Giuseppe Morabito (CNR-ISE, Verbania) Claudia Giardino, Mariano Bresciani (CNR-IREA, Milano)

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1 Giuseppe Morabito (CNR-ISE, Verbania) Claudia Giardino, Mariano Bresciani (CNR-IREA, Milano) XXI Congresso dell'associazione Italiana di oceanologia e limnologia A.I.O.L. Limnologia e Oceanografia nel Terzo Millennio: nuove frontiere o assenza di frontiere? Lignano Sabbiadoro (UD), settembre 2013

2 Introduzione

3 Un po di storia 1840 Come prima piattaforma si è utilizzata la mongolfiera aerea con a bordo una macchina fotografica; 1909 Furono impiegati anche piccioni, a cui venivano allacciate macchine fotografiche leggere (70 grammi); 1943 Utilizzo dei missili tedeschi V2; 1957 Viene utilizzata come piattaforma la navicella spaziale Sputnik; 1960 I primi satelliti meteorologici vengono adattati per poter scattare foto in bianco e nero e per effettuare misure dei parametri atmosferici; Anni 70 Prime applicazioni sui laghi in USA, con l uso di sensori IR; Dal 1972 Missioni Landsat con dati ogni 15 giorni da oltre 40 anni; Dal 2000 Lancio di satelliti dotati di strumenti progettati specificamente per l analisi delle proprietà ottiche delle acque (MODIS, MERIS, HICO); 2014 Previsto lancio di SENTINEL 2 e 3-ESA; 2017 Previsto lancio PRISMA-ASI.

4 Nature 250, (1974) R. C. Wrigley & A. J. Horne Remote sensing and lake eutrophication Fioritura sul Clear-Lake (da Wrigley & Horne, 1974)

5 Vantaggi del telerilevamento 1. Relativa facilità di ottenere informazioni in breve tempo, a distanza, ripetute nel tempo 2. Grande copertura spaziale, con maggior oggettività e precisione 3. Maggiore economicità complessiva rispetto ai metodi di rilevazione convenzionali. Esso rappresenta dunque una vera e propria rivoluzione nell'ambito del monitoraggio ambientale. In molte situazioni è necessario, dopo aver analizzato i dati registrati da satellite o da aereo, disporre di dati puntuali e con un elevato grado di risoluzione sul territorio che permettano di ottenere informazioni da incrociare con dati a scala maggiore.

6 Anni 2000: il telerilevamento incontra la limnologia

7 Il Telerilevamento applicato allo studio delle acque Il colore dell acqua dipende da differenti fattori, l osservazione da immagini satellitari permette di valutarne le differenze. Condizioni geometriche di visione e illuminazione Condizioni di illuminazione LAGO LAGO CIAD, CIAD, Materiale disciolto e in sospensione Natura e colore del fondale L energia retrodiffusa dallo strato eufotico di un corpo idrico nelle diverse lunghezze d onda dello spettro elettromagnetico porta con sé informazioni sui parametri di qualità dell acqua otticamente attivi (parametri che contribuiscono a regolare i processi di assorbimento e diffusione dell energia elettromagnetica incidente sul mezzo acquatico).

8 Gli algoritmi di elaborazione delle immagini sono tipicamente basati su rapporti di bande nella regione del rosso (lunghezze comprese tra i 600 e i 650 nm) oppure tra rosso e vicino infrarosso (650 e 750 nm) nel caso di fioriture intense. Altri approcci prevedono l utilizzo della modellistica bio-ottica con dati concernenti le proprietà ottiche inerenti e apparenti delle acque. Fioritura di cianobatteri sul Lago di Garda (penisola di Sirmione) nel settembre del 1997 individuata da immagine iperspettrale MIVIS. Immagine del sensore MERIS di fioriture di cianobatteri nel golfo di Finlandia il 14 luglio 2002

9 Il Lago Maggiore come caso di studio

10 2005 Primi approcci allo studio delle fioriture sul Lago Maggiore (ISE-IREA) Mappe dell indice IR/R da dati MODIS giornalieri della seconda metà di luglio A più alti valori dell indice IR/R dovrebbero corrispondere zone di fioritura algale (pixel isolati ad alti/bassi valori dell'indice non sono statisticamente significativi)

11 -5 µg/l L. Maggiore, estate 2011 Fioritura di Mougeotia sp. 50 Prof. (m) L15 P12 L14 L13 P11 L12 P10 L11 P9 L10 P8 P7 L8 L9 L7 P6 L5 L6 P5 L4 P4 L3 P3 P2 L1 L2 P1 Stazioni campionate - Asse S-N Prodotti di z90 (trasparenza), l estinzione della luce al 90%. Il range di riferimento è risultato compreso tra una trasparenza di 1 metro e di 10 metri. I dati acquisiti sono stati confronti con le misure in situ del disco di Secchi Z90 (m)

12 Chl-a (mg/m 3 ) 9 Luglio 8 Agosto 0 Chl-a 10 (mg/m 3 ) Applicazione di un modello bioottico (BOMBER; Giardino et al., 2012) ad immagini MODIS in riflettanza e confronti con misure in situ (Lago Maggiore, 2012) No data 7 Settembre 9 Ottobre In situ MODIS Mesi

13 Non solo clorofilla Serie multitemporale dei parametri otticamente attivi ottenuti dalle immagini MERIS dal 2003 al Valori di clorofilla-a, Solidi sospesi totali (TSM), sostanze organiche colorate disciolte (CDOM) e trasparenza (Z90) ottenuta per zona pelagica del lago. Le barre rappresentano la media annuale ottenuti dalle misure in accordo con i piani di monitoraggio della WFD (Giardino et al., 2014 JL).

14 Non solo clorofilla 9 Luglio 26 Luglio 11 Agosto 27 ST ( C) 28 ST ( C) 27 ST ( C) Le riprese telerilevate effettuate nella banda dell infrarosso termico permettono di ottenere mappe di temperatura superficiale utilizzando il prodotto Surface Temperature da dati MODIS con risoluzione spaziale di 250 metri. Il risultato è in buon accordo con le campagne di misure condotte sul campo Agosto 7 Settembre 9 Ottobre ST ( C) ST ( C) ST ( C)

15 utilizzo dei nuovi sensori Ü Maggiore 24 Aprile 2013 In situ, 9 Maggio 2013: 2.7 mg m -3 (0-20 m, centro lago) Km HICO (Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean) 87 bande 90m di risoluzione spaziale La prima immagine (13 Maggio 2013) del Lago Maggiore acquisita dal Landsat-8. Mappa di temperatura superficiale delle acque.

16 Un problema specifico: le fioriture di cianobatteri

17 La caratterizzazione dei cianobatteri attraverso le tecniche di Telerilevamento si basa sulle caratteristiche di assorbimento della luce visibile dei pigmenti fotosintetici (ficobiliproteine) tipici dei cianobatteri. Pigmenti come la ficocianina e la ficoeritrina producono caratteristici picchi di assorbimento/riflessione della radiazione elettromagnetica emergente dalla colonna d acqua e possono essere rilevati dai sensori satellitari. Nel dettaglio i cianobatteri con ficocianina mostrano un picco di riflettanza attorno ai 650 nm e di assorbimento attorno ai 625 nm. I cianobatteri con ficoeritrina presentano un picco di riflettanza attorno ai 590 nm e di assorbimento attorno ai 560 nm. Regione d interesse FICOERITRINA Regione d interesse FICOCIANINA Regione d interesse CLOROFILLA-a Acque prive di cianobatteri Nel corso del 2012 è stata effettuata una serie di misure radiometriche per valutare la risposta spettrale dei cianobatteri.

18 Indice Chl-a (Massimo riflettanza/massimo Assorbimento) Indice Ficocianien (Massimo riflettanza/massimo Assorbimento) Analisi delle firme spettrali dei cianobatteri su colture di Microcystis aeruginosa Spettri di riflettanza a concentrazioni crescenti Indici ottenuti dagli algoritmi di Gitelson et al. (2008) e Kutser et al. (2004) y = e 5E-08x R² = y = e 1E-08x R² = E E E E E+07 Diluizione (n.cellule) E E E E E+07 Diluizione (n.cellule)

19 Analisi delle firme spettrali dei cianobatteri su colture di Microcystis aeruginosa Cambiamento della risposta spettrale nella regione dell infrarosso dopo 4 ore di non agitazione. Le cellule si aggregano e tendono a creare SCUM superficiali. Situazioni analoghe nei laghi si verificano in mancanza di vento. Differenza spettrale nella regione dell infrarosso tra due differenti colonie di Microcystis

20 Analisi delle proprietà ottiche inerenti (backscattering e assorbimenti) con colture di Microcystis aeruginosa 0,40 Backscattering (m -1 ) 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 13 µg/l ~ 3.2*10 3 cell/ml 26.5 µg/l ~ 6.5*10 3 cell/ml 41 µg/l ~ 10.1*10 3 cell/ml 56 µg/l ~ 13.8*10 3 cell/ml 67 µg/l ~ 16.5*10 3 cell/ml 78 µg/l ~ 19.2*10 3 cell/ml 87 µg/l ~ 21.4*10 3 cell/ml 104 µg/l ~ 25.6*10 3 cell/ml 115 µg/l ~ 28.3*10 3 cell/ml 124 µg/l ~ 30.5*10 3 cell/ml 185µg/l ~ 45.4*10 3 cell/ml Misure di backscattering con Hydroscat 6c 0, Lunghezze d'onda (nm)

21 Prospettive future 1. Validazione dei dati ottenuti da satellite: questa dipende strettamente dalla raccolta di dati di campo, che si intende proseguire, possibilmente con risorse dedicate. 2. Impatto degli eventi climatici estremi e analisi della risposta dell ecosistema lacustre a breve/media scala temporale ed ampia scala spaziale (per es. effetti del runoff). 3. Monitoraggio della qualità ecologica dei corpi idrici a supporto ed integrazione delle attività previste per l applicazione della Direttiva 2000/60/CE. 4. Cooperazione nell ambito delle ricerche ecologiche a lungo termine (LTER), ad affiancare le indagini limnologiche, con lo scopo di migliorare la comprensione di alcuni fenomeni, acquisendo dati a scale spazio-temporali adeguate. 5. Ricostruire dinamiche pregresse, attraverso l analisi di immagini e dati telerilevati in anni passati. 6. Utilizzo dei sensori di nuova generazione (SENTINEL 2 e 3 dell ESA, PRISMA dell ASI) che permetteranno di aumentare le risoluzioni spaziale temporali d indagine.

22 Un ringraziamento. Ai colleghi del CNR-ISE Martina Austoni Nicoletta Riccardi Sara Lauceri Lyudmila Kamburska Mario Contesini Ai colleghi del CNR-IREA Alessandro Oggioni Erica Matta Daniela Stroppiana Mauro Musanti Ai colleghi del CNR-ISMAR Federica Braga Ai progetti STRADA: STRAtegie Di Adattamento ai cambiamenti climatici per la gestione dei rischi naturali. Cooperazione transfrontaliera Italia-Svizzera GLaSS: Global Lakes and Land Sentinel Studies FP CYAN-is-WAS: Cyanobacteria assessment in Italian and Swedish waters from space MIUR CLAM-PHYM: Coasts and Lake Assessment and Monitoring by PRISMA HYperspectral Mission ASI A tutti voi per la vostra attenzione!