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Integrazione di dati satellitari nello studio topoclimatico della Sicilia, in collaborazione con Telespazio s.p.a.

L’obiettivo principale del progetto di collaborazione con Telespazio è uno studio applicativo finalizzato allo sviluppo di una metodologia per la mappatura della temperatura del suolo (e dell’aria) a scala regionale, utilizzando serie temporali di dati satellitari integrate, attraverso un processo di data fusion, con i rilevamenti a terra della rete agro-meteorologica regionale.
Il sensore principalmente utilizzato per lo studio è il MODIS, disponibile a bordo delle missioni Terra e Aqua della NASA, che con le sue 36 bande spettrali e 4 passaggi al giorno (di cui 2 notturni) consentirà:
· Una misura ottimale della temperatura del suolo (LST – Land Surface Temperature) attraverso la misura della radianza al sensore nei canali spettrali dell’infrarosso termico ad 11000 e a 12000 nm. 
· Una mappatura a larga scala della distribuzione della vegetazione e del suo stato fenologico, attraverso il calcolo, sulla base dei canali nel visibile e nel vicino infrarosso, dell’indice NDVI (Normalized Differential Vegetation Index).
A livello sperimentale, si effettuerà inoltre per un periodo limitato di tempo, l’analisi di indici di vegetazione alternativi, come l’EVI (Enhanced Vegetation Index) ed una attività mirata a derivare un indice correlato al contenuto idrico dei suoli attraverso l’analisi multitemporale tra passaggi ravvicinati dei satelliti attualmente in orbita Terra ed Aqua, che sono in grado di acquisire dati sulla stessa area ad una distanza di circa due ore, sia di giorno che di notte. E’ previsto anche l’utilizzo di dati NOAA-AVHRR (per sperimentare il vantaggio di una copertura temporale maggiore) e di dati termici ad alta risoluzione spaziale (circa 100 m) dai sensori ASTER e Landsat-TM. Tali dati verranno acquisiti su aree test e ed integrati con i dati MODIS a più bassa risoluzione spaziale attraverso procedure di upscaling. 

Dati satellitari

Il principale dato utilizzato sarà quello del sensore MODIS, disponibile sui satelliti Terra ed Aqua della NASA.
Oltre ai dati MODIS, che forniranno prodotti con cadenza regolare, verranno acquisiti dati termici ad alta risoluzione spaziale su alcune aree test opportunamente selezionate, per analizzare in via sperimentale l’integrazione di dati a multi-risoluzione. I sensori utilizzati saranno il Landsat-TM ed in particolare il sensore ASTER a bordo dello stesso satellite del MODIS. Quest’ultimo sensore è da preferirsi al Landsat per questa applicazione per tre motivi:
· Miglior risoluzione spaziale dei canali termici (90 m).
· Contemporaneità delle acquisizioni con quelle MODIS (il sensore ASTER è a bordo del satellite Terra).
· Disponibilità di 5 bande spettrali nell’infrarosso termico; disponibilità di numerosi canali nel medio e vicino IR per la caratterizzazione della vegetazione e dei suoli.

In via opzionale potrà essere prevista l’acquisizione su aree test di dati ad altissima risoluzione spaziale (Spot, Quick Bird) che però potranno essere utilizzati solo per la caratterizzazione della vegetazione, in quanto privi di bande spettrali nell’IR termico.

PRODOTTI DERIVATI DAI DATI SATELLITARI
I dati MODIS vengono acquisiti quotidianamente presso la stazione Telespazio di Matera. In caso di mancate acquisizioni per conflitti tra passaggi di satellite o malfunzionamenti, è possibile scaricare i dati grezzi dall’archivio della NASA. In entrambi i casi, a partire dal dato grezzo vengono effettuati i seguenti passi di processamento:

· Proiezione in un sistema di coordinate geografico
· Mosaicatura di passaggi diversi (se necessario) e “ritaglio” dell’area di interesse.
· Calibrazione radiometrica dei dati
· Mascheratura delle aree nuvolose
· Estrazione dei parametri fisici di interesse:
· Generazione di prodotti finali GIS-ready.


I prodotti acquisiti ed elaborati giornalmente saranno i seguenti:

- NDVI (Normalized Differential Vegetation Index), che si ricava dal rapporto tra le bande sul vicino infrarosso e sul rosso:
NDVI = (RNIR – RRED) / (RNIR + RRED) 
Questo indice verrà prodotto con risoluzione spaziale di 250 m. L’NDVI è legato all’attività fotosintetica della biomassa vegetazionale: tanto più il valore si avvicina ad 1 tanto più alta è l’attività fotosintetica. L’indice verrà prodotto su tutta la Regione Sicilia (a meno di copertura nuvolosa) con cadenza giornaliera. 

- Temperatura Superficiale su terra (LST – Land Surface Temperature), con risoluzione spaziale di 1 km, che si ricava come combinazione lineare delle temperature di brillanza nei canali a 11000 e 12000 nm:
LST = A + B*T11 + C*T12
La mappa verrà prodotta su tutto il territorio della Sicilia (a meno di presenza di copertura nuvolosa) con cadenza bigiornaliera (un dato notturno ed un dato diurno).

ATTIVITÀ SPERIMENTALE

Come già detto in precedenza verranno inoltre elaborati, in via sperimentale e per periodi di tempo limitati, i seguenti altri prodotti:

- EVI (Enhanced Vegetation Index) Un indice relativo alla vegetazione più elaborato dell’NDVI che sfrutta nel modo ottimale la gamma delle bande spettrali del MODIS per correggere l’effetto indesiderato dell’atmosfera e dell’”effetto di sfondo” del suolo. La figura seguente riporta le equazioni utilizzate per il calcolo degli indici e lo schema logico di derivazione dell’EVI.
- Prodotti derivati dall’analisi multitemporale di dati acquisiti consecutivamente (distanza circa 2-3 ore) o di dati alternati notte-giorno (con l’obiettivo di caratterizzare il contenuto idrico del suolo attraverso la misura della capacità termica). A titolo sperimentale verrà effettuata, in un periodo limitato di tempo (circa 15 gg), una integrazione tra le mappe di temperatura superficiale su terra ricavate ad ore diverse, utilizzando i 4 passaggi MODIS, due notturni e due diurni, ed eventualmente i passaggi AVHRR se disponibili, al fine di avere informazioni sul contenuto idrico della vegetazione, calcolato a partire dalla capacità termica determinata dalle mappe di temperatura multi-temporali. Tali mappe saranno confrontate e validate con i dati in situ della rete agrometeorologica operant attualmente in Sicilia.
- Analisi combinata delle temperature acquisite da dati MODIS con satelliti a più alta risoluzione spaziale. E’ previsto l’utilizzo di dati termici ad alta risoluzione spaziale (circa 100 m.) dai sensori ASTER e Landsat-TM, ed inoltre l’utilizzo di dati NOAA-AVHRR per sperimentare il vantaggio di una copertura temporale maggiore. Tali dati verranno acquisiti su aree e periodi di test e ed integrati con i dati MODIS a più bassa risoluzione spaziale attraverso procedure di upscaling.
- Analisi di “data-fusion” tra i parametri ricavati da satellite (temperatura superficiale, NDVI, EVI) con i dati raccolti a terra dalla rete agrometeorologica presente in sicilia, allo scopo di avere informazioni più precise sia dal punto di vista della ripetizione temporale sia dal punto di vista della precisione del parametro stesso. Sarà infatti sperimentata la possibilità di usilizzare il satellite come “interpolatore fisico” dei dati delle centraline (o viceversa) sia spazialmente che temporalmente. Inoltre saranno studiate le relazioni intercorrenti tra alcuni parametri misurati da satellite ed alcuni parametri misurati a terra, come ad esempio la temperatura superficiale e la temperatura dell’aria al suolo.