat7.usgs.gov). Tali parametri vengono registrati in appositi file CPF (Calibration Parameter File) contenenti:

• il guadagno strumentale in ogni banda (Gain)

• la radianza massima e minima registrabili per ogni canale, sia in condizioni di basso che di alto guadagno strumentale.

La tabella 5.3 mostra i valori di radianza massima (LMAX) e minima (LMIN) per

ogni canale Landsat TM ed ETM, nelle due condizioni di basso e alto guadagno rispettivamente.

La scelta tra alto o basso guadagno strumentale è vincolata alla quantità di radiazione solare che illumina la scena registrata dall’apparato, infatti, nei casi di elevata illuminazione il sensore può andare incontro alla saturazione.

L’impostazione del guadagno strumentale nel caso di superfici con copertura vegetale che non siano: deserti, ghiacciai e barriere coralline, è generalmente quella elencata di seguito:

• per le bande 1, 2, 3, 5, 7 il guadagno è alto

• per la banda 4 il guadagno è alto fintanto che l’angolo di elevazione solare si mantiene al di sotto di 45°, superata questa soglia, per evitare la saturazione della vegetazione densa (cioè avente una riflettanza superiore a 0,66), il guadagno diventa quello basso.

La radianza al sensore per ogni singolo pixel è calcolabile secondo l’equazione 5.5 i cui i termini C0 (offset) e C1 (gain) sono elencati nelle tabelle 5.4 e 5.5, per ogni banda TM ed ETM, insieme ai rispettivi valori di guadagno strumentale.

DN

C

L

_sat

=

₀

+

₁

⋅

(12)

Lmin Lmax Lmin Lmax Lmin Lmax Lmin Lmax 1 -1,520 152,100 -1,520 193,000 -6,200 293,700 -6,200 191,600 2 -2,840 296,810 -2,840 365,000 -6,400 300,900 -6,400 196,500 3 -1,170 204,300 -1,170 264,000 -5,000 234,400 -5,000 152,900 4 -1,510 206,200 -1,510 221,000 -5,100 241,100 -5,100 157,400 5 -0,370 27,190 -0,370 30,200 -1,000 47,570 -1,000 31,060 7 -0,150 14,380 -0,150 16,500 -0,350 16,540 -0,350 10,800

Banda Basso guadagno Alto guadagno Basso guadagno Alto guadagno

Landsat ETM 7 Landsat TM 5

Tabella 5.3: valori di radianza massima e minima nelle condizioni di alto e basso guadagno

strumentale.

Lmax Lmin C0 C1 Lmax Lmin C0 C1

1 152,100 -1,520 -1,500 0,602431 293,700 -6,200 -6,200 1,176078 2 296,810 -2,840 -2,800 1,175098 300,900 -6,400 -6,400 1,205098 3 204,300 -1,170 -1,200 0,805765 234,400 -5,000 -5,000 0,938824 4 206,200 -1,510 -1,500 0,814549 241,100 -5,100 -5,100 0,965490 5 27,190 -0,370 -0,370 0,108078 47,570 -1,000 -1,000 0,190471 7 14,380 -0,150 -0,150 0,056980 16,540 -0,350 -0,350 0,066235 Landsat ETM 7 Landsat TM 5 Banda

Basso guadagno strumentale

Tabella 5.4: coefficienti di calibrazione delle immagini Landsat impiegate in questa tesi, LMAX e

LMIN corrispondono alla radianza massima e minima nella condizione di basso guadagno

strumentale.

Lmax Lmin C0 C1 Lmax Lmin C0 C1

1 193,000 -1,520 -1,500 0,762824 191,600 -6,200 -6,200 0,775686 2 365,000 -2,840 -2,800 1,442510 195,500 -6,400 -6,400 0,791765 3 264,000 -1,170 -1,200 1,039882 152,900 -5,000 -5,000 0,619216 4 221,000 -1,510 -1,500 0,872588 157,400 -5,100 -5,100 0,637255 5 30,200 -0,370 -0,370 0,119882 31,060 -1,000 -1,000 0,125725 7 16,500 -0,150 -0,150 0,065294 10,800 -0,350 -0,350 0,043725

Banda Landsat TM 5 Landsat ETM 7

Alto guadagno strumentale

Tabella 5.5: coefficienti di calibrazione delle immagini Landsat impiegate in questa tesi, LMAX e

LMIN corrispondono alla radianza massima e minima nella condizione di alto guadagno

strumentale.

Il termine LHAZE dell’equazione 5.3 rappresenta il surplus energetico, in arrivo al

satellite, dovuto allo scattering atmosferico che consiste nella rifrazione della luce riflessa dalla superficie terrestre. Questo fenomeno, schematizzato nella figura 5.5, deriva dall’interazione tra la radiazione elettromagnetica e le molecole gassose, ovvero il particolato in sospensione nell’aria.

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In base alle dimensioni delle particelle che lo determinano, lo scattering atmosferico viene distinto in:

• rayleigh scattering, in cui vengono interessate le lunghezze d’onda più piccole di 1 µm, specialmente quelle appartenenti al visibile come il blu, da cui il colore blu del cielo

• mie scattering, dovuto alle particelle più o meno sferiche, la cui taglia può essere uguale o superiore alle lunghezze d’onda interessate (polvere e vapore d’acqua) che vanno dall’ultravioletto vicino, all’infrarosso vicino.

Figura 5.5: schematizzazione del fenomeno scattering (I.N.G.V.).

Il rayleigh scattering è responsabile di una significativa perdita di contrasto nelle bande Landsat TM ed ETM del visibile, causando un diffuso annebbiamento dell’immagine, detto haze.

Il contributo dello scattering atmosferico è stato stimato utilizzando la tecnica della sottrazione per il punto nero (Dark Object Subtraction o più brevemente DOS) (Chavez, 1988). Tale procedura è stata sviluppata per correggere le alterazioni che la

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radiazione riflessa dalla superficie terrestre subisce durante l’attraversamento dell’atmosfera (path radiance).

In particolare il DOS si basa sul principio che la radianza misurata dal sensore (LSAT) è pari alla somma dell’energia effettivamente riflessa (LE) e di quella derivante

dall’interazione con le particelle atmosferiche (LHAZE). L’equazione 5.6 esprime tale

concetto in termini matematici.

HAZE E

SAT

L

=

+

Equazione 5.6: effetto dello scattering atmosferico sulla radianza misurata al sensore.

La tecnica del DOS ipotizza che il pixel più scuro, all’interno dell’immagine non corretta, abbia un valore di riflettanza pari a 1%. In assenza di scattering atmosferico l’energia rilevata al sensore per tale pixel (L1%) è quella espressa dall’equazione 5.7.

K

ρ

L

₁_%

=

0 ,

01

Equazione 5.7: radianza al sensore stimata per un oggetto avente riflettanza pari a 1%, in

condizioni di scattering atmosferico nullo.

La radianza al sensore ricavata utilizzando il DN del pixel più scuro viene mostrata nell’equazione 5.8. Tale relazione si ottiene dall’equazione 5.3 sostituendo, al posto del DN generico, il DNMIN del valore digitale più piccolo rispetto a quello assunto da tutti i pixels dell’immagine da correggere.

MIN

D

C

DN

L

=

₀

+

₁

⋅

Equazione 5.8: radianza al sensore ricavata dal pixel più scuro

Il risultato finale, conseguito applicato il modello del DOS, viene riportato nell’equazione 5.9 che permette di stimare il surplus dovuto allo scattering atmosferico (LHAZE).

K

DN

C

L

_HAZE

=

₀

+

₁

⋅

_MIN

−

0 ,

01

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La conversione dei valori digitali in riflettanza alla cima dell’atmosfera è stata effettuata impiegando il programma Microsoft EXCEL®. La procedura di calcolo seguita viene mostrata nello schema della figura 5.6.

I valori digitali da processare sono stati estrapolati dalle regioni di interesse “ROI 01_07” e “ROI 01_08” (vedi capitolo 4), mediante un’apposita funzione di Envi Immagine 3.6, che permette di salvare i principali dati di ciascun pixel in file di testo.

I parametri di calibrazione delle tabelle 5.4 e 5.5, compresi i coefficienti di conversione per ogni banda (K), sono stati calcolati e successivamente confrontati con i corrispettivi valori presenti nei file LEA di ciascuna Landsat (ESA) a disposizione. Questa operazione ha permesso di evitare possibili errori di trascrizione dei valori numerici dai file LEA ai fogli elettronici usati per la conversione dei DN in riflettanza.

La verifica della validità dei dati conseguiti applicando la procedura della figura 5.6, è stata effettuata scegliendo come riferimento i dati di riflettanza pubblicati da Chuvieco (1999), relativi al sensore Landsat TM – 5.

I risultati di suddetto studio sono mostrati nella figura 5.7 dove, per diverse tipologie di coperture superficiali, vengono riportati gli andamenti dei valori medi di riflettanza ricavati dall’analisi di diverse regioni di interesse (ROI) estratte da 20 immagini Landsat TM relative al Portogallo.

Figura 5.6: procedura impiegata per convertire i DN in valori di riflettanza alla cima

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Figura 5.7: riflettanza di alcune categorie di superfici rilevate mediante 20 Landsat TM – 5 del

Portogallo (Chuvieco, 1999).

Il test della procedura adottata per la conversione dei DN in unità di riflettanza si è basato sulla scelta di un’immagine Landsat TM – 5, tra quelle a disposizione (“aoi_192_30_04_09_27”), su cui sono state individuate le seguenti classi tematiche:

• area urbana • campi coltivati • mare aperto

• pineta

• suolo nudo

La fase successiva alla determinazione di suddette ROI, rappresentate nella tabella 5.6, è stata incentrata sul calcolo dei valori di riflettanza privi di correzione atmosferica, coerentemente con i dati riportati nella figura 5.7.

La tabella 5.6 contiene anche una colonna con i valori di riflettanza corretti mediante la tecnica del DOS applicata alle bande del visibile e dell’infrarosso vicino, nelle quali rumore dovuto allo scattering non è trascurabile (vedi testo).

I risultati del test vengono mostrati nella figura 5.8 dove, rispetto alla figura 5.7, è possibile notare una significativa differenza solo nella banda 4 TM della classe “campi coltivati”, mentre per gli altri tematismi non sussistono variazioni rilevanti.

(17)

Regioni di interesse Coordinate geografiche_{WGS 84–UTM (fuso 32)} Bande_TM–5 Riflettanza Riflettanza _corretta

Campi coltivati (213 pixels)

LAT 43° 47' 39.01" LON 10° 20' 51.23" 1 2 3 4 5 7 0,119404547 0,098526115 0,075894082 0,383762504 0,200093708 0,094205434 0,048834031 0,064173741 0,060324815 0,379784457 0,200093708 0,094205434

Mare aperto (918 pixels)

LAT 43° 10' 31.33" LON 10° 10' 37.77" 1 2 3 4 5 7 0,115091056 0,05915554 0,034023668 0,018768088 0,005033454 0,003085955 0,04452054 0,024803166 0,018454401 0,014790041 0,005033454 0,003085955 Pineta (910 pixels) LAT 43° 46' 27.81" LON 10° 17' 57.51" 1 2 3 4 5 7 0,112119173 0,082708002 0,061481845 0,220524856 0,094142889 0,045357099 0,041548657 0,048355628 0,045912578 0,216546809 0,094142889 0,045357099

Suolo nudo (150 pixels)

LAT 43° 46' 42.71" LON 10° 19' 23.95" 1 2 3 4 5 7 0,173033711 0,178070226 0,205093844 0,261289813 0,349518553 0,296879403 0,102463195 0,143717852 0,189524577 0,257311766 0,349518553 0,296879403 Area urbana (726) LAT 43° 51' 12.51" LON 10° 31' 46.80" 1 2 3 4 5 7 0,137630691 0,123658139 0,144633606 0,209831921 0,264938821 0,23184275 0,067060175 0,089305765 0,129064339 0,205853874 0,264938821 0,23184275

Tabella 5.6: riflettanza calcolata mediante la procedura riportata nella figura 5.6; le regioni di

interesse sono state tracciate sul ritaglio aoi_192_30_03_09_25 fornito da I.N.G.V. (vedi paragrafo 6.3), ad eccezione della ROI mare aperto, visualizzata a colori naturali, tutte le classi sfruttano la rappresentazione RGB 7, 4, 3 (vedi capitolo4).

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Il dislivello tra le classi “campi coltivati” della figura 5.8, e “campi di grano” della figura 5.7, può essere attribuito al tipo di coltura, ma anche alla fase di sviluppo delle piante. Negli stadi giovanili, infatti, le foglie di una stessa specie sono caratterizzate da una struttura del mesofillo che provoca la riflessione di una maggiore quantità di energia, nell’infrarosso vicino, rispetto alle fasi di sviluppo più avanzate (Rahman, 2004). 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 1 2 3 4 5 7 bande TM 5 ri fl e tta n za

Area urbana Campi coltivati Mare aperto Pineta Suolo nudo

Figura 5.8: risultati del test sulla procedura usata in questa tesi per la trasformazione dei DN in

unità di riflettanza.

L’età della copertura vegetale, inoltre, può condizionare indirettamente la risposta spettrale in quanto le plantule, basse e rade, lasciano arrivare al suolo una maggiore quantità di energia che viene riflessa in modo diverso a seconda del grado di umidità del terreno stesso (vedi figura 5.2).

In conclusione il modello elaborato per la conversione dei DN in valori di riflettanza alla cima dell’atmosfera, privi di correzioni per effetto dello scattering, ha fornito risultati compatibili con quelli pubblicati da Chuvieco (1999).

Al fine di minimizzare il rumore dello scattering atmosferico sulle regioni spettrali del visibile e dell’infrarosso vicino, la tecnica del DOS è stata applicata per correggere la radianza al sensore registrata nei rispettivi canali TM ed ETM. Questa scelta trova giustificazione nel fatto che, nell’infrarosso a onda corta, il contributo energetico dovuto al fenomeno dello scattering atmosferico è molto piccolo, e non

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riduce il contrasto spettrale alla superficie nemmeno in presenza delle particelle degli aerosol dei fumi (Chuvieco, 1999).

Inoltre, poiché nel capitolo 6 di questa tesi verranno calcolati indici di vegetazione sensibili al rosso visibile e all’infrarosso vicino, lo scopo perseguito nella conversione dei DN in unità di riflettanza è stato quello di produrre dei valori che risultassero il meno possibile interessati dal disturbo atmosferico che, in tali porzioni dello spettro elettromagnetico, non è trascurabile.

A riprova dell’attendibilità dei risultati conseguiti applicando la tecnica del DOS si confrontino la figura 5.9 e la figura 5.2. Nella prima sono stati riportati i dati di riflettanza delle ROI presentate nella tabella 5.6, corretti con la tecnica del DOS applicata ai canali TM ed ETM del visibile e dell’infrarosso vicino.

Nella figura 5.2, invece, sono riportate le firme spettrali di alcune tra le più comuni tipologie di superfici.

Ipotizzando che la classe suoli nudi della figura 5.9 corrisponda alla categoria “wet soil”, dato che si tratta di terreni originati dalle alluvioni del fiume Serchio (vedi capitolo 3), è possibile concludere che non vi siano significative differenze di riflettanza tra i due grafici.

Figura 5.2: curve delle risposta spettrale dell’acqua, della vegetazione, e dei suoli secchi e umidi

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0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 1 2 3 4 5 7 bande TM 5 ri fl e tta n za

Area urbana Campi coltivati Mare aperto Pineta Suolo nudo

Figura 5.9: andamento della riflettanza corretta applicando la tecnica del DOS sulle bande del

visibile e dell’infrarosso vicino; i valori si riferiscono alle ROI presentate nella tabella 5.6.

5.3. Evoluzione temporale della firma spettrale

In questo paragrafo sarà effettuata un’analisi dell’evoluzione della risposta spettrale di due differenti tipologie di coperture boschive percorse dal fuoco: il bosco misto (lecci e sughere) tendente alla gariga, e la pineta a prevalenza di pino marittimo e pino domestico.

Lo studio si è basato sulla determinazione della firma spettrale attraverso delle immagini da satellite antecedenti e successive agli incendi “01_07” e “01_08” scelti come riferimento (vedi capitolo 4).

Le caratteristiche principali di ciascuna immagine Landsat, impiegata in questo lavoro, vengono raccolte nella tabella 5.7 dove, per ogni scena, sono riportati rispettivamente: la sigla identificativa di riferimento, la data di acquisizione e il tipo di sensore che ha registrato i dati di radianza in valori digitali.

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Identificativo Data di acquisizione Sensore

aoi_192_30_01_02_15 15 Febbraio 2001 Landsat ETM – 7 aoi_192_30_01_08_26 26 Agosto 2001 Landsat ETM – 7 aoi_192_30_01_10_13 13 Ottobre 2001 Landsat ETM – 7 aoi_192_30_02_02_02 2 Febbraio 2002 Landsat ETM – 7 aoi_192_30_02_07_12 12 Luglio 2002 Landsat ETM – 7 aoi_192_30_02_09_30 30 Settembre 2002 Landsat ETM – 7 aoi_192_30_03_09_25 25 Settembre 2003 Landsat TM – 5 aoi_192_30_04_03_03 3 Marzo 2004 Landsat TM – 5 aoi_192_30_04_09_27 27 Settembre 2004 Landsat TM – 5

Tabella 5.7: le immagini da satellite analizzate in questa tesi.

Il prefisso “aoi_192_30”, nell’identificativo, significa che le scene sono state ritagliate dall’immagine originale track 192, frame 30 generando aree di interesse (area of interest, o aoi) contenenti il territorio della Provincia di Pisa (vedi capitolo 4).

Le aree di interesse, successivamente, sono state rettificate sulla Landsat: ”aoi_192_30_01_08_26”. Questa operazione ha permesso di ridurre le differenze di posizionamento dei pixels delle aree bruciate scelte come riferimento, entro il limite di 60 metri (vedi capitolo 2).

L’immagine “aoi_192_30_01_08_26”, elencata nella tabella 5.7, è stata evidenziata in rosso perché è quella da cui sono state estrapolate le regioni di interesse relative agli incendi avvenuti nell’estate del 2001 nei Comuni di San Giuliano Terme, e di Santa Maria a Monte – Castelfranco di Sotto (vedi capitolo 4). Tali ROI, indicate nel testo come “ROI 01_07” e “ROI 01_08” rispettivamente, sono state riportate su tutte le immagini facendo attenzione che l’area delimitata dal poligono rosso comprendesse il più precisamente possibile la vegetazione incendiata.

L’operazione di trasposizione delle ROI, nelle immagini acquisite in date differenti, si basa sulle coordinate dei pixels interessati, quindi, più le scene risultano sovrapponibili, tanto più precisa è la localizzazione delle ROI in ognuna di esse.

Nel caso specifico dell’incendio “01_07”, poiché il fuoco si è sviluppato sul fianco di una collina, è stata posta particolare attenzione nella sagomatura della relativa ROI. Gli accorgimenti adottati sono stati volti ad evitare che a seguito della

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trasposizione automatica del poligono della ROI, questo potesse interessare aree non raggiunte dalle fiamme.

Le “ROI 01_07” e la “ROI 01_08” sono state create e successivamente trasposte su tutte le immagini satellitari a disposizione mediante Envi Immagine 3.6.

Una tra le funzioni più interessanti di suddetto programma è quella che permette di calcolare la distribuzione di frequenza dei valori digitali dei pixels. Tali diagrammi mostrano la frequenza con cui ricorre un determinato DN (compreso tra 0 e 255) nell’immagine esaminata o all’interno di specifiche regioni di interesse.

Al fine di rendere più agevole la lettura, l’analisi dell’evoluzione delle firme spettrali della “ROI 01_07” e della “ROI 01_08” sarà articolata presentando in ordine temporale tutte le scene elencate nella tabella 5.7 e per ciascuna di esse:

1. la distribuzione in frequenza dei DN all’interno della scena;

2. le rispettive regioni di interesse (“ROI 01_07” e “ROI 01_08”), e per entrambe le relative distribuzioni di frequenza dei DN;

3. una tabella contenente i dati di riflettanza corretta con la tecnica del DOS discussa del paragrafo 5.2, la deviazione standard, e infine la variazione percentuale di riflettanza riscontrata basandosi sullo status spettrale della scena precedente;

4. un grafico che mostra l’andamento della riflettanza nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08” ponendolo a confronto con i dati della scena antecedente;

5. una descrizione delle principali caratteristiche spettrali riscontrate nell’analisi.

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I valori medi dei DN e della riflettanza corretta per tener conto del rumore dello scattering atmosferico, nel vis. e nel NIR, sono presentati nella seguente tabella:

Bande Riflettanza Deviazione standard

1 0,036383 0,004045 2 0,045505 0,005590 3 0,040745 0,007364 4 0,281928 0,020009 5 0,125860 0,024377 7 0,047850 0,016442

1 0,034253 0,004823 2 0,041654 0,006182 3 0,043182 0,008946 4 0,180427 0,019814 5 0,128224 0,022072 7 0,071536 0,020420 Febbraio 2001 "ROI 01_07" Febbraio 2001 "ROI 01_08"

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 15 Febbraio 2001, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Febbraio 2001 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R if let ta n za

(27)

Il ritaglio “aoi_192_30_01_02_15” è, tra le immagini satellitari a disposizione, quello che contiene lo status spettrale iniziale della vegetazione all’interno delle regioni di interesse considerate.

L’analisi delle firme spettrali mostra che la porzione di bosco misto tendente alla gariga, compresa nella “ROI 01_07”, è caratterizzata da un valore di riflettanza nella banda 4 più elevato rispetto a quello della “ROI 01_08”. Una delle possibili ragioni di tale differenza risiede nella diversa struttura fisionomica delle coperture vegetali presenti nelle aree suddette.

La vegetazione della “ROI 01_07”, infatti, è costituita per buona parte dagli arbusti tipici della gariga: il cisto, l’erica, l’euforbia, il lentisco, la fillirea e il ginestrone. Scendendo alle quote più basse del fianco sud – est del Monte Castellare, suddetta copertura lascia gradualmente il posto a formazioni autoctone composte dal leccio (Quercus ilex) misto alla sughera (Quercus suber).

La “ROI 01_08”, invece, è formata essenzialmente da una pineta di pino marittimo e domestico, in cui sono presenti anche specie del genere Quercus come il cerro (Quercus cerris) e la roverella (Quercus pubescens).

Nel NIR il fenomeno della riflessione dell’energia incidente è condizionato dalla struttura del mesofillo fogliare: un tessuto parenchimale clorofilliano contenente spazi intercellulari che facilitano gli scambi gassosi.

Le foglie delle sclerofille sempreverdi sono caratterizzate da cuticole spesse ed un mesofillo molto denso, formato da più strati di tessuto a palizzata. Ciò protegge la foglia da un’eccessiva traspirazione ma, allo stesso tempo, ne riduce l’efficienza fotosintetica (ANPA, 2001).

Le diverse caratteristiche strutturali a livello dei tessuti fogliari, possono essere una delle concause che determinano lo scarto di quasi 10 punti percentuali tra i valori di riflettanza nella banda 4 delle due ROI.

A titolo esemplificativo, la figura 5.10 mostra le firme spettrali ricavate da due librerie USGS (ENVI Immagine 3.6):

a) Leather Oak (Quercus durata) a confronto con una generica copertura costituita da vegetazione arbustiva di tipo sclerofillico;

(28)

Si osservi che, pur trattandosi di tre esempi di coperture vegetali a carattere sclerofillico, la riflettanza della quercia e degli arbusti, nelle bande 4 e 5, è più alta rispetto a quella del pino, in particolare:

• tra 0,76 e 0,90 µm (banda 4) gli arbusti e la quercia raggiungono 0,82 e 0,67 rispettivamente, contro 0,55 del pino

• tra 1,55 e 1,75 µm (banda 5) gli arbusti e la quercia riflettono il 31% e il 40% dell’energia incidente, mentre il pino il 19%.

Figura 5.10: librerie USGS (Envi Imagine 3.6), due esempi di firme spettrali della vegetazione

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1 0,054792 0,002782 0,036383 1,840988 2 0,056482 0,002713 0,045505 1,097731 3 0,066160 0,005386 0,040745 2,541481 4 0,052541 0,006388 0,281928 -22,938699 5 0,147641 0,015160 0,125860 2,178082 7 0,148223 0,012969 0,047850 10,037382

1 0,040695 0,004466 0,034253 0,644220 2 0,042634 0,005581 0,041654 0,098019 3 0,057071 0,007564 0,043182 1,388859 4 0,058343 0,011533 0,180427 -12,208407 5 0,116168 0,023739 0,128224 -1,205614 7 0,088566 0,026985 0,071536 1,702952 Agosto 2001 "ROI 01_07" Agosto 2001 "ROI 01_08" Variazione % Variazione % Status Febbraio 2001 Status Febbraio 2001

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 26 Agosto 2001, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Agosto 2001 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R if le tta n za

Riflettanza ROI 01_07 Riflettanza ROI 01_08

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Il ritaglio “aoi_192_30_01_08_26” è, tra le immagini satellitari a disposizione, quello che contiene i due incendi “01_07” e “01_08” scelti come riferimento in questo studio.

Le firme spettrali ricavate per la “ROI 01_07” e la “ROI 01_08” sono caratterizzate da andamenti analoghi con differenze che risultano trascurabili nell’infrarosso vicino (banda 4), e più accentuate nello SWIR (bande 5 e 7) dove la riflettanza è condizionata dal contenuto di acqua nei tessuti fogliari. A tal proposito si osservi che nel tracciare la “ROI 01_08” sono state incluse due porzioni di bosco, situate a Nord – Est, non del tutto bruciate poiché colpite, probabilmente, da un fuoco basso che non ha interessato le chiome degli alberi ivi presenti (vedi capitolo 7). Lo SWIR, infatti, secondo Justice et al. (1993), può essere usato per caratterizzare le aree bruciate al loro interno, in modo da poter valutare gli effetti delle fiamme sulla vegetazione e la distribuzione spaziale dell’intensità del fuoco (Chuvieco, 1999).

Nella regione del visibile, rispetto ai risultati conseguiti per il ritaglio precedente (“aoi_192_30_01_02_15”), la riflettanza è aumentata a causa della distruzione dei pigmenti fotosintetici, in particolare della clorofilla (Chuvieco, 1999) che ha due picchi di assorbimento proprio nel blu (clorofilla a), e nel rosso (clorofilla b).

La figura 5.11 pone a confronto l’andamento della riflettanza misurata al suolo per le foglie di pino marittimo bruciate, e per quelle sane della medesima specie. Nello stesso grafico sono stati riportati anche i valori della cenere e dei residui carboniosi prodotti dal fuoco.

Le scorie carboniose assorbono fortemente la radiazione incidente, pertanto si mantengono molto scure attraverso tutto il campo ottico dello spettro, mentre la cenere ha un andamento monotono crescente funzione della lunghezza d’onda (Chuvieco, 1999).

Un incendio di moderata intensità, in cui il fuoco ha interessato prevalentemente le chiome di una pineta di pino marittimo, può provocare una consistente alterazione dei valori di riflettanza nel visibile e nel NIR, rispetto a quelli che contraddistinguono lo stesso tipo di vegetazione in condizioni normali. In particolare, gli aghi bruciati risultano più luminosi di quelli sani nella regione del visibile blu e rosso, ma nel verde e nel NIR riflettono una minore quantità di energia (Chuvieco, 1999).

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Figura 5.11: firme spettrali dei principali prodotti di combustione di una pineta di pino marittimo, i

dati sono stati raccolti mediante uno spettrometro portatile direttamente sul campo, e tramite analisi di laboratorio (Chuvieco, 1999).

Il confronto con i dati relativi allo status spettrale della vegetazione nel Febbraio 2001, mostra che le variazioni più importanti si sono verificate nell’infrarosso vicino, dove il rapporto tra energia riflessa su quella incidente è diminuito di circa 23 e 12 punti percentuali rispettivamente per le “ROI 01_07” e “ROI 01_08”.

La forte diminuzione della riflettanza nel NIR, a seguito dello sviluppo delle fiamme, può essere imputata al danneggiamento delle pareti cellulari delle foglie, che ha portato alla necrosi dei tessuti responsabili della riflessione dell’energia incidente in tali lunghezze d’onda.

L’altra regione dello spettro dove si sono riscontrati notevoli cambiamenti, rispetto alla situazione antecedente gli incendi, è quella dell’infrarosso a onda corta. La riflettanza, infatti, è aumentata nella banda 5 e in particolare nella banda 7 dove, per la “ROI 01_07”, la variazione ha raggiunto quasi 11 punti percentuali. Tale incremento è provocato dalla disidratazione delle foglie bruciate, infatti lo SWIR è sensibile al contenuto d’acqua all’interno delle cellule fogliari (vedi figura 5.3).

La figura 5.12 mostra la riflettanza alla cima dell’atmosfera (Top Of Atmosphere o TOA) di differenti coperture superficiali. I dati, acquisiti dal sensore Landsat TM – 5, non sono stati corretti per ridurre l’effetto disturbante dello scattering

(35)

atmosferico. Le firme spettrali rappresentano i valori medi di alcune regioni di interesse estratte da più di 20 immagini Landsat TM del Portogallo (Chuvieco, 1999).

Le formazioni boschive coinvolte negli incendi appartengono alle seguenti tipologie di coperture:

1. arbusti;

2. foresta di conifere.

Nell’infrarosso a onda corta le superfici non vegetate, quali: suolo nudo, rocce scoperte e aree urbane (vedi figura 5.8), sono contraddistinte da una riflettanza più alta di quella relativa alla vegetazione.

Gli incendi recenti mostrano un aumento della riflettanza dal NIR al MIR chiamato “Limite NIR”. Tale caratteristica è presente anche nella firma spettrale di altre superfici non vegetate, tuttavia, rispetto a queste, gli incendi tendono ad avere una riflettanza più bassa non solo in corrispondenza del “limite NIR”, bensì su tutto lo spettro TM.

La figura 5.12, inoltre, mostra che gli incendi di arbusti e di boschi di conifere hanno una riflettanza leggermente più alta nel rosso se paragonati alla vegetazione sana, mentre nel verde questo scarto tende a diminuire. Nel blu le piantagioni di pioppo e le coltivazioni di grano risultano più scure se paragonate a entrambe le categorie di incendi di cui sopra (Chuvieco, 1999).

Figura 5.12: andamento della riflettanza relativa a incendi di arbusti e foreste di conifere: i dati,

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1 0,084055 0,005040 0,054792 2,926208 2 0,093559 0,005397 0,056482 3,707660 3 0,111696 0,008912 0,066160 4,553600 4 0,174111 0,017645 0,052541 12,156956 5 0,201989 0,018972 0,147641 5,434771 7 0,167086 0,014977 0,148223 1,886220

1 0,031146 0,004498 0,040695 -0,954835 2 0,035297 0,005580 0,042634 -0,733658 3 0,046462 0,006760 0,057071 -1,060949 4 0,084581 0,021383 0,058343 2,623842 5 0,108870 0,025762 0,116168 -0,729840 7 0,080124 0,028571 0,088566 -0,844144 Ottobre 2001 "ROI 01_07" Ottobre 2001 "ROI 01_08" Variazione % Variazione % Status Agosto 2001 Status Agosto 2001

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 13 Ottobre 2001, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Ottobre 2001 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R ifl e tta n za

Riflettanza ROI 01_07 Riflettanza ROI 01_08 Status Agosto 2001, ROI 01_07 Status Agosto 2001, ROI 01_08

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Il ritaglio “aoi_192_30_01_10_13” è stato ricavato da un’immagine satellitare Landsat ETM – 7 acquisita a poco più di due mesi dagli incendi campionati, pertanto i dati ricavati dall’analisi spettrale di questa scena rappresentano i primi segnali di recupero della vegetazione bruciata.

Le regioni di interesse campionate mostrano un andamento della riflettanza analogo, tuttavia i valori relativi alla “ROI 01_07”, se confrontati con quelli della “ROI 01_08”, risultano traslati in media del 7% nel visibile, e di circa 10 punti percentuali nell’infrarosso vicino e a onda corta. Tali scostamenti possono essere dovuti alla graduale rimozione dei residui carboniosi prodotti dalla combustione della biomassa vegetale (Chuvieco, 1999). In questo modo, probabilmente, il suolo sottostante di origine calcarea (vedi capitolo 3) è rimasto per lo più scoperto contribuendo alla riflessione dell’energia incidente su tutto lo spettro ETM.

La risposta spettrale della “ROI 01_08” è caratterizzata da un aumento della riflettanza del 2,6% nella banda 4. Questo suggerisce che parte della vegetazione presente nella pineta (probabilmente il sottobosco), a circa due mesi dall’incendio, abbia iniziato a riprendere l’attività vegetativa. Tale assunzione è confortata anche dalla diminuzione della riflettanza nelle bande del visibile e dell’infrarosso a onda corta in cui prevalgono l’assorbimento della clorofilla e dell’acqua rispettivamente.

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1 0,060811 0,008237 0,084055 -2,324314 2 0,076503 0,013018 0,093559 -1,705554 3 0,097331 0,017091 0,111696 -1,436553 4 0,191141 0,040168 0,174111 1,703061 5 0,236445 0,044524 0,201989 3,445665 7 0,182952 0,035626 0,167086 1,586619

1 0,042716 0,005371 0,031146 1,156946 2 0,044596 0,007164 0,035297 0,929891 3 0,055561 0,011346 0,046462 0,909918 4 0,090321 0,024472 0,084581 0,574006 5 0,116360 0,034835 0,108870 0,749006 7 0,077996 0,025866 0,080124 -0,212789 Febbraio 2002 "ROI 01_07" Febbraio 2002 "ROI 01_08" Variazione % Variazione % Status Ottobre 2001 Status Ottobre 2001

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 2 Febbraio 2002, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Febbraio 2002 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R ifl e tta n za

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Il ritaglio aoi_192_30_02_02_02 è ricavato da un’immagine satellitare Landsat ETM – 7 acquisita a distanza di circa sei mesi dagli incendi campionati.

L’analisi spettrale mostra che è possibile effettuare una netta distinzione tra i tempi di recupero della vegetazione dell’ANPIL Monte Castellare e di quella delle Cerbaie.

Nel primo caso, rispetto allo status di Ottobre 2001, la riflettanza nelle bande del visibile è diminuita mediamente di circa due punti percentuali, mentre nell’infrarosso vicino è aumentata di 1,7%.

Le variazioni suddette sono indicative dell’inizio del recupero della vegetazione, infatti, dopo sei mesi dall’incendio è plausibile che le specie pioniere come il corbezzolo, l’erica e il lentisco, abbiano ricacciato dai polloni. Le querce da sughero, inoltre, protette dalla corteccia suberizzata, sono piante molto resistenti al fuoco e possono recuperare nell’arco di pochi mesi se non danneggiate seriamente dalle fiamme (ANPA, 2001).

Nella “ROI 01_08” la risposta spettrale nel visibile e nell’infrarosso vicino ha raggiunto valori di riflettanza leggermente più elevati (meno di un punto percentuale) rispetto alla situazione rilevata nel ritaglio “aoi_192_30_01_10_13”.

Il quadro dei risultati suggerisce, pertanto, che il bosco a prevalenza di pini marittimi e domestici non abbia ancora ripreso appieno l’attività vegetativa alla data del 2 Febbraio 2002, dopo il primo debole segnale di recupero registrato alla data del 13 Ottobre 2001.

La figura 5.13 mostra i risultati della simulazione dei valori di riflettanza di un incendio di pineta che lascia intatta la copertura vegetale, producendo uno strato di carbone puro sul suolo sottostante (Chuvieco, 1999).

I dati sono stati calcolati mediante il modello GORT (geometrical – optical / radiative transfer; Ni et.al. 1998) assumendo che ciascun albero, appartenente alla specie Pinus Pinaster, avesse un LAI pari a 3 (vedi capitolo 6).

Le firme spettrali variano in funzione della densità delle piante, da un minimo di 500 alberi per ettaro a un massimo di 2000 alberi per ettaro. A densità maggiori corrisponde un significativo aumento della riflettanza nell’infrarosso vicino, mentre il visibile risulta perlopiù indipendente dal numero di piante per ettaro, infatti solo nel verde sono stati stimati valori relativamente più alti (Chuvieco, 1999).

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Gli interessanti risultati ottenuti attraverso il modello GORT, potrebbero essere impiegati per stimare la densità della copertura della pineta delle Cerbaie coinvolta nell’incendio del 4 Agosto 2001.

Nel visibile i valori ottenuti dall’analisi spettrale della “ROI 01_08” risultano più alti di circa 3 punti percentuali, in media, rispetto a quelli simulati col modello GORT.

Nell’ipotesi che suddetto scarto interessi anche la regione dell’infrarosso vicino, si potrebbe concludere che la densità della pineta di cui sopra dovrebbe aggirarsi intorno a 500 – 1000 piante per ettaro.

Figura 5.13: firme spettrali stimate col modello GORT (geometrical – optical / radiative transfer;

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1 0,043005 0,007561 0,060811 -1,780611 2 0,059764 0,009619 0,076503 -1,673895 3 0,074471 0,013569 0,097331 -2,285930 4 0,200993 0,011074 0,191141 0,985140 5 0,166821 0,022808 0,236445 -6,962457 7 0,110566 0,019951 0,182952 -7,238552

1 0,039025 0,007427 0,042716 -0,369062 2 0,056681 0,009772 0,044596 1,208492 3 0,064860 0,017625 0,055561 0,929920 4 0,237383 0,059809 0,090321 14,706178 5 0,190750 0,034187 0,116360 7,439020 7 0,110857 0,035873 0,077996 3,286069 Luglio 2002 "ROI 01_07" Luglio 2002 "ROI 01_08" Variazione % Variazione % Status Febbraio 2002 Status Febbraio 2002

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 12 Luglio 2002, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Luglio 2002 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R ifl e tta n za

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Il ritaglio “aoi_192_30_02_07_12” è ricavato da un’immagine satellitare Landsat ETM – 7 acquisita a poco meno di un anno dai due incendi di riferimento avvenuti il 26 Luglio 2001 e il 4 Agosto 2001.

I dati spettrali indicano che il bosco misto tendente alla gariga e la pineta, in particolar modo, sono in pieno recupero dal punto di vista della biomassa fogliare prodotta. Questa conclusione è giustificata dall’aumento della riflettanza, nella banda 4, rilevato in entrambe le regioni di interesse scelte come riferimento.

In particolare, per la “ROI 01_08”, l’incremento di cui sopra ammonta a circa 15 punti percentuali. Il valore nella banda 4 registrato in data 12 Luglio 2002, è il più alto che sia stato rilevato in tale regione di interesse nelle immagini satellitari a disposizione (vedi figura 5.15).

I risultati suddetti non solo avvalorano l’ipotesi del recupero della vegetazione, ma confermano anche che le foglie prodotte nei primi stadi di sviluppo risultano più riflettenti nel NIR, rispetto a quelle prodotte da piante della stessa specie appartenenti a generazioni più mature.

Un altro chiaro segnale di recupero è osservabile nella regione del visibile dove, nel caso della “ROI 01_07”, si ha un abbassamento della riflettanza in tutte le tre bande del blu, verde e rosso, che ammonta a circa 2 punti percentuali in media.

Nella pineta, rispetto allo status del Febbraio 2002, è stata rilevata una diminuzione dell’energia riflessa sia nella banda 1 che nella 3. Questa tendenza, congiuntamente all’aumento di circa 1% nel verde, è un segnale di ripresa dell’attività fotosintetica da parte della vegetazione colpita dall’incendio “01_08”, poiché il rosso e il blu corrispondono alle lunghezze d’onda assorbite dalla clorofilla.

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1 0,043335 0,006673 0,043005 0,032957 2 0,054656 0,008829 0,059764 -0,510801 3 0,063899 0,012942 0,074471 -1,057215 4 0,237930 0,019650 0,200993 3,693697 5 0,152408 0,026592 0,166821 -1,441235 7 0,091807 0,021985 0,110566 -1,875933

1 0,039316 0,005498 0,039025 0,029075 2 0,049214 0,007478 0,056681 -0,746736 3 0,056310 0,011342 0,064860 -0,854974 4 0,229710 0,029623 0,237383 -0,767266 5 0,167035 0,026611 0,190750 -2,371522 7 0,087311 0,022193 0,110857 -2,354628 Settembre 2002 "ROI 01_08" Settembre 2002 "ROI 01_07"

Status Luglio 2002 Variazione %

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 30 Settembre 2002, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Settembre 2002 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1 2 3 4 5 7 Bande ETM Ri fl e tt a n za

Riflettanza ROI 01_07 Riflettanza ROI 01_08 Status Luglio 2002, ROI 01_07 Status Luglio 2002, ROI 01_08

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Il ritaglio “aoi_192_30_02_09_30” è ricavato da un’immagine satellitare Landsat ETM – 7 acquisita a distanza di circa un anno e due mesi dagli incendi “01_07” e “01_08”.

Le risposte spettrali delle due aree scelte come riferimento sono molto simili in tutte le bande ETM e, rispetto allo status rilevato a Luglio 2002, è stato registrato un aumento della riflettanza, pari a 3,7 punti percentuali, solo nella banda 4 relativa alla “ROI 01_07”. Negli altri canali, infatti, la tendenza ha un andamento al ribasso in entrambe le aree campionate.

I profili spettrali ricavati dall’analisi di suddetto ritaglio, suggeriscono che, pur trattandosi di due coperture vegetali costituite da specie sclerofille diverse, negli stadi iniziali di recupero da fattori di stress aspecifici, come appunto l’incendio, sia possibile una fase dello sviluppo fogliare in cui non esistono sostanziali differenze nelle modalità di riflessione della radiazione incidente.

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1 0,052177 0,008184 0,043335 0,884222 2 0,069625 0,012740 0,054656 1,496861 3 0,076804 0,017670 0,063899 1,290464 4 0,262633 0,021801 0,237930 2,470269 5 0,201598 0,041508 0,152408 4,918969 7 0,114985 0,025390 0,091807 2,317841

1 0,044647 0,006835 0,039316 0,533102 2 0,055724 0,009262 0,049214 0,651060 3 0,064947 0,014423 0,056310 0,863687 4 0,199840 0,024773 0,229710 -2,987017 5 0,205843 0,028253 0,167035 3,880873 7 0,122320 0,026603 0,087311 3,500981 Settembre 2003 "ROI 01_07" Settembre 2003 "ROI 01_08"

Status Settembre 2002 Variazione %

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 25 Settembre 2003, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Settembre 2003 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R if let ta n za

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Il ritaglio aoi_192_30_03_09_25 è stato estrapolato da un’immagine satellitare Landsat TM – 5.

A distanza di quasi un anno dallo status spettrale ricavato dall’analisi del precedente ritaglio (“aoi_192_30_02_09_30”) le differenze più significative sono state rilevate, in entrambe le regioni considerate, nell’infrarosso vicino e a onda corta.

Nell’infrarosso vicino il segnale della pineta è diminuito del 3%, mentre, in controtendenza, quello del bosco misto è aumentato del 2,5%. I valori assoluti di riflettanza nelle due formazioni analizzate sono, tuttavia, confrontabili a quelli rilevati in data 15 Febbraio 2001 (status iniziale). Questi cambiamenti possono essere giustificati assumendo che la vegetazione, ormai in pieno sviluppo, abbia ritrovato un equilibrio, nella composizione floristica, simile a quello precedente gli incendi “01_07” e “01_08”.

Nelle bande 5 e 7 la tendenza è stata all’aumento sia nella “ROI 01_08” dove la riflettanza è cresciuta di poco più di 3,5 punti percentuali, che per la “ROI 01_07” in cui si sono verificate variazioni del 4,8% e 2,3% rispettivamente.

In una regione dello spettro elettromagnetico particolarmente sensibile al contenuto idrico della vegetazione e del terreno, come lo SWIR, suddetti cambiamenti possono essere imputati alla carenza di acqua nei tessuti fogliari, e nel suolo stesso, dovuta a un prolungato periodo di siccità.

Nell’anno 2003, infatti, si sono verificate, su tutto il territorio toscano, delle anomalie climatiche (vedi capitolo 1) tra cui il prolungato deficit di precipitazione manifestatasi già dal mese di Febbraio e al culmine tra Luglio e Agosto, accompagnato da una lunghissima ondata di calore che, iniziata nel mese di Maggio, si è conclusa ad Agosto (Meneguzzo, 2003).

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1 0,040261 0,005632 0,052177 -1,191614 2 0,043855 0,008185 0,069625 -2,576995 3 0,047071 0,010978 0,076804 -2,973284 4 0,214316 0,020476 0,262633 -4,831602 5 0,132855 0,030087 0,201598 -6,874252 7 0,078236 0,022567 0,114985 -3,674926

1 0,039051 0,004469 0,044647 -0,559588 2 0,039370 0,005441 0,055724 -1,635415 3 0,047157 0,007587 0,064947 -1,779051 4 0,125228 0,017968 0,199840 -7,461186 5 0,135385 0,022799 0,205843 -7,045871 7 0,089611 0,017909 0,122320 -3,270943 Marzo 2004 "ROI 01_07" Marzo 2004 "ROI 01_08"

Status Settembre 2003 Variazione %

I risultati elencati nella precedente tabella sono stati impiegati per ricavare le firme spettrali della vegetazione presente alla data 4 Marzo 2004, nelle “ROI 01_07” e “ROI 01_08”: Marzo 2004 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 1 2 3 4 5 7 Bande ETM R if let ta n za