Andamento della copertura nevosa e dell'indice di vegetazione NDVI nella stagione invernale in Emilia-Romagna

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1 Andamento della copertura nevosa e dell'indice di vegetazione NDVI nella stagione invernale in Emilia-Romagna Laboratorio di Telerilevamento; Area Agrometeorologia e Territorio; Servizio Idrometeorologico (SIM), ARPA-EMR Andrea Spisni (aspisni@arpa.emr.it), Vittorio Marletto (vmarletto@arpa.emr.it) ( keywords: remote sensing, snow, modis, real time monitoring. Premessa Dopo una valutazione positiva dei dati di innevamento elaborati da immagini MODIS, durante la stagione invernale il servizio di monitoraggio dell estensione del manto nevoso è divenuto operativo. Durante la stagione sono stati prodotti un totale di 33 bollettini (38 immagini elaborate), che coprono il periodo da novembre 2005 ad aprile Le date sono state scelte in base alla vicinanza temporale con eventi nevosi e alle condizioni meteo migliori. Il sito gestito dal JRC di Ispra (2) per la distribuzione di immagini a colori reali (True Color) in tempo reale per l individuazione di incendi a livello globale, rappresenta un supporto per la scelta delle immagini da scaricare. Le immagini MODIS utilizzate Per le elaborazioni sono state utilizzate le immagini MODIS (L1B) della piattaforma AQUA e TERRA scaricate tramite FTP in tempo quasi reale (1). In media è stato possibile ottenere le scene in ore dall acquisizione, quindi i dati hanno sempre rappresentato uno strumento di monitoraggio attendibile ed in tempo quasi reale. Tra i mesi di febbraio e marzo il servizio ha presentato delle difficoltà dovute a problemi al server della NASA che gestisce la validazione e distribuzione. Successivamente la situazione si è normalizzata. I bollettini prodotti (Immagine 3) sono stati regolarmente caricati su una pagina allestita sul sito di ARPA-SIM (2). Dal sito è possibile scaricare il bollettino in formato pdf e l immagine MODIS corrispondente a falsi colori (R 0.86 ;G 1.64 ;B 2.13 ) in formato jpg con relativo world file per caricamento in ambiente GIS. La neve, se presente, appare in colore rossa-arancio, colore che può talvolta interessare anche formazioni nuvolose multistrato, caratterizzate da temperature molto basse o ombreggiamento. Il servizio è risultato molto utile anche come supporto per la stesura dei bollettini del rischio frane elaborati dal centro funzionale della Protezione Civile della regione Emilia-Romagna. Procedura di individuazione La metodologia utilizzata è basata sugli studi compiuti dalla NASA per la definizione dell algoritmo di individuazione della neve da dati MODIS e derivato dall esperienza maturata sui dati Landsat (Riggs G.A. et al., 2004). I dati MODIS rappresentano valori di riflettanza sopra l atmosfera, espressi in percentuale. L individuazione della neve deve essere preceduta dalla correzione geometrica e proiezione delle immagini in coordinate UTM WGS 1984, fila T, fuso 32, con risoluzione spaziale di 500 m (25 ha) e 7 bande (3 VIS, 1 NIR, 3 SWIR). Questa prima fase permette di eseguire anche la correzione dell effetto cravattino (bow-tie) a cui sono soggette le aree di bordo della ripresa. Questa distorsione è visibile come il non allineamento delle linee di acquisizione, che può essere corretto tramite la costruzione della geometria dell immagine. A questo punto l immagine, di circa 2400 x 2400 km, viene tagliata sul nord Italia (Immagine 1). La procedura per identificare il manto nevoso consiste in due fasi: Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-1/16

2 1. Calcolo dell indice Normalized Snow Difference Index (NDSI); 2. Applicazione di albero decisionale basato su NDSI e sulle bande 2 e 4. L indice NDSI consiste nel rapporto della banda 4 e banda 6: NDSI = (b4-b6)/(b4+b6) L indice è particolarmente sensibile alla presenza di neve, poiché sfrutta i valori di bassa riflettanza della banda 6 rispetto alla banda 4. Siccome le soglie da applicare all albero decisionale riportate in bibliografia tendono a sottostimare la copertura nevosa, si è cercato di modificarle in relazione alla realtà locale dell Emilia-Romagna ed in funzione delle condizioni del manto nevoso. Per questo motivo durante la stagione sono stati applicati due tipi di individuazione, la prima (v001) per le giornate fredde invernali in cui la neve si presentava potenzialmente compatta e la seconda (v002) per le condizioni di neve in fase di scioglimento. Le varie soglie utilizzate sono riportate in Tabella 1. Le soglie originali (v000) sono state applicate solo sulle prime date per testare le soglie e sull ultima per eliminare tutte le false classificazioni dell area ferrarese. Allo stesso tempo vengono individuate le nubi utilizzando un albero decisionale basato sui valori di riflettanza delle bande 1, 2, 3, 4, 5 e 6. Viste le notevoli difficoltà presenti nell individuazione delle nubi, si è provveduto anche in questo caso a calcolare delle soglie locali (Tabella 1). I pixel che soddisfano i criteri della Tabella 1 sono stati classificati rispettivamente come neve e nubi. I dati elaborati di neve e nubi vengono successivamente caricati in ambiente GIS ed estratti per fasce altimetriche provinciali così suddivise (mslm): 1. ( 10) >1000 I dati altimetrici sono stati calcolati sul DEM a 100 m della Regione Emilia-Romagna. Le fasce hanno l estensione riportata in Tabella 2 e sono visibili in Immagine 2. A questo punto vengono calcolate le superfici a neve e nubi per le varie zone in km 2 e successivamente si procede con la conversione dei dati sopra citati in percentuale di copertura nevosa al netto delle nubi, sottraendo ad ogni area altimetrica la copertura nevosa e calcolando la percentuale di neve sulle aree libere da nubi. Il dato così espresso permette di confrontare le varie date in termini relativi. Nel Grafico 1 si mostra un esempio di firme spettrali del di vari tipi di neve individuate con le due soglie: v001 e v002. La linea bianca rappresenta la firma spettrale di neve ben compatta in pianura, mentre la linea rossa rappresenta lo stesso tipo di neve in montagna. La curva rossa è più bassa perché influenzata da zone d ombra dovute alla morfologia. Questi risultati sono stati ottenuti applicando le soglie della versione v001. La linea verde, calcolata con le soglie v002, rappresenta neve in condizioni meno fredde rispetto alle precedenti, mentre la linea magenta, calcolata come differenza tra v001 v002, rappresenta una potenziale firma spettrale della neve a maggiore scioglimento. Infatti v002 tende a classificare più pixel come neve. La linea marrone rappresenta la firma spettrale della terra, mentre per l acqua sono state considerate tre firme: le acque interne (ciano), le acque di caso 1 (blu) e quelle di caso 2 (gialla). Sfruttando le firme spettrali individuate, per il si è provveduto ad individuare la neve tramite Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-2/16

3 l algoritmo di classificazione SAM. Il risultato, se pur ritenuto efficiente, si è rivelato più impegnativo da applicare in quanto necessita della definizione di firme ad-hoc, eventualmente definite per ogni data, quindi meno standardizzabile. Andamento della copertura nevosa Le province che hanno presentato la maggior copertura nevosa sono quelle occidentali (Modena, Reggio- Emilia, Parma e Piacenza), soprattutto nelle aree di collina e montagna. La parte di pianura della provincia di Piacenza è anche quella che ha presentato la maggior copertura nevosa a fasce altimetriche basse. I grafici 2-10 riportano la distribuzione nevosa, espressa come percentuale relativa sulle aree prive di nubi, delle varie province. Come si può notare dai grafici, la provincia di Bologna segna la transizione verso coperture nevose minori sia temporalmente che per estensione, caratteristiche delle province orientali (Ravenna, Forlì-Cesena, Ferrara e Rimini). Si sottolinea che i dati della provincia di Ferrara tendono ad essere sovrastimati a causa di false classificazioni di aree d acqua dolce. Queste classificazioni errate sono più marcate con l applicazione delle soglie v002 rispetto a v001. Il fenomeno è maggiormente evidente a fine stagione, quando si ha neve in fase di scioglimento. Questa sovrastima tende invece a scomparire nel momento che vengono applicate le soglie globali di identificazione (v000). Questo andamento è giustificato dal fatto che in condizioni umide la neve assume una risposta spettrale più prossima all acqua (Grafico 1) e le soglie definite in v000 mirano a separare in modo più marcato la neve dall acqua. Per le altre province la stima di neve sembra presentare una buona corrispondenza con la realtà, soprattutto per le aree di montagna con quote maggiori di 1000 mslm, dove, grazie a temperature più rigide, la neve mantiene per periodi più lunghi uno stato compattato che facilita la discriminazione. Le nevicate della stagione sono state classificate in 14 fenomeni nevosi, intesi come una o più giornate in cui si ha avuto caduta di neve. L individuazione di questi gruppi è stata fatta incrociando le nevicate registrate dalla sala operativa delle previsioni meteo del SIM ed i bollettini. Da un primo confronto si registra che la neve caduta a fine novembre ha iniziato subito a sciogliersi e nel periodo natalizio è rimasta solo sulle fasce montagne, specialmente modenesi. Successivamente le nevicate del 27-28/12 hanno fatto registrare un forte aumento della copertura relativa, arrivata al 44%, con copertura nuvolosa consistente sul settore sud orientale, presumibilmente interessato da neve solo sull area delle foreste casentinesi. Successivamente la neve tende a rimanere stabile grazie alle basse temperature fino al 10/01. Da questo momento inizia una serie di giornate serene, caratterizzate da temperature più calde, che portano ad un nuovo scioglimento (10% di copertura relativa). La nevicata del 26/01 porta neve sul settore occidentale. Il bollettino del 31/01 individua come innevata tutta la provincia di Piacenza e 2/3 di quella di Parma, mentre nella giornata successiva, la neve si presenta drasticamente ridotta del 40% su Piacenza e di 1/3 su Parma, con una riduzione netta di circa km 2. Guardando le portate del Po a Ponte Lagoscuro, si nota come nello stesso periodo temporale si assiste ad un picco di portata presumibilmente dovuto allo scioglimento della neve (Grafico 11). Questi due bollettini sono molto interessanti poiché mostrano come in meno 24 h, in periodo invernale, si possa assistere a forte scioglimento su vaste superfici. I bollettini successivi mostrano come la neve tenda a sciogliersi sulla fascia collinare regionale, mentre rimanga più stabile sulla pianura piacentina e crinale tosco-emiliano. Dal 28/02 non si ha più neve sull area della pianura padana, ma viene registrato un aumento della copertura sulla montagna orientale. Nelle date a seguire non viene più registrata neve in pianura e sulla parte montana lo scioglimento inizia da oriente. In data 12/03 una forte nevicata interessa la zona del modenese e reggiano, registrata nel bollettino del 13/03. Quest ultima nevicata si mantiene fino al 15/03, quando ormai a occidente la neve non è più presente e a oriente rimane sulle fasce altimetriche più elevate. Dal 26/03 al 23/04 la neve rimane solo sulla zona di crinale nelle province Parma, Reggio Emilia e Modena. Come considerazione generale, supportata anche dalle analisi preliminari compiute per gli anni sui dati di neve elaborati da NSIDC (Spisni A., 2005), la neve tende a sciogliersi in tempi relativamente brevi, soprattutto in presenza di venti caldi. Questo comportamento è visibile nel Grafico 7 in cui le fluttuazioni nel periodo gennaio-febbraio 2006, non sono dovute a nubi, ma a nevicate seguite da rapido scioglimento e successiva nevicata. Questa tendenza ha come seguito implicazioni idrogeologiche di grande rilievo in quanto si possono registrare delle correlazioni tra scioglimento, ondate di piena e rischio di frane. Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-3/16

4 Calcolo NDVI Allo stesso tempo, le immagini elaborate per la neve sono state utilizzate anche per il calcolo della serie temporale dei valori di NDVI. L indice rappresenta il rapporto normalizzato tra l infrarosso vicino ed il rosso: NDVI = (b4-b3)/(b4+b3) I dati sono stati aggregati per fasce altimetriche provinciali così suddivise (mslm): 1. pianura collina montagna > I dati altimetrici sono stati elaborati sul DEM a 100 m della Regione Emilia-Romagna. Per semplificare la lettura della serie temporale, le fasce altimetriche sono state raggruppate per posizione geografica: Zona Est (pianura, collina e montagna): Bologna, Ferrara, Ravenna, Forlì-Cesena e Rimini; Zona Ovest (pianura, collina e montagna): Modena, Reggio-Emilia, Parma e Piacenza. I dati sono stati poi aggregati in un unico file per permettere l analisi temporale. Andamento dell'indice NDVI Nelle aree di montagna i valori di NDVI sono maggiori nelle province di Forlì-Cesena, Ravenna e Bologna in confronto alle province occidentali (Grafico 12). Dal 3 marzo anche la montagna piacentina ha iniziato ad incrementare i valori dell indice, segnando l inizio della ripresa vegetativa. Questo comportamento è sicuramente relazionato con la maggior presenza di neve riscontrata sul settore occidentale, che ha interessato principalmente le aree di montagna e collina, la pianura piacentina e parte della reggiana. Dopo le prime giornate calde di fine marzo si è assistito ad un incremento considerevole dei valori di NDVI registrati il 29 marzo (media 0.15) in confronto al 26 (media 0.11). Con il proseguire dell aumento di temperatura e lo sciogliersi delle nevi, i valori dell indice tendono convergere verso valori maggiori di 0,5. La fascia collinare ha presentato un andamento simile su tutto il territorio (Grafico 13), le differenze riscontrate sono principalmente dovute a copertura nuvolosa. Le aree di pianura regionali sono interessate da intensa attività agricola che in inverno si caratterizza principalmente per la presenza di medicai, prati e cereali autunno-vernini. A livello provinciale si nota l influenza della zona di produzione del Parmiggiano Reggiano (Modena, Reggio-Emilia, Parma) sui valori registrati di NDVI proprio per gli alti valori che l indice assume in presenza di erbai ben coltivati di pianura (Grafico 14). Questo comportamento è evidente nel periodo temporale da novembre a dicembre e da inizio marzo a fine stagione. Nel periodo tra gennaio e febbraio i valori tendono ad abbassarsi a causa di neve, ma talvolta anche nubi, presenti sull area della pianura occidentale. Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-4/16

5 Conclusioni Il sensore MODIS si dimostra un ottimo strumento per il monitoraggio del manto nevoso su vaste aree. Il limite principale è riscontrabile in caso di forte presenza nuvolosa che impedisce la discriminazione del suolo, fenomeno frequente durante la stagione invernale alle latitudini emiliano romagnole. L analisi dei dati di NDVI può fornire informazioni sulle aree regionali che presentano produzione di biomassa anche durante i mesi invernali. Come obbiettivo della prossima stagione invernale , confidando nell operatività dei satelliti TERRA e AQUA, ci sarà il tentativo di integrare i dati da satellite con rilievi in campo da parte del corpo forestale, al fine di verificare eventuali relazioni tra risposte spettrali e spessore del manto nevoso. Bibliografia Riggs G.A. et al., (2004), Snow and Cloud Discrimination Factors in the MODIS Snow Algorithm, Proceedings of the IGRASS, Anchorage, Alaska Spisni A., Marletto V., 2005, Telerilevamento della copertura nevosa negli inverni tramite MODIS-TERRA, Rapporto interno, Siti web 1. FTP NASA: 2. MODIS Rapid Response System: 3. Bollettino della neve (Lt ARPA-SIM): Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-5/16

6 Tabelle Versione Bande Soglie v000 DT NDSI ge 0.4 b2 ge 0.1 b4 ge 0.1 v001 DT NDSI ge 0.4 b2 ge 0.05 b4 ge 0.05 NUBI b1 ge 0.15 b2 ge 0.15 b3 ge 0.15 b4 ge 0.10 b5 ge 0.15 b6 ge 0.15 v002 DT NDSI ge 0.2 b2 ge 0.05 b4 ge 0.05 NUBI b1 ge 0.15 b2 ge 0.15 b3 ge 0.15 b4 ge 0.10 b5 ge 0.15 b6 ge 0.15 Tabella 1. Soglie utilizzate negli alberi decisionali per la classificazione di neve e nubi (ge = ) Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-6/16

7 Tabella 2. Estensione delle fasce altimetriche provinciali Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-7/16

8 Grafici Grafico 1. Firme spettrali della neve ( ) Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-8/16

9 Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche ferraresi Grafico 2. Provincia di Ferrara Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche riminesi Grafico 3. Provincia di Rimini Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/2006-9/16

10 Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche ravennati Grafico 4. Provincia di Ravenna Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche forlivesi >1000 Grafico 5. Provincia di Forlì-Cesena Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16

11 Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche bolognesi >1000 Grafico 6. Provincia di Bologna Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche modenesi >1000 Grafico 7. Provincia di Modena Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16

12 Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche reggiane > Grafico 8. Provincia di Reggio-Emilia Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche parmensi >1000 Grafico 9. Provincia di Parma Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16

13 Copertura nevosa relativa alle aree prive di nubi sulle fasce altimetriche piacentine >1000 Grafico 10. Provincia di Piacenza Portata Po Ponte Lagoscuro mc/s gen 08-gen 15-gen 22-gen 29-gen 05-feb 12-feb 19-feb 26-feb 05-mar 12-mar 19-mar 26-mar 02-apr 09-apr 16-apr 23-apr 30-apr 07-mag 14-mag 21-mag 28-mag 04-giu 11-giu 18-giu data Grafico 11. Portate del Po a Ponte Lagoscuro e picco relazionato a scioglimento neve (2006) Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16

14 Grafico 12. Andamento dell'indice NDVI sulle aree di montagna Grafico 13. Andamento dell'indice NDVI sulle aree di collina Grafico 14. Andamento dell'indice NDVI sulle aree di pianura Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16

15 Immagini Immagine 1. Area di studio ( ) Immagine 2. Suddivisione delle fasce altimetriche provinciali Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16

16 Immagine 3. Bollettino della copertura nevosa ( ) Bozza - AS / Lt-Agro 30/05/ /16