Il Progetto SINA Sentinel-1: uso del telerilevamento per il monitoraggio della copertura del suolo, dello stato della vegetazione e per la mappatura del manto nevoso Enrico ZINI (*), Dario BELLINGERI (*), Michele BOCCI(**), Alessandro MENIN(*) (*) ARPA Lombardia, Viale Restelli 1, 20124 Milano, tel 02 69666320, fax 02 69666315, e-mail: e.zini@arpalombardia.it (**) Consulente ARPA Lombardia, Via Sansedoni, 7, 53100 Siena, tel 0577 588408, e-mail bocci@tin.it Sessione: Gestione sostenibile del territorio e conservazione della natura Riassunto In questo lavoro sono presentate le attività del neo-costituito Laboratorio di Telerilevamento di ARPA Lombardia, che si avvale del finanziamento del progetto SINA Sentinel-1 "Sistema di Analisi Ambientale mediante Immagini Satellitari" il cui scopo è la realizzazione di una infrastruttura per il monitoraggio periodico dell'ambiente tramite immagini telerilevate. Gli obiettivi principali del progetto riguardano l individuazione di metodiche operative di analisi di immagini satellitari ai fini del monitoraggio territoriale, con particolare attenzione alla dinamica della copertura del suolo, dello stato vegetativo delle aree naturali e dello stato del manto nevoso. Tali tematiche vengono sviluppate sull intero territorio regionale, utilizzando come dato di base una serie multitemporale di immagini satellitari Landsat, che, considerando la loro risoluzione geometrica e spettrale, il costo delle immagini, l ampiezza dell area ripresa e la possibilità di accedere ad un ampio archivio storico di dati, rappresentano tuttora una soluzione vantaggiosa in termini di costi/benefici per studi a scala regionale. Accanto a queste aree tematiche finalizzate alla produzione di risultati fruibili ai diversi Settori dell'agenzia relativamente all intero territorio regionale, sono previste anche attività di maggior dettaglio spaziale, condotte a scala locale. In particolare, è stata acquisita una coppia stereoscopica di immagini satellitari ad alta risoluzione IKONOS sulla Valfurva (Alta Valtellina) un'area di particolare interesse ambientali per la presenza di dissesti e per le dinamiche dei ghiacciai. Abstract This paper illustrates the activities of the Remote Sensing Laboratory of ARPA Lombardia, developed under the Sentinel-1 project. The principal aim of the project is the development and testing of techniques for land monitoring from remote sensing data, in particular for land-cover dynamics, vegetation conditions of natural areas and snow and ice extent. Nearby to these thematic areas aiming to the production of results for the various sectors of the Agency relatively to the whole regional territory, more detailed activities are foreseen at local scale. In particular, a stereoscopic couple of IKONOS image has been acquired on Valfurva area (upper Valtellina), in order to control the geomorphic processes connected to landslides and to glaciers dynamics.
Materiali e metodi Attività a scala regionale L analisi dei tre temi relativi alla dinamica della copertura del suolo, dello stato vegetativo delle aree naturali e dello stato del manto nevoso è condotta sull intero territorio della Lombardia. Per questo, i dati di base scelti per il lavoro sono una serie di immagini multitemporali riprese dal satellite Landsat (serie 5 e 7, con i sensori TM e ETM+), che rappresentano il miglior compromesso fra risoluzione geometrica e spettrale e possibilità di investigare ampie porzioni di territorio e di accedere ad un ampio archivio storico di immagini. La Regione Lombardia è coperta da 4 frames del sistema di acquisizione delle immagini Landsat (WRS: World Reference System), definite dai numeri di path/row 194/28, 194/29, 193/28, 193/29 (figura 1). 194/28 193/28 194/29 193/29 Figura 1: Lombardia fisica con localizzazione dei path/row Landsat. E stata condotta una ricerca nell archivio storico delle immagini Landsat al fine di selezionare le immagini più rappresentative ai fini del monitoraggio della copertura del suolo. I parametri considerati sono stati essenzialmente la copertura nuvolosa, la localizzazione delle immagini in periodi dell anno significativi in funzione dell andamento fenologico delle varie tipologie di superfici vegetate (naturali e non naturali), oltre che la vicinanza delle date di acquisizione dei frame confinanti.
Le immagini scelte sono riassunte in tabella 2. Tabella 2: Elenco delle immagini satellitari Landsat TM 5 o TM 7 scelte. Path/row 2001 1999 194-28 02-apr TM 7 20-mar TM 5 28-mag TM 5 23-mag TM 5 21-giu TM 7 12-set TM 5 09-set TM 7 06-ott TM 7 194-29 02-apr TM 7 20-mar TM 5 28-mag TM 5 23-mag TM 5 21-giu TM 7 12-set TM 5 09-set TM 7 06-ott TM 7 193-28 03-apr TM 5 13-mar TM 5 29-mag TM 7 01-giu TM 5 22-giu TM 5 13-set TM 7 02-set TM 7 07-ott TM 5 193-29 03-apr TM 5 13-mar TM 5 29-mag TM 7 17-giu TM 5 22-giu TM 5 13-set TM 7 02-set TM 7 07-ott TM 5 Complessivamente, sono state quindi acquisite 32 scene Landsat TM 5 o TM 7, riferite a 2 anni specifici: il 2001 è stato scelto come anno più vicino alla situazione attuale a causa della scarsità di immagini libere da nuvole per il 2002 e per l impossibilità di ottenere immagini su tutto il periodo utile dal punto di vista fenologico per il 2003. Il 1999 è stato scelto invece per avere la possibilità di impostare e testare procedure di analisi multitemporale, nell ottica di un monitoraggio periodico del territorio a cadenza bi-triennale. Per ogni frame che interessa la Lombardia, sono state scelte almeno due date rappresentative del periodo di massimo vigore fenologico della vegetazione (tarda primavera ed estate), una data inizio-primaverile e, ove possibile, una autunnale. Descrizione dei temi sviluppati a scala regionale Il primo tema sviluppato a scala regionale riguarda il monitoraggio dell evoluzione della copertura del suolo. Il suo sviluppo prevede la definizione di metodiche semiautomatiche di classificazione delle immagini satellitari al fine di ottenere una cartografia raster relativa alla copertura del suolo. Ove possibile, è prevista l integrazione ed il confronto con cartografie di uso e copertura del suolo ottenute con altri tipi di dati, e verranno calcolate statistiche ed indicatori ambientali (es.: superficie impermeabilizzata, superficie delle aree vegetate naturali, indici di connettività e frammentazione, consumo di suolo, ) riferiti a diverse unità territoriali (Comuni, Province, Bacini, Aree Protette, ). Una prima ipotesi della legenda delle classificazioni è presentata in tabella 3. La legenda proposta è di tipo gerarchico : in questo modo la classificazione è più flessibile, con la proposta di differenti livelli di informazione.
Le classi proposte sono impostate in modo da mantenersi il più possibile prossime al concetto di copertura del suolo; il concetto di uso del suolo compare solo in alcune classi ai livelli inferiori della gerarchia della legenda. Tabella 3: Legenda delle classificazioni di copertura del suolo A Aree non vegetate A1 Terrestri A11 Antropizzate A12 Naturali A2 Acquatiche / temporaneamente allagate A21 Corpi Idrici A22 Neve-Ghiacci B Aree vegetate B1 Terrestri B11 Arboree B111 Latifoglie B112 Conifere B113 Boschi misti-arbusteti B12 Erbacee B121 Soggette a rotazione B1211 Seminativi autunno-vernini B1212 Seminativi primaverili-estivi B122 Stabili: prati permanenti, marcite B13 Miste B131 Legnose agrarie B132 Verde urbano B2 Acquatiche / temporaneamente allagate B21 Risaie B22 Paludi-Torbiere C No data C1 Nubi C2 Ombre La legenda è impostata in modo da mantenere ai primi livelli gerarchici classi semplici, sia dal punto di vista del contenuto informativo che della loro possibilità di essere identificate tramite dati satellitari. Per identificare le classi dei livelli inferiori, invece, saranno necessari maggiori input, come l informazione data dalla multitemporalità delle immagini (ad esempio per la distinzione fra seminativi primaverili-estivi e autunno-vernini), oppure l utilizzo di dati vettoriali accessori in ausilio alle classificazioni (ad esempio per la definizione delle aree verdi urbane o delle legnose agrarie). Il secondo tema previsto nel Progetto Sentinel-1 riguarda l analisi dello stato vegetativo delle aree vegetate naturali e semi-naturali. Le formazioni boschive e arbustive sottoposte a particolari vincoli di tutela (Parchi, Aree Protette) saranno l oggetto principale del lavoro. Le variazioni temporali riscontrate all interno delle aree oggetto di studio possono essere causate da diversi motivi (crescita naturale, nuove piantumazioni, governo della foresta, incendi, dissesti), ed è necessario un accurato lavoro di interpretazione e di confronto dei dati ottenuti con eventuali dati ausiliari forniti da Enti e autorità locali.
Le immagini utilizzate sono parte del data set utilizzato nel tema relativo alla dinamica della copertura del suolo; il requisito fondamentale è che le immagini siano riferite allo stesso periodo fenologico a distanza di alcuni anni. Teoricamente le analisi delle variazioni possono essere condotte anche su una sola data per ogni anno investigato. Dal confronto delle date relative al 1999 rispetto al 2001, emerge che le immagini cadono in periodi dell anno molto ravvicinati, in cui si può supporre che lo stadio fenologico sia simile nei due anni selezionati. Se da un lato il ristretto intervallo temporale investigato limita decisamente la possibilità di individuare dei cambiamenti di grande entità nelle aree naturali, dall altra questo è uno stimolo ulteriore alla definizione di metodi di analisi multitemporale il più possibile precisi. Una volta definita e testata la metodologia, si prevede l acquisizione di immagini Landsat più vecchie (es.: anni 80) per una analisi delle variazioni a scala temporale più ampia. Ove possibile, le mappe delle variazioni ottenute dovranno poi essere validate con l utilizzo di dati di riferimento (es. Piani di Assestamento, mappe delle aree incendiate, ). I risultati previsti dalle analisi delle variazioni si prestano anche in questo caso alla formulazione di indicatori ambientali sintetici. Il terzo tema del Progetto Sentinel-1 è l analisi dello stato del manto nevoso. L obiettivo di questo tema è la mappatura delle aree innevate nelle diverse date, con indicazione, quindi, della permanenza nevosa per ogni pixel dell immagine. E da notare che le date delle immagini sono state scelte in modo da rappresentare, mediamente, le condizioni di massimo e di minimo accumulo nevoso (rispettivamente l immagine tardo invernaleinizio primaverile e l immagine in estate inoltrata). Le informazioni derivate, sempre nell ottica di un monitoraggio periodico, sono finalizzate a promuovere studi di carattere idrologico (fusione nevosa) e climatologico. Inoltre, sono previsti degli approfondimenti di carattere modellistico, al fine di stimare lo spessore del manto nevoso, sulla base dell informazione areale ricavata dalle immagini satellitari e dall informazione puntuale rappresentata dalle misure di spessore ricavate dalla rete di stazioni nivo-meteorologiche distribuite sul territorio. Descrizione dell attività a scala locale A scala locale, il Progetto Sentinel-1 prevede l approfondimento di alcune aree individuate per la loro criticità ambientale, utilizzando immagini satellitari ad alta risoluzione. La prima area individuata è situata in alta Valtellina, e comprende la Valfurva e la Valle dei Forni (figura 4). Tale area è di particolare interesse per ARPA Lombardia, in quanto comprende alcune eccezionali rilevanze ambientali tra le quali la frana del Ruinon, attualmente attiva e monitorata in tempo reale dal Centro di Monitoraggio Geologico di Sondrio, il ghiacciaio dei Forni (tra i più grandi ghiacciai italiani), e una porzione importante del territorio del Parco Nazionale dello Stelvio. Per queste ragioni, su tale area è stata organizzata l acquisizione programmata di una coppia stereoscopica di immagini satellitari ad alta risoluzione IKONOS. Tale dato verrà utilizzato ai fini del monitoraggio ambientale a scala locale e del controllo dei fenomeni geomorfici connessi ai dissesti ed alle dinamiche dei ghiacciai. In particolare, la coppia stereoscopica di immagini satellitari IKONOS permetterà, tramite il software ERDAS StereoAnalyst, la ricostruzione del modello digitale del terreno.
Figura 4: Localizzazione dell area di interesse per l acquisizione programmata della coppia stereoscopica di immagini IKONOS e visualizzazione 3D di Valfurva e Valle dei Forni (elaborazione con ERDAS VirtualGIS dell immagine Landsat del 29 maggio 2001 - sintesi RGB 752). Stato di avanzamento delle attività Attualmente, il Progetto Sentinel-1 è nella fase di pre-elaborazione delle immagini satellitari Landsat e di sviluppo delle metodiche di classificazione multitemporale. Nella pre-elaborazione, particolare importanza assumono le operazioni di ortoproiezione delle immagini, effettuate utilizzando il DEM con passo di 40 metri. L errore quadratico medio riscontrato nella ortoproiezione è stato di 0.55 pixel per i punti di controllo e 0.65 pixel per i punti di verifica. Nella figura 5 è presentata la visualizzazione RGB (sintesi 752) del mosaico ottenuto dalle 4 scene Landsat ortoproiettate, per il territorio della Regione Lombardia, riferita alla data del 28 maggio 2001 (path 194) e 29 maggio 2001 (path 193). Figura 5: Visualizzazione in sintesi RGB 752 del mosaico delle 4 scene Landsat che interessano il territorio della Regione Lombardia.
Sempre per quanto riguarda le pre-elaborazioni, considerando il carattere multitemporale del progetto e la morfologia del territorio lombardo, assumono particolare importanza le correzioni radiometriche e topografiche delle immagini. Tale processo, condotto con il modulo ATCOR del programma ERDAS Imagine, consente la confrontabilità di immagini riprese in differenti condizioni atmosferiche e da diversi sensori (Landsat TM o ETM+), e la normalizzazione della risposta delle superfici in differenti condizioni di illuminazione (figura 6). Figura 6: Particolare di immagine Landsat pre e post correzione radiometrica e topografica (sintesi RGB 453). Ogni immagine così corretta viene classificata, secondo una legenda semplificata di land-cover puro, mentre le classificazioni finali di copertura derivano dall applicazione di regole, tramite la definizione di criteri di post-classificazione multitemporale, anche con l ausilio di dati accessori ricavati dal DEM. Conclusioni Il Laboratorio di Telerilevamento di ARPA Lombardia, affiancato alla struttura del Sistema Informativo Territoriale, si propone come strumento operativo di monitoraggio del territorio lombardo. I dati satellitari a media risoluzione Landsat sono la base informativa per le analisi a scala regionale, mentre a scale di maggior dettaglio vengono sviluppate tematiche di particolare interesse per diversi settori dell Agenzia utilizzando dati telerilevati ad alta risoluzione geometrica. Oltre alle tematiche presentate nel presente articolo, sono previste altre attività riguardanti temi di particolare rilevanza ambientale; fra queste, l utilizzo del sensore aerotrasportato MIVIS per l individuazione delle coperture in cemento amianto e l utilizzo di tecniche SAR per la mappatura rapida di aree esondate.