The objective of the thesis’ research work is to test the integration of optical and SAR (Synthetic Aperture Radar) satellite data for natural resources monitoring. Two different applications were considered; monitoring vegetation disturbances, specifically mapping the areas affected by wildfires in Mediterranean regions of southern European states, and crop mapping in northern Italy.

Doctoral Program in Environmental and Infrastructural Engineering (XXVII Cycle)
Settore ScientificoDisciplinare: ICAR-06

Tesista Agnese Dall'Asta

Università degli Studi di Parma

Dipartimento di Bioscienze

Corso di Laurea:Scienze della natura e dell’ambiente

Anno Accademico 2013-2014

Tipo di tesi: Laurea I Livello

Relatore Pierluigi Viaroli

Correlatori Monica Pinardi, Mariano Bresciani, Andrea Fenocchi

Attività: Modellistica di estrazione di parametri bio-geofisici

Tesista Martino Montagna

Università: Università degli Studi di Ferrara

Facoltà: Scienze MM. FF. NN.

Corso di Laurea: Biologia Ambientale

Anno Accademico 2006-2007

Tipo di tesi: Laurea Magistrale

Relatore Renato Gerdol

Correlatori Claudia Giardino, Mariano Bresciani

Attività: Modellistica di estrazione dei parametri biofisici

Tesista Ilaria Cazzaniga

Università: Politecnico Di Milano

Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale

Corso di Laurea: Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

Anno Accademico 2012-2013

Tipo di tesi: Laurea Magistrale

Relatore Marco Gianinetto

Correlatori Claudia Giardino, Mariano Bresciani

Attività: Modellistica di estrazione dei parametri bio-geofisici

Tesista Saba Daneshgar

Università: Politecnico Di Milano

School of Civil, Environmental and Land Management Engineering

Corso di Laurea: Master of Science in Environmental and Geomatic Engineering

Anno Accademico 2014-2015

Tipo di tesi: Master of Science

Relatore Giovanna Sona

Correlatori Claudia Giardino, Erica Matta

Attività: Modellistica di estrazione di parametri bio-geofisici

Tesista: Francesca Sanfilippo

Università: Alma Mater Studiorum – Universita’ di Bologna

Scuola di Scienze

Corso di Laurea: Scienze per l'Ambiente

Anno Accademico 2013-2014

Tipo di tesi: Laurea Magistrale

Relatore: Rossella Capozzi

Correlatori: Mariano Bresciani, Federica Braga.

Attività: Modellistica di estrazione di parametri bio-geofisici

Tesista Martina Aiello

Università: Politecnico Di Milano

Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale

Corso di Laurea: Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio

Anno Accademico 2012-2013

Tipo di tesi: Laurea Magistrale

Relatore Marco Gianinetto M

Correlatori Claudia Giardino, Erica Matta

Attività: Modellistica di estrazione dei parametri bio-geofisici

Lo scopo principale del progetto BLASCO è sviluppare una tecnica per identificare i cianobatteri potenzialmente tossici che si sviluppano negli ambienti lacustri mediante tecniche di telerilevamento. Per raggiungere quest’obiettivo viene inizialmente condotta un’intensa attività di laboratorio per studiare le proprietà ottiche dei cianobatteri. In base alle osservazioni raccolte saranno quindi sviluppati e calibrati algoritmi per l’elaborazione dei dati satellitari. I risultati di questo progetto potrebbero contribuire a monitorare in modo efficace l'impatto delle fioriture di cianobatteri sulla qualità delle acque lacustri.

brochure del Progetto Blasco

Committente: Fondazione Cariplo

Prime contractor: CNR-ISE (Verbania Pallanza)

Periodo di attività: 2015 -2017

Finanziamento IREA:  € 120.000

Responsabili IREA: Mariano Bresciani, Claudia Giardino

Attività: Modellistica di estrazione di parametri bio-geofisici

Il progetto ICE-ARC ha avuto l’obiettivo di comprendere e quantificare i molteplici stress che sono responsabili dei cambiamenti in atto nell’ambiente marino dell’Artico. Particolare attenzione è stata dedicata alla comprensione della rapida diminuzione della copertura di ghiaccio marino ed alla valutazione degli impatti climatici, economici e sociali di tali stress su scala regionale e globale. Poiché non è possibile considerare separatamente i singoli aspetti del sistema senza tenere conto delle reciproche interazioni, è necessario un approccio che includa gli effetti combinati di atmosfera/criosfera/oceano/ecosistemi. Le osservazioni sono state mirate alla riduzione delle incertezze nella comprensione dei processi fisici che sono attivi in Artico e che, pur avendo un ruolo nei cambiamenti del clima e degli ecosistemi, non sono ancora adeguatamente rappresentati nei modelli disponibili. I risultati del programma osservativo, che ha incluso l’utilizzo di sistemi di osservazione remota da piattaforme satellitari, compresi i radar ad apertura sintetica (SAR), sono stati utilizzati come input ad un modello ghiaccio-oceano-atmosfera che, opportunamente validato, fosse in grado di fare proiezioni, con incertezze ridotte, circa la natura ed il rate dei futuri cambiamenti della copertura di ghiaccio marino, della struttura dell’oceano e delle temperature e circolazione atmosferica. In parallelo, un modello di ecosistema ha avuto il medesimo ruolo per le risorse della vita marina. L’IREA ha contribuito ad ICE-ARC con lo sviluppo di una metodologia di inversione di immagini SAR della marginal ice zone per la stima dello spessore di ghiaccio frazil e pancake.

Attività: Modellistica di estrazione di parametri bio-geofisici

ALGORITMO FUZZY DI MAPPATURA DELLE AREE BRUCIATE

IREA-CNR ha sviluppato un algoritmo di mappatura delle aree bruciate basato sulla teoria degli insiemi fuzzy e su indici di vegetazione (Stroppiana et al., 2012). L’algoritmo è stato sviluppato specificatamente per le regioni mediterranee e testato per le immagini satellitari Landsat TM/ETM+ (approccio uni-temporale). I test di accuratezza hanno dimostrato che l’algoritmo propostoè in grado di individuare i perimetri delle aree bruciate con errori di commissione ed omissione inferiori a 21% e 3%, rispettivamente. La figura a lato rappresenta la mappa delle aree bruciate per un’area di studio in Grecia (TM RGB-543, path/row 183/033, 03 luglio 2007) dove i colori rappresentano l’accuratezza (arancione=bruciato corretto, bianco=non bruciato corretto, verde=commissione, blu=omissione).

Sebbene le immagini acquisite dai sensori satellitari ottici forniscano dati per una mappatura affidabile e consistente delle aree percorse dal fuoco, la presenza di nuvole potrebbe limitare la frequenza di osservazione della superficie. In tale contesto, i sensori satellitari radar rappresentano un’importante fonte di dati complementari a quelli acquisiti dai sensori di tipo ottico. In particolare, il Radar ad Apertura Sintetica (SAR) è un sensore attivo dotato di un sistema trasmittente che emette un segnale elettromagnetico alla frequenza delle microonde, e di un sistema ricevente in grado di misurare il segnale retrodiffuso dalla superficie terrestre. La caratteristica rilevante di tali sensori è quella di garantire un’osservazione della Terra in qualunque condizione climatica e sia di giorno che di notte, garantendo in tal modo un monitoraggio in continuo delle aree bruciate e, più in generale, delle risorse naturali.

INTEGRAZIONE DEI DATI SAR NELL’ALGORITMO FUZZY

Per sfruttare i vantaggi offerti dai sensori radar, IREA-CNR, con la collaborazione del Forest Research Centre, Università di Lisbona, sta testando la possibilità di integrare i dati SAR nell’algoritmo fuzzy di mappatura delle aree bruciate (Azar et al., 2013). A questo scopo, sono stati utilizzati dati Landsat TM e dati SAR ENVISAT (progetto cat-1 nr. 11779) acquisiti su due aree di studio in Portogallo interessate, nel 2003, da incendi di elevata intensità.

La figura presenta, per entrambe le aree di studio, le mappe di differenza di σ° (Δσ°post-pre) ottenute elaborando due immagini ENVISAT acquisite prima (maggio) e dopo (ottobre) la stagione degli incendi forestali. Le mappe mostrano una buona corrispondenza tra le aree dove Ds° è positivo (incremento del segnale retrodiffuso dalla scena osservata a seguito del passaggio del fuoco) ed i poligoni di riferimento estratti dal Fire Atlas of Portugal (Pereira, J.M.C. and Santos, M.T.N., 2003, Fire Risk and Burned Area Mapping in Portugal. Direcção-Geral das Florestas, Lisboa) (vettori in rosso).

Tali risultati sono stati successivamente utilizzati per derivare le statistiche dei valori di Δσ° per superfici bruciate e non, in particolare vegetazione, suolo, acqua e aree urbane (pixel campione estratti tramite fotointepretazione), che sono alla base della definizione delle funzioni fuzzy per l’integrazione nell’algoritmo sviluppato da IREA-CNR.

Il boxplot a lato conferma che per le aree bruciate Δσ° è positivo a causa dell’aumento del backscattering dovuto all’effetto del fuoco sulla vegetazione. Le aree non bruciate, al contrario, mostrano valori mediamente prossimi a zero (valore di σ° stabile nel tempo) sebbene le aree urbane e l’acqua siano caratterizzate da Δσ° con una mediana leggermente al di sopra di zero. Queste analisi statistiche sono preliminari alla definizione delle funzioni fuzzy per Δσ° (on-going).

Questa ricerca è finalizzata a sviluppare un algoritmo robusto ed affidabile per la mappatura delle aree bruciate, basato sulla integrazione di dati satellitari ottici e SAR, che possa contribuire alla valutazione e alla mitigazione del rischio associato agli incendi. La metodologia, testata sulle caratteristiche dei sistemi di telerilevamento attualmente in uso, pone le fondamenta per lo sfruttamento dei dati acquisiti dai satelliti Sentinel 1 e Sentinel 2, che verranno a breve messi a disposizione dall’ESA.