Impiego degli Indici di Vegetazione da immagini satellitari per descrivere sinteticamente le caratteristiche vegetazionali del territorio piacentino.

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1 Amministrazione Provinciale di Piacenza Area Programmazione territoriale Infrastrutture - Ambiente Ufficio di Staff Supporto alla Pianificazione e alla Progettazione Via Garibaldi, PIACENZA Impiego degli Indici di Vegetazione da immagini satellitari per descrivere sinteticamente le caratteristiche vegetazionali del territorio piacentino. Paolo Lega, Amministrazione Provinciale Stefano Oliveri, CNR-IRRS Milano Rapporto interno n. 109 Settembre 2000 Premessa. Ogni oggetto della superficie terrestre, in virtù delle sue caratteristiche fisico-chimiche, presenta un comportamento particolare nella propria capacità di riflettere la radiazione solare che si traduce in una sua diversa rappresentazione nelle diverse bande dello spettro visibile ed infrarosso da parte degli strumenti di ripresa dei satelliti ottici. La vegetazione appare molto scura (scarsa riflettività, alto assorbimento) nello spettro visibile ( µm) a causa dell elevato assorbimento della luce da parte dei pigmenti fogliari (clorofilla, protoclorofilla, xantofilla, ecc.); si verifica invece un sensibile incremento di riflettività attorno a 0.55 µm (il verde), a causa del minore assorbimento della clorofilla in questa banda. Nello spettro tra 0.7 e 1.3 µm (infrarosso vicino) la vegetazione invece appare molto chiara (alta riflettività, debole assorbimento), in virtù delle sue caratteristiche chimiche. Da 1.3 a circa 2.5 µm (infrarosso medio) la vegetazione appare relativamente scura, a causa dell assorbimento della radiazione da parte dell acqua presente nelle foglie e dei suoi diversi materiali costitutivi (cellulosa, lignina, ecc.). Una opportuna combinazione delle immagini riprese in queste diverse bande consente pertanto di evidenziare, anche sotto il profilo quantitativo, la presenza di vegetazione o di biomassa sul territorio. Per visualizzare come più chiara la vegetazione rispetto agli altri componenti della superficie occorre dunque utilizzare l infrarosso vicino (banda 4 del Thematic Mapper del Landsat 5 o 7, TM4), mentre per eliminare o ridurre gli effetti dell albedo, delle ombre e dell interferenza atmosferica è opportuno usare un rapporto tra bande, usualmente il rapporto tra l infrarosso vicino (TM4) e il rosso (TM3) in cui la vegetazione appare più scura, ma altri rapporti vengono altresì impiegati. Queste elaborazioni di bande, che vengono fatte rientrare negli Indici di Vegetazione, vengono infine rappresentate spesso in colore con una tavolozza in cui al massimo valore dell indice (massima vegetazione e biomassa) viene associato il rosso e al minimo il blu, transitando attraverso il giallo e il verde: questa consuetudine di rappresentare in rosso la vegetazione deriva tra l altro dalla tradizione della aerofotografia all infrarosso, in cui appunto la vegetazione risulta evidenziata in toni brillanti di rosso; il colore rosso della vegetazione viene inoltre preferito per 1

2 rendere evidente ed istintiva al lettore la presenza del falso colore, ma altre e diverse tavolozze vengono usate per favorire un impatto visivo più naturale. Un Indice di Vegetazione è dunque un numero generato da una particolare combinazione algebrica di bande, che presenta una relazione diretta con l ammontare della vegetazione presente in un dato pixel dell immagine. Esistono diversi Indici di Vegetazione, elaborati soprattutto a partire dalle bande rese disponibili dai satelliti Landsat, ognuno dei quali risponde a particolari esigenze di rappresentazione della superficie, di discriminazione dei suoli e della vegetazione e di eliminazione delle interferenze prodotte dal differente colore dei suoli e dalla presenza dell atmosfera; il più utilizzato di questi indici è il NDVI, o Normalized Difference Vegetation Index. Materiali e metodi. Per rappresentare sinteticamente la presenza di vegetazione sul territorio piacentino è stato dunque utilizzato l NDVI, a causa della sua diffusione, della sua semplicità di calcolo, del suo ideale campo di variabilità (da 1 a +1) e della sua scarsa sensibilità alla presenza del suolo e dell atmosfera, eccetto che su scarne coperture vegetali. L NDVI è dato dal rapporto tra la differenza e la somma delle bande Landsat 4 e 3, e cioè delle riflettanze nel vicino infrarosso (TM4) e nel rosso (TM3): NDVI=(TM4-TM3)/(TM4+TM3) La formula risulta così concepita come rapporto, allo scopo di normalizzare il suo campo di variabilità tra 1 e +1, ma normalmente i suoi valori oscillano tra 0.1 e +0.6 e sono direttamente correlati alle condizioni fisiologiche della vegetazione e alla presenza di biomassa: bassi valori dell indice sono relativi a scarsa presenza di biomassa e viceversa; tuttavia per basse coperture vegetali, i valori dell indice sono di difficile interpretazione. In questa presentazione, l NDVI è stato calcolato per due tipologie di paesaggio. La prima prova è stata finalizzata a rappresentare sinteticamente la presenza di vegetazione all interno delle aree urbane; a questo scopo è stata utilizzata una ripresa estiva Landsat5-TM del sulla scena : in questo periodo infatti le prevalenti latifoglie presenti nel verde urbano sono in pieno sviluppo fogliare e ben osservabili. L indice è stato rappresentato restringendo il campo di variazione a 0.2/+0.6 in pseudocolore su di una tavolozza che va dal blu (valori più bassi) al rosso (valori più alti), attraverso il verde e il giallo, in modo da rappresentare sul rosso i valori superiori a 0.6. In fig. 1 è rappresentato un particolare della città di Piacenza, in cui sono ben evidenti a N le aree verdi esterne alle mura a E ed a O di Porta Borghetto e l area verde del Campo Sportivo Daturi, a NE i Giardini Margherita, più sotto l area verde di via Millo, le aree verdi a S di via Conciliazione, i campi sportivi, al centro le aree verdi sopra e sotto i bastioni di via IV Novembre, a Sud i campi sportivi Bertolini, il Polisportivo, lo Stadio, il Parco della Galleana, a Ovest il parco di Montecucco e i campi sportivi di via Longe alla Besurica, i giardini di via Arrigoni, le aree demaniali di via XXIV Maggio. In fig. 2 è rappresentato un analogo particolare dell abitato di Pontenure, in cui risultano evidenti a NE la vasta area del Parco Raggio, nel centro il campo sportivo parrocchiale e l area verde a fianco di via Castello Sforza, a SE le aree verdi del Centro sportivo comunale e a O le aree residenziali a villette a schiera, a rilevante densità di verde. Una opportuna restrizione del campo di variabilità dell indice nell intervallo della tavolozza dei colori permette di evidenziare anche valori più bassi, e quindi aree caratterizzate non da una totale presenza di verde, ma da una sua prevalenza, come ad es. zone residenziali con villette e giardini. 2

3 Una diversa applicazione degli Indici di Vegetazione consiste nel confrontare l Indice calcolato su di una medesima porzione del territorio in due o più periodi diversi: il confronto tra la stessa epoca in due anni successivi permette ad esempio di individuare fenomeni di contrazione di superfici vegetate e/o boscate, situazioni di anticipo relativo o di ritardo nello sviluppo vegetazionale, situazioni di sofferenza della vegetazione e della superficie forestale dovuta a fitopatie o a danni da incendi o siccità o eventi franosi o altro. Ovviamente un limite intrinseco a questo tipo di confronto risiede nella risoluzione geometrica delle immagini utilizzate, che nella fattispecie del Landsat5-TM è di 30 m.: ciò vuol dire che l oggetto più piccolo individuabile sull immagine ha una dimensione lineare di 1-2 pixel, e cioè di m. Un problema da superare nel confronto dei valori assoluti dell Indice sulle immagini di due periodi differenti consiste nella eliminazione del disturbo introdotto nelle riprese dalle differenti condizioni atmosferiche presenti al momento delle due riprese (contenuto di vapore acqueo e di aerosoli, e quindi trasparenza atmosferica al visibile e all infrarosso); il metodo migliore consiste nella correzione dei valori assoluti di ogni pixel per ogni banda sulla base di opportuni algoritmi che tengono conto dei diversi parametri che influenzano la misura della riflettività della superficie; una alternativa a questo metodo, relativamente complesso e lungo, consiste in adeguate modifiche degli indici o in elaborazione di indici alternativi, meno sensibili alla variazione delle condizioni atmosferiche. Occorre dire che l NDVI, essendo basato su di un rapporto tra differenze di bande, risulta già relativamente slegato alle condizioni atmosferiche della singola immagine; una alternativa è rappresentata da una sua modifica nel ARVI (Atmospherically Resistant Vegetation Index), in cui alla banda 3 TM viene sostituito il parametro rb=tm3-gamma*(tm3-tm1): usando gamma=1 (valore usuale) questa sostituzione coincide con la sostituzione della TM3 (rosso) con la TM1 (blu) nella formula dell NDVI. Una diversa alternativa consiste nell indice GEMI (Global Environmental Monitoring Index), basato su di una formula alquanto complessa che coinvolge TM3 e TM4. Una applicazione del confronto dei valori assoluti dell NDVI a date differenti su di una medesima area è stata eseguita sul territorio del Parco Provinciale (Morfasso, Monte Moria). Le prime due immagini disponibili in periodi omologhi di anni differenti sono quella Landsat5-TM del e l analoga Landsat5-TM del sulla scena , la seconda eseguita con buone condizioni atmosferiche e in assenza di nubi sulla zona, la prima invece in presenza di alcuni cumuli a bassa quota che mascherano parte dell area interessata. L NDVI è stato calcolato sulle due riprese e rappresentato nel campo di variazione tra 0.1 e +0.8 tramite una tavolozza dal blu (valori più bassi) al rosso (valori più alti) attraverso il verde e il giallo. In fig. 3 è rappresentata l area interessata, porzione settentrionale del Parco Provinciale contornato in grassetto, sulla carta 1:25000 dell IGM con sovrapposta la Carta provinciale dell Assetto Vegetazionale e Boschivo, campo A5=specie forestale principale: tratteggiati in marrone i boschi a prevalenza di Carpino, in arancio quelli a prevalenza di Castagno, in giallo sulla destra quello a prevalenza di Pino Nero; in bianco i seminativi (pascoli e grano). In fig. 4 è rappresentato l NDVI calcolato sull immagine Landsat5-TM del ; in blu i valori di NDVI più bassi (-0.1, cioè assenza di vegetazione) e in rosso i valori più elevati (+0.8, cioè massima densità di biomassa); indicati dalle frecce (C) due cumuli presenti nel quadrante in basso a sinistra della figura, con le relative ombre. In fig. 5 è rappresentato l NDVI calcolato sull immagine Landsat5-TM del ; contrassegnati dalle frecce con la lettera P sono alcune aree a seminativo (come si può verificare da un confronto con fig. 3) in cui si osserva una variazione dell indice, in aumento o in diminuzione, da una data all altra: si tratta di variazioni legate alle diverse epoche di sfalcio dei prati o alle loro diverse condizioni di siccità o di rigoglio nei due anni o alla variazione di coltura (pascolo/grano); contrassegnati dalle frecce con la lettera B sono invece alcune aree all interno della superficie classificata come forestata nella Carta Provinciale dell Assetto Vegetazionale e Boschivo di fig. 3, e in particolare a prevalenza di Carpino, in cui si nota una leggera riduzione dei valori dell indice dal 98 al 99, la prima ad E dell abitato di Monte, la 3

4 seconda sul fianco N di M. Taverne: il confronto con il rilievo aerofotografico pancromatico del 1994 rivela in entrambe le zone delle piccole aree scoperte, prive di vegetazione boscata, di dimensione lineare tra i 50 e i 100 m., non riconosciute dalla Carta Provinciale dell Assetto Veget.: è possibile dunque che anche queste rientrino nel caso precedente, ma nella fattispecie andrebbe verificata in sito la natura di eventuali cambiamenti intervenuti. Una ulteriore possibile applicazione del confronto dell NDVI a date differenti risiede nella possibilità di confronto dell indice su di una stessa area nell ambito della stesso anno, cioè della stessa stagione vegetativa: in questo caso il confronto è stato fatto sulla stessa area del Parco Provinciale, tra le immagini Landsat5-TM del e quella del di fig. 4. In fig. 5 è rappresentato l NDVI calcolato sull immagine Landsat5-TM del , sulla stessa tavolozza di colori già usata per le altre, ma su di un intervallo di valori tra 0.1 e +0.6, allo scopo di evidenziare maggiormente i valori più alti: mentre infatti i valori più frequenti nell immagine di Luglio erano attorno a +0.65, nell immagine di Marzo i valori più frequenti sono assai più bassi, attorno a +0.15, a causa della scarsità di vegetazione delle latifoglie all inizio della ripresa vegetativa. Nella fig. spiccano a sinistra alcune chiazze con valori più elevati in zone a seminativo, associabili verosimilmente a colture di frumento autunnale, mentre spicca a destra, a S del M. Taverne, la vasta area coperta da Pino Nero e caratterizzata da alti valori dell indice in virtù della vegetazione invernale del bosco. Le differenze tra latifoglie e sempreverdi scompaiono poi nell immagine di Luglio di fig. 4. Tutte le elaborazioni digitali delle immagini satellitari sono state eseguite con il software Ermapper rel. 6.1; la rappresentazione cartografica è stata eseguita con il software Arcview rel Bibliografia di riferimento. Ray T.W., Vegetation in Remote Sensing FAQs., ErMapper Applications, Earth Resource Mapping Pty Ltd, 1998; Richards J.A., Remote sensing digital image Analysis., Springer Verlag Gomarasca M., Introduzione a telerilevamento e GIS per la gestione delle risorse agricole e ambientali., CNR pubbl. n 3057, Varese

5 Giadini Via Arrigoni Demanio Fuori mura Porta Borghetto Campo Daturi Giardini Margherita Area verde Via Sangallo Fuori mura Via IV Novembre Orti via Torta Area verde Via Millo (ex Luna Park) Campo sportivo Via Porta Aree verdi a S Via Conciliazione Campi sportivi Bertolini Montecucco Campi sportivi Via Longe Parco Galleana Stadio Polisportivo Fig. 1 Città di Piacenza, NDVI calcolato sull immagine Landsat5-TM dello , scena ; valori compresi tra 0.2 (blu) e >0.6 (rosso). Zona villette a schiera Parco Raggio Campo sportivo parrocchiale Area verde Castello Sforza Centro sportivo Comunale Fig. 2 Pontenure, NDVI calcolato sull immagine Landsat5-TM dello , scena ; valori compresi tra 0.2 (blu) e >0.6 (rosso). 5

6 Fig. 3 Area settentrionale del Parco Provinciale di M. Moria; coperture dalla Carta dell Ass. Veget. marrone=carpino, arancio=castagno, giallo(a destra)=pino. C Fig. 4 NDVI da Landsat5-TM del , range 0.1/+0.8. C=cumuli e rispettive ombre. P P P B B Fig. 4 NDVI da Landsat5-TM del , range 0.1/

7 Fig. 5 - NDVI da Landsat5-TM del , range 0.1/