Applicazioni di Telerilevamento per studi agronomici Dott. Mirco Boschetti Boschetti.m@irea.cnr.it 29/05/2019 - Seminario
ERMES monitoring systems CHI SIAMO IREA & LABORATORIO DI NATURAL RESOURCE MONITORING Istituto Rilevamento Elettromagnetico dell Ambiente del CNR che si occupa del trattamento di dati geospaziali e di telerilevamento Gruppo multidisciplinare che lavora sui temi del monitoraggio ambientale e agricolo Studiamo e sviluppiamo soluzioni e metodi per generare e fornire all utente finale informazioni a valore aggiunto generate dall acquisizione, elaborazione ed integrazione di dati multisorgenti In ambito Copernicus ci dedichiamo alla ricerca per la creazione di prototipi di «Downstream services» in particolare per il settore agricolo Downstream Services for Rice Crop Monitoring in Europe: From Regional to Local Scale Busetto et al. (2017) IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing An operational workflow to assess rice nutritional status based on satellite remote sensing and smart apps Nutini et al. 2018 (2018) Computers and Electronics in Agriculture (in press) Early season weed mapping in rice crops using multi-spectral UAV data Stroppiana et al. 2018 (2018) nternational Journal of Remote Sensing
PRESENTATION LAYOUT What is the remote sensing What can provide for agriculture monitoring Remote sensing of crop information to support Mapping, Monitoring and Management From data to added value information Satellite monitoring, field observation and crop modelling Towards an operational downstream service The FP7-ERMES project 3
MONITORAGGIO DEGLI AGRO ECOSISTEMI: DOMANDE Quali sono ne domande? Stima di una variabile Categorica: quali sono e come sono distribuite le colture? Quantitativa: quale è il valore di un parametro bio-fisico? Valutare la variabilità spaziale del fenomeno Quale è la variabilità spaziale di un parametro? Dove sono le hot spot areas? Riconoscere la variabilità temporale Come varia nel tempo un parametro?
TELERILEVAMENTO/REMOTE SENSING Il telerilevamento è quell insieme di tecniche e metodi di osservazione a distanza, sia da terra, aereo e satellite, per il rilievo delle caratteristiche fisiche delle superfici naturali, finalizzate allo studio dell habitat e del territorio Oggi rappresenta sia uno strumento di analisi e ricerca scientifica a servizio delle scienze ambientali sia un nuovo approccio per la conoscenza fisica del territorio e dell ambiente a supporto della pianificazione territoriale e del monitoraggio ambientale
PRINCIPI: LA MISURAZIONE DELL ENERGIA ELETTROMAGNETICA Sorgente luminosa Il TLR si basa quindi sulla misurazione dell energia elettromagnetica che giunge al sensore dopo l interazione con la superficie indagata: Gli oggetti infatti interagiscono con Energia elettromagnetica riflettendo assorbendo ed emettendo in maniera diversa alle diverse lunghezze d onda Pixel fly altitude
SENSORI PASSIVI E ATTIVITI ESA Living Planet Symposium, Prague 2016
UN PÒ DI STORIA 1840 Mongolfiera con a bordo macchina fotografica 1909 Piccione, macchine fotografiche leggere (70 g) 1943 I missili tedeschi V2 1957 Navicella spaziale Sputnik 1960 Primi satelliti meteorologici 1972 Primo satellite telerilevamento della terra (Landsat) 1980 Sensori specializzati: Coastal Zone Color Scanner (CZCS), Heat Capacity Mapping Mission (HCMM), e Advanced Very High Resolution Radiometers (AVHRR) 1999 Lancio di Ikonos, il primo satellite commerciale ad alta risoluzione 2014 on-going Sentinel mission Sentinel-1A - 03 April 2014 Sentinel-1B - 25 April 2016 Sentinel-2A - 23 June 2015 Sentinel-2B 07 March 2017 ESA Living Planet Symposium, Prague 2016
DRONE AGE
CONTRIBUTO EUROPEO E ITALIANO Two SAR sensors, 20m, every 6 days Two optical sensors, 10/20m, every 5 days Optical sensor, 300m, every day Operational and free of charge
COSMO SKYMED Immagine a falsi colori COSMO-SkyMed (composit multi-temporale) sulle aree agricole pavesi, elaborata da CNR-IREA (Copyright e-geos an ASI / Telespazio company) 06/06/2019 11
SENTINEL 2 ERA Spot 5(take5) experiment simulation of S2 12
Sistema di monitoraggio stagionale NRT
Cosa misura il telerilevamento
CHE COSA MISURA UN SISTEMA DI TELERILEVAMENTO Energia incidente Radiazione riflessa/emessa dall atmosfera Assorbimento e diffusione atmosferico E Riflessa Il sensore raccoglie la radiazione EM riflessa o emessa dalla superficie e quella riflessa o emessa dall atmosfera; L atmosfera può assorbire e diffondere la radiazione solare, modificando sia la radiazione incidente sulla superficie, sia quella che raggiunge il sensore; E emessa L intensità della radiazione riflessa o emessa dalla superficie dipende dalle caratteristiche della superficie e dalla lunghezza d onda;
ENERGIA ELETTROMAGNETICA E REGIONI SPETTRALI Principi e peculiarità La risposta della vegetazione Caratteristiche delle spettro Lunghezza d onda (l): distanza tra due massimi o due minimi di un onda Andamento spettrale di una coltura Indici di Vegetazione e relazione con parametri Visibile (0.4 0.7 mm) blu: 0.455 0.492 mm verde: 0.492 0.577 mm giallo: 0.577 0.597 mm rosso: 0.622 0.700 mm Infrarosso vicino (0.7 3 mm) Infrarosso medio (3 6 mm) Infrarosso termico (6 20 mm)
LA RISPOSTA SPETTRALE DELLE SUPERFICI E possibile discriminare in un immagine un gran numero di elementi (suolo, vegetazione, acqua ecc.) e di riconoscere le loro caratteristiche (umidità, stato di salute, concentrazione dei nutrienti ecc.) analizzando il diverso comportamento spettrale nelle varie lunghezze d onda ovvero la loro firma spettrale
M.A. Gomarasca, 1998 LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE Il comportamento spettrale della vegetazione dipende principalmente da due fattori: le caratteristiche chimico/fisiche delle foglie e delle altre componenti della pianta Contenuto di clorofilla Struttura cellulare Contenuto d acqua l aggregazione dei singoli elementi (foglie, rami) e la struttura complessiva della pianta (canopy) Gradi di copertura Quantità di biomassa verde Architettura delle chiome Presenza e tipologia di background (suolo e infestanti) Fenologia Stato di salute Fattori esterni (morfologia, geometria sorgente-oggetto-sensore, atmosfera )
LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE I pigmenti fogliari assorbono nelle lunghezze d onda del blu e del rosso e riflettono in quelle del verde ed è proprio per questo che i nostri occhi identificano la vegetazione di questo colore La struttura della vegetazione comporta invece che questa rifletta altamente nell infrarosso vicino determinando un tipico platò nella firma come in figura
LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA FOGLIA Il chimismo della foglia Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della vegetazione al variare del contenuto di clorofille r 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 400 470 540 610 680 750 820 890 960 1030 Riflettanza in funzione di Cab 1100 1170 1240 1310 1380 1450 1520 l [nm] 1590 1660 1730 1800 1870 N 1.5 Cab VARIABLE Cw 0.015 Cm 0.01 Le firme sono i risultati del modello (PROSPECT) del comportamento della foglia 1940 2010 2080 2150 2220 2290 2360 2430 2500 15 35 55 M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib
LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA FOGLIA Il chimismo della foglia Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della vegetazione al variare del contenuto d acqua Riflettanza in funzione di Cw r 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 400 475 550 625 700 775 850 925 1000 1075 1150 1225 1300 1375 1450 1525 l [nm] 1600 1675 1750 1825 1900 N 1.5 Cab 35 Cw VARIABLE Cm 0.01 Le firme sono i risultati del modello (PROSPECT) del comportamento della foglia 1975 2050 2125 2200 2275 2350 2425 2500 0.005 0.015 0.025 M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib
400 460 520 580 640 700 760 820 880 940 1000 1060 1120 1180 1240 1300 1360 1420 1480 1540 1600 1660 1720 1780 1840 1900 1960 2020 2080 2140 2200 2260 2320 2380 2440 2500 LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA CANOPY La struttura della pianta Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della vegetazione al variare dell indice d area fogliare (LAI) Riflettanza in funzione di LAI 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 l [nm] 0 isat 1 ihot 40 Theta_s, 40 tl VARIABLE l 1.5 vai 35 cab 0.015 cw 0.01 cm 0.25 sl 100 vis 1 alph_soil 1 na 0 0 Le firme sono i risultati del modello (SAIL) del comportamento della Canopy 3 5 7 M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib
400 460 520 580 640 700 760 820 880 940 1000 1060 1120 1180 1240 1300 1360 1420 1480 1540 1600 1660 1720 1780 1840 1900 1960 2020 2080 2140 2200 2260 2320 2380 2440 2500 LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA CANOPY La struttura della pianta Il grafico mostra l andamento delle firme spettrali della vegetazione al variare della posizione delle foglie 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Riflettanza in funzione di MTA l [nm] 0 isat 1 ihot 40 Theta_s, VARIABLE tl 5 l 1.5 vai 35 cab 0.015 cw 0.01 cm 0.25 sl 100 vis 1 alph_soil 1 na 0 0 Le firme sono i risultati del modello (SAIL) del comportamento della Canopy 5 40 90 M. Meroni, 2001 Lezioni Corso di Telerilevamento Scienze Ambientali Unimib
LA RISPOSTA SPETTRALE DELLA VEGETAZIONE NEL TEMPO La riflessione spettrale di una coltura nel tempo varia in funzione delle pratiche agricole e della crescita della pianta. Reflectance N 2 - Gladio 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 400 500 600 700 800 900 1000 Wavelength 17/06/2004 25/06/2004 01/07/2004 09/07/2004 15/07/2004 22/07/2004 28/07/2004 16/08/2004
INDICI DI VEGETAZIONE: RAPPORTI TRA BANDE NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) 0.50 RED 0.40 Reflectance 0.30 0.20 NIR *.0.2 *.1.2 *.2.2 0.10 0.00 400 500 600 700 800 900 1000 Wavelength Un buon indice deve enfatizzare la vegetazione a discapito del resto
VEGETATION INDICES Dallo studio del comportamento spettrale della vegetazione è stata definita una serie di relazioni quantitative tra dati di telerilevamento e parametri di vegetazione attraverso indici basati sulla relazione tra le bande tipiche di assorbimento e riflessione Queste relazioni algebriche sono indicate come indici di vegetazione (VI) e sono basate soprattutto sulle lunghezze d'onda del rosso e del vicino IR (banda ampia o stretta) I VI sono correlati alla quantità di biomassa vegetale, LAI, concentrazione di clorofilla, contenuto di acqua ecc. E forniscono indicazioni sullo stato di salute, sulla produttività delle colture, sulla densità e copertura e sullo stato nutrizionale ecc.
VEGETATION INDICES
INDICI DI VEGETAZIONE: RAPPORTI TRA BANDE
INDICI DI VEGETAZIONE: RAPPORTI TRA BANDE NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) 5019080 5019060 5.88 6.3 5.9 4.64 5.5 5019040 5019020 4.42 4.64 4.34 4.34 5.18 4.35 5.13 5.1 4.7 4.3 3.9 5019000 4.19 4.25 3.5 3.1 2.7 5018980 4.24 2.3 1.9 1.5 5018960 1495180 1495200 1495220 1495240 1495260 1495280 1495300 1495320 Mappa dell indice di vegetazione da immagini MIVIS (2 luglio) Mappa della distribuzione del LAI da misure di campo (1 luglio)
Remote Sensing for Agriculture
EARTH OBSERVATION STARTED WITH AGRO-MONITORING By the late 1960s, the first unmanned satellite specifically dedicated to multispectral remote sensing entered the planning stages. NASA carefully designed and constructed, then launched on July 23, 1972 ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite) later renamed Landsat 1. Since 1974 the LACIE (Large Area Crop Inventory Experiment) project aimed to provide information on agri-production (USSR) CNR-IREA archive The first satellite image of Lombardy acquired by Landsat 1 the 14 th of August 1972, 22 days after the launch Copernicus data (2015)/ESA The first Sentinel satellite sentinel 1 data are 2 satellite available image since acquired the October the 292014 th of Revisiting June 2015 of on 12 the days Po open Valley, a new Italy, era 6 days for agro after monitoring the launch
OSSERVAZIONE DELLA TERRA Contributo nel monitoraggio delle colture > 5 m 250 m 30 m 1000 m < 0.5 m Visione sinottica dall alto del territorio Analisi e un monitoraggio multitemporale Visione multispettrale dell oggetto indagato dimensione spaziale dei fenomeni
OSSERVAZIONE DELLA TERRA PER AGRICOLTURA Multi-temporale Multi-sensore Tipologia delle colture Variabilità dei suoli Date di semina e lavorazioni 23 May 5 June 1495180 1495200 1495220 1495240 1495260 1495280 1495300 1495320 Stato della coltura (vigore/anomalie) 5018960 5018980 5019000 5019020 5.88 4.64 5.18 4.34 4.64 4.42 5.13 4.34 4.35 4.19 4.25 4.24 7 July 5019040 5019060 5019080 Stato della coltura (stress idrico) T C 7 July Sviluppo della coltura 6.3 5.9 5.5 5.1 4.7 4.3 3.9 3.5 3.1 2.7 2.3 1.9 1.5
Caratteristiche e requisiti Utenti Usi Applicazioni OSSERVAZIONE DELLA TERRA E AGRICOLTURA AMBITI DI UTILIZZO E PROSPETTIVE Scala continentale/globale Scala regionale Scala locale Sicurezza alimentare Supporto politiche Controllo dei prezzi/market trasparency Pianificazione interventi Early warning/supporto politiche Early warning/fabbisogni irrigui Supporto aziendale Zonazione/Management (PF) Controlli (CAP-assicurazioni) DG-Agri EuropAid UNEP/UE/FAO Autorità regionali Agenzie Consorzi di bonifica Agri-consulting/Aziende Autorità di controllo (Agea) Assicurazioni Operational service Local knowledge Data acquisition assurance Fattibilità - Automazione Added value
Towards an operational Dowstream Service