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Ciao e benvenuti a questa lezione sulla natura sui metodi di monitoraggio della biodiversità e introduzione. Includeremo anche le basi del telerilevamento. Il mio nome è Mana hm e sono un professore assistente presso il Gruppo Tecnologie Geospaziali dell'Università di Grat. Il contenuto di questa lezione sarà: prima esamineremo i diversi metodi di monitoraggio esistenti. Daremo un'occhiata al telerilevamento in situ e alle differenze e ai co-benefici che esistono. Poi approfondiremo un po' le basi del telerilevamento. Esamineremo la radiazione elettromagnetica, lo spettro, le diverse proprietà di radiazione. Esamineremo le finestre atmosferiche che utilizziamo nel telerilevamento e poi vi darò alcuni esempi di immagini satellitari. Esamineremo anche i diversi sensori, come i sensori attivi e passivi che esistono, e infine esamineremo il concetto di variabili essenziali di biodiversità che possiamo misurare in parte con il telerilevamento e anche con dati in situ.
Ora diamo prima un'occhiata alla differenziazione di base: cosa intendiamo quando parliamo di in situ e quando parliamo di monitoraggio con telerilevamento. Il monitoraggio in situ significa che c'è un monitoraggio sul posto, quindi la misurazione viene effettuata direttamente sul sito dell'elemento misurato. Ad esempio, se si vuole misurare un albero e si vuole sapere quanti anni ha l'albero, si può praticare un foro nell'albero, questo è un carotaggio dell'albero, oppure se si utilizza un sensore di temperatura, lo si fa direttamente sull'elemento, sulla sostanza misurata.
Il telerilevamento, al contrario, è una misurazione senza contatto con l'elemento misurato, quindi viene misurato a distanza attraverso l'uso della radiazione elettromagnetica. Entrambi questi metodi di monitoraggio hanno meriti e svantaggi, ma fondamentalmente, se vogliamo monitorare la nostra natura e anche la nostra area protetta, abbiamo bisogno di entrambi. Quindi c'è poco dubbio su ciò che viene misurato in situ. Quindi, se fossi sul posto e qui vi do un esempio, se mettete un sensore di temperatura in un pozzo e raccogliete il valore di temperatura, è abbastanza chiaro che state facendo monitoraggio in situ. Se avete un sensore di temperatura, un data logger con trasmissione via Internet, che viene misurato nello stesso pozzo, ad esempio, è ancora una misurazione in situ. Quindi, per chiarire, i dati vengono raccolti magari a distanza, quindi vengono trasmessi al vostro ufficio, così potete comodamente sedervi nel vostro ufficio, ma la misurazione viene ancora effettuata in situ.
Al contrario, il telerilevamento significa che la misurazione e il sensore non sono in contatto diretto con l'elemento misurato. Quindi, ad esempio, in questo esempio che vi ho dato con la temperatura dell'acqua, se si utilizzasse un satellite con un sensore di temperatura per raccogliere il valore di temperatura di un fiume dal satellite, ad esempio, quello sarebbe telerilevamento.
Ora alcuni termini aggiuntivi che vengono utilizzati in questo campo e che voglio chiarire prima di proseguire. Il telerilevamento può essere definito come la misurazione di un oggetto o di un fenomeno e delle loro proprietà sulle superfici della Terra o di altri pianeti senza stabilire un contatto fisico con gli oggetti, ciò che abbiamo appena detto, ad esempio con la temperatura di un fiume. Quindi, invece di questo contatto fisico, la raccolta dati si basa su un segnale propagato di qualche tipo, ad esempio radiazione ottica, a microonde, acustica, e questo viene poi utilizzato per valutare le proprietà della superficie o di un oggetto.
Quando parliamo di osservazione della Terra, non è esattamente la stessa cosa, perché l'osservazione della Terra è il telerilevamento della Terra, inclusa la sua superficie e atmosfera. Quindi, fondamentalmente, si può fare telerilevamento su Marte, ma non si può fare osservazione della Terra su Marte, giusto per essere chiari. E quando parliamo di telerilevamento o anche di osservazione della Terra, possiamo utilizzare diverse piattaforme, come potete vedere qui a lato. Le piattaforme possono essere tralicci, droni, aerei o satelliti. L'osservazione della Terra basata su satellite è un'attività spaziale molto importante e risale a molto tempo fa. Già nel 1959, i militari statunitensi utilizzavano satelliti spia per scattare foto sull'URSS per informazioni di intelligence. E questo programma, stranamente, si chiamava programma Corona. Oggi possiamo anche utilizzare questi dati, se si vuole, per conoscere meglio la situazione storica.
Cosa possiamo fare con il telerilevamento? Cosa possiamo fare con il monitoraggio in situ? Ho provato a metterlo su questo triangolo qui, e quando lo vediamo, abbiamo come tre dimensioni. La prima dimensione è l'accuratezza e il dettaglio delle valutazioni, da basso ad alto. La seconda dimensione è la copertura, quindi quanta area possiamo coprire con il metodo. E la terza dimensione sono i costi, che possono anche essere considerati come dipendenti dal tempo, ma è anche una dimensione importante.
Quindi, quando guardiamo al monitoraggio in situ, possiamo ottenere un dettaglio tematico molto, molto alto, alta accuratezza, se siamo lì, se guardiamo quali specie ci sono, quale dimensione, quale è il diametro degli alberi, quali licheni ci sono, eccetera. Ma ovviamente, se dobbiamo andare in un certo posto e dobbiamo vedere tutto questo e misurare tutti questi dettagli, abbiamo solo una bassa copertura, quindi non possiamo misurare centinaia di ettari con questo tipo di valutazioni dettagliate. Quindi abbiamo una bassa copertura e i costi, ovviamente, abbiamo bisogno di persone che vadano lì, abbiamo bisogno di trasporti, a volte, specialmente in aree montuose, questo richiede molto tempo, quindi i costi sono solitamente piuttosto alti per le valutazioni in situ.
In termini di telerilevamento, ci sono ovviamente diversi sistemi. Ho detto prima che abbiamo sistemi aerei, quindi da un aereo, e abbiamo valutazioni basate su satellite, a seconda della piattaforma su cui si trova il sensore, e anche questo influenza la posizione in questo triangolo. Quindi, lasciatemi dare due esempi. Un'analisi basata su satellite, una classificazione di immagini basata su satellite, se si vuole, si trova in questa parte inferiore di questo triangolo. Quindi abbiamo costi abbastanza buoni, i costi sono relativamente bassi, molti dei dati di telerilevamento sono ora disponibili gratuitamente, quindi è solo il costo dell'analisi, ed è un'opzione abbastanza economica. Ovviamente, non possiamo avere la stessa accuratezza e lo stesso livello di dettaglio tematico come con l'in situ, quindi siamo qui in un intervallo più medio, direi. Ma possiamo coprire vaste aree perché abbiamo queste immagini che coprono tutta la Terra, quindi possiamo avere una copertura molto, molto buona. Questa è la base.
Se guardiamo al telerilevamento aereo, ad esempio utilizzando sistemi Lidar, ne parleremo un po' più avanti, ma solo per darvi un'idea. Ovviamente, un aereo non può coprire tutto il globo, è chiaro, quindi devi concentrarti su aree specifiche. Puoi coprire una regione, un parco nazionale, forse un intero paese. Quindi la copertura è da qualche parte nel mezzo tra quella basata su satellite e quella in situ, ma puoi ottenere più dettagli qui, puoi ottenere di più, specialmente con la scansione laser o Lidar, puoi ottenere molto più dettaglio di quello che ricavi dai dati basati su satellite, ma anche i costi sono più alti. Devi noleggiare un aereo, devi avere un sensore adeguato a bordo, eccetera.
Quindi, fondamentalmente, per riassumere, con il telerilevamento possiamo monitorare aree più grandi, da parete a parete, possiamo fare aggiornamenti più frequenti, ma possiamo farlo solo per variabili selezionate e specifiche. Al contrario, il monitoraggio in situ consente valutazioni più dettagliate ma basate su campioni, sul terreno, ed è molto più dispendioso in termini di tempo per ottenerle.
Lasciatemi dare un esempio di cosa può essere misurato con quale metodo. Usiamo il monitoraggio forestale come esempio. Se consideriamo gli inventari forestali nazionali tipici, che potreste conoscere o meno, si basano su campioni sul campo. Queste sono ovviamente misurazioni in situ, quindi andate sul campo e misurate una certa area di foresta. Tipicamente, queste aree vengono misurate approssimativamente ogni 10 anni. Potete misurare parametri molto dettagliati, potete persino misurare indicatori sotto la chioma, come diametri di alberi molto piccoli, potreste valutare le specie di licheni disponibili lì, potete guardare il legno morto, valutare lo stadio di decomposizione, tutte queste cose. Quindi i dati che potete ottenere sono molto, molto accurati, ed è anche accurato se lo fate per un intero paese con molti campioni, è statisticamente accurato per l'intero paese, ma ovviamente non è corretto per le valutazioni regionali. Inoltre, quando lo fate ogni 10 anni, non potete facilmente cogliere aggiornamenti rapidi. Ad esempio, se c'è stata una tempesta, l'anno dopo fate la valutazione in quell'area, non sareste in grado di rilevarla fino a circa 9 anni dopo, quando tornate in quell'area.
D'altra parte, il telerilevamento può essere utilizzato per fornire misurazioni da parete a parete. Da parete a parete significa che si ottiene un'informazione per ogni punto dell'area coperta dall'immagine o dai dati, e con i nuovi satelliti Sentinel 2, ad esempio, possiamo ottenere informazioni quasi in tempo reale. Quindi, ogni volta che il satellite fornisce un'immagine, possiamo generare le informazioni da quell'immagine e otteniamo cambiamenti relativamente rapidamente. Possiamo ottenere aggiornamenti sulla vitalità e cose del genere. Possiamo anche fare valutazioni regionali perché abbiamo queste informazioni da parete a parete, e in questo modo possiamo sapere cosa sta succedendo, dove, e in modo più rapido aggiornare i cambiamenti.
Tuttavia, d'altra parte, sappiamo che i parametri non possono essere dedotti, o molti parametri non possono essere dedotti direttamente ma indirettamente dalla riflettanza spettrale, di cui parleremo più avanti, e quindi non possiamo considerare tutti i parametri. Quindi, a volte possiamo solo vedere la chioma, non possiamo vedere sotto la chioma. Dipende ovviamente dal sistema di telerilevamento, ma tipicamente non possiamo dedurre tanti parametri, così accurati e così dettagliati come con la mappatura in situ.
Quindi, qual è il punto cruciale di questo? Se combiniamo questi due metodi, allora ovviamente possiamo ridurre le carenze degli approcci individuali.
Ora entriamo nelle basi del telerilevamento. Prima di entrare nelle questioni tecnologiche, voglio darvi un po' di storia. Il telerilevamento è stato utilizzato per la prima volta per l'intelligence militare, come molte altre tecnologie. La prima immagine aerea è stata scattata da un campo di battaglia vicino a Sarino ed è stata scattata da un pallone da un francese di nome Gaspard Félix Tournachon, che era anche chiamato Nadar, ed era nel 1859. Quello fu il primo, l'inizio del telerilevamento.
Se vogliamo dire che il pallone era un'opzione per ottenere dati, ovviamente ci sono molte più piattaforme da cui possiamo derivare dati senza toccare l'elemento che vogliamo misurare. Ho preparato qui una tabella che dovrebbe aiutarvi a classificare correttamente i dati di telerilevamento. Classifichiamo nelle colonne secondo le piattaforme di osservazione e nelle righe secondo il tipo di sensore. Parleremo anche dei tipi di sensori un po' più avanti.
Quindi, le piattaforme di osservazione che vediamo tipicamente, e questo ora viene dall'alto, dal satellite, all'aereo, ai droni o UAV, e poi a tralicci, veicoli, maschere, tutte queste cose che possiamo anche considerare come telerilevamento perché anche loro non hanno contatto fisico con l'elemento da misurare. Poi abbiamo fondamentalmente due tipi di sensori: sensori passivi e sensori attivi. Tornerò su questo un po' più avanti.
Quindi, sui sensori passivi, possiamo avere sistemi ottici sui satelliti. Esempi sono i sistemi satellitari V, i Sentinel 2, o i MODIS, ad esempio. Sull'aereo abbiamo tipiche immagini aeree che probabilmente conoscete anche da Google Earth, ad esempio, ma potrebbero anche essere scanner lineari che coprono altri parametri, come scanner termici che potreste aver visto anche sui droni. I dati dai droni sono simili alle immagini aeree, ma tipicamente l'area coperta è più piccola e la risoluzione è più alta a causa della minore altitudine di volo. Su tralicci o treppiedi, le torri di flusso di carbonio sono un esempio di sensori passivi in questo intervallo.
I sistemi attivi sono, ad esempio, satelliti radar come Sentinel 1 o ALOS PALSAR. Sulla piattaforma aerea, è tipicamente la scansione laser aerea, chiamata anche Lidar (Light Detection and Ranging). Lidar può anche essere utilizzato su droni o veicoli, o si possono menzionare scansioni laser terrestri tipiche o misurazioni terrestri per l'ultima categoria.
Cos'è questo? Tipi di sensori attivi e passivi. Fondamentalmente, la differenza è la fonte di radiazione utilizzata per derivare i dati. L'immagine dei dati di rilevamento, se si vuole, la fonte principale è il Sole. Quindi, per i sistemi passivi, come il telerilevamento ottico, è come scattare una foto. Quindi, se c'è il Sole che illumina o qualsiasi altra fonte di illuminazione che illumina la superficie terrestre, allora il sensore rileva la riflettanza, come viene mostrato nella diapositiva, e questa riflettanza viene poi misurata dal sensore e i dati vengono derivati. Può anche essere un'altra fonte, come, ad esempio, se si considera un sensore termico, il calore irradiato da un oggetto sulla Terra o dalla Terra stessa. Vi do un esempio: se ci sono incendi boschivi, allora il fuoco emette calore e un sensore termico può rilevare questo calore. Quindi questo funzionerebbe anche di notte, ovviamente, perché la radiazione proviene dal fuoco e non dal Sole. Quindi, le immagini notturne sono anche qualcosa che è un sistema passivo.
Se è un sistema attivo, e questo è mostrato qui a destra, significa che il sensore stesso emette la radiazione e poi rileva la riflessione. Esempi sono sistemi radar o Lidar.
Abbiamo già sentito un po' parlare di riflettanza spettrale e radiazione. Ora facciamo un passo indietro e consideriamo cosa intendiamo con ciò. La radiazione elettromagnetica si forma attraverso la trasformazione di fonti di energia. Ad esempio, per il Sole è energia nucleare che viene trasformata, per una candela è energia chimica. Quando questa trasformazione viene fatta, la velocità di propagazione nel vuoto è costante, quindi alla velocità della luce. Quindi la radiazione spettrale nel vuoto viaggia alla velocità della luce. Nella materia, ad esempio nell'atmosfera, questa è ridotta. Ci sono diversi tipi di radiazione elettromagnetica: possono essere radiazioni di calore, radiazioni luminose, ma anche raggi X, microonde, onde radio, eccetera.
Come avviene questa propagazione? La radiazione elettromagnetica si propaga come un'onda di campi elettrici o magnetici. Questi campi sono perpendicolari l'uno all'altro e alla direzione di propagazione. Ci sono oscillazioni delle onde che sono cambiamenti continui nel campo elettrico e magnetico, e possiamo definirlo con la funzione seno in questa figura che potete vedere qui. È mostrato come appaiono queste onde, e quando si misura la distanza da un apice al successivo, questa distanza è chiamata lunghezza d'onda.
Come ho già detto, la lunghezza d'onda è la distanza tra due punti identici sulla cresta dell'onda. La frequenza è il numero di onde che passano un dato punto in 1 secondo. Poi si può calcolare la velocità dell'onda basandosi su quelle figure, e sapete che alla velocità della luce nel vuoto si può calcolare la velocità dell'onda. L'ampiezza è l'intensità della radiazione, quindi è la distanza dall'asse alla cresta, qui indicata con U.
Ci sono lunghezze d'onda molto diverse disponibili. Lo spettro elettromagnetico è composto da molti spettri diversi, diverse lunghezze d'onda, e qui ci sono alcune lunghezze d'onda importanti per il telerilevamento, da lunghezze d'onda piccole a lunghezze d'onda più grandi. E potete vedere qui la luce ultravioletta, ad esempio, ha una lunghezza d'onda inferiore a 0,4 micrometri. Il blu, la luce visibile, quindi la luce che possiamo vedere con i nostri occhi, è la parte blu, verde e rossa dello spettro, che ha circa 0,4-0,7 micrometri. Nella colonna di destra, potete vedere l'intervallo di frequenza, quindi ovviamente, minore è la lunghezza d'onda, maggiore è la frequenza, perché, come abbiamo visto prima, una piccola lunghezza d'onda può passare nello stesso tempo più spesso di un'onda grande.
Oltre all'ultravioletto e alla luce visibile, che sono importanti per il telerilevamento, ci sono il vicino infrarosso, il medio infrarosso, l'infrarosso termico e lontano, e anche le microonde, per esempio. E qui, con le microonde, ad esempio, siamo già in un intervallo di centimetri e non più di micrometri.
Ora diamo un'occhiata allo stesso spettro elettromagnetico, ma in un sistema leggermente diverso. Possiamo ancora vedere la lunghezza d'onda sull'asse x, che potete vedere qui. Vedete la luce ultravioletta nella riga superiore, con circa 0,4 micrometri, quindi 0,3-0,4. Poi vediamo l'intervallo visibile, vediamo l'infrarosso, e poi continua.
Quello che possiamo anche vedere qui in questa parte superiore è l'energia solare, che ha circa 6000 K, e quello che possiamo vedere è che il massimo dell'energia solare è nell'intervallo della luce visibile. Quindi, logicamente, è che possiamo vedere questa luce perché quella è il massimo del Sole come nostra principale fonte di radiazione. Quindi, nell'evoluzione, i nostri occhi e anche gli occhi degli animali si sono adattati a questa fonte di energia solare, e c'è il massimo. Quindi ci siamo adattati, il nostro sistema visivo si è sviluppato in modo da vedere correttamente queste parti dello spettro.
Quello che possiamo anche vedere è l'energia terrestre. È qui sul lato destro. Questa è molto più bassa e ha un massimo nell'intervallo termico. Quello che possiamo vedere qui nella parte centrale è la trasmittanza atmosferica. La trasmittanza atmosferica significa che la nostra atmosfera non è simile per tutte le lunghezze d'onda. Quindi, a seconda che la radiazione venga riflessa, assorbita, diffusa da diverse particelle nell'atmosfera, significa che non tutta la radiazione può attraversare l'atmosfera allo stesso modo. E qui possiamo vedere che molta energia viene assorbita e trattenuta nell'atmosfera, e questo è mostrato come le parti grigie qui. Le parti bianche sono le parti in cui l'atmosfera è abbastanza aperta per far passare la radiazione. Queste sono poi chiamate anche finestre atmosferiche. Ne sentiremo parlare più tardi. In basso, possiamo vedere alcuni dei comuni sistemi di telerilevamento e anche l'occhio umano per confronto. Vediamo in questo intervallo visibile la fotografia, la fotografia tipica è anche in questo intervallo fisico, in questo intervallo visibile, e anche nel vicino infrarosso. Gli scanner termici sono ovviamente nell'intervallo termico, e gli scanner ottici tipici coprono l'intervallo tra l'ultravioletto e le parti termiche.
Come detto prima, ci sono diverse parti dello spettro che provengono dal Sole e diverse parti che possono attraversare l'atmosfera. Ora, se avessimo un corpo nero idealizzato che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che gli cade sopra, apparirebbe come questa area giallastra con una linea tratteggiata che possiamo vedere qui. Ciò significa che assorbirebbe un massimo nella parte della luce visibile, e poi con una parte ridotta, la luce solare extraterrestre, che è qui menzionata in questo grafico arancione, è ciò che viene diffuso durante il viaggio dal Sole a un livello sull'aria, chiamato air mass zero, alla cima dell'atmosfera. E poi, quello che vediamo nel successivo, che è colorato e in nero, è la luce solare terrestre, cioè ciò che attraversa l'atmosfera verso il terreno, verso la nostra Terra. E qui possiamo di nuovo vedere che gran parte della radiazione viene assorbita, viene diffusa nell'atmosfera, e solo una parte passa, e possiamo anche vedere che è molto diversa nelle diverse lunghezze d'onda.
Ora diamo un'occhiata ad alcune delle definizioni che ho già usato. Cos'è l'assorbimento? È l'assorbimento di energia dalla radiazione elettromagnetica da parte di una superficie, che viene trasformata in un'altra forma di energia, ad esempio luce visibile in calore. Quando indossi una maglietta nera ed sei esposto al sole, ti scaldi di più che se indossassi una bianca, per esempio.
Lo scattering è la deviazione della luce dalla traiettoria rettilinea quando interagisce con un mezzo contenente particelle come polvere o al confine tra diversi mezzi. Le lunghezze d'onda vengono diffuse in modo diverso a seconda della composizione dell'atmosfera. Quindi, quando c'è più vapore acqueo nell'atmosfera, la luce viene diffusa in modo diverso rispetto a quando ce n'è meno, per esempio. E potete capirlo ricordando che quest'anno abbiamo avuto questa sabbia del Sahara in Europa, allora la luce è stata diffusa in modo molto diverso e abbiamo avuto questo colore del cielo arancione-giallastro, che non è tipico delle nostre aree.
Abbiamo sentito che la radiazione o lo scattering dell'atmosfera dipende dalla composizione dell'atmosfera, dal mezzo attraverso cui la radiazione deve viaggiare. Quindi ci sono diversi tipi di scattering che conosciamo, e dipendono dalla composizione, dalla dimensione delle particelle nella materia nell'atmosfera. Ad esempio, lo scattering di Rayleigh si verifica quando il diametro della particella è molto più piccolo della lunghezza d'onda della specifica radiazione. Lo scattering di Mie è chiamato scattering di Mie quando le particelle hanno circa la stessa dimensione. Ciò significa che se c'è materia tipica nell'atmosfera, ha dimensioni tipiche delle particelle, e quindi una specifica lunghezza d'onda può viaggiare più o meno indisturbata, mentre un'altra lunghezza d'onda viene diffusa molto ampiamente. C'è anche uno scattering diffuso, ad esempio da vapore acqueo, che non è così chiaro come per gli altri scattering.
Quando guardiamo questa immagine di un opale di latte, diventa abbastanza chiaro come funziona. Questa pietra è piuttosto particolare. Diffonde tutta la luce blu che le cade sopra, e nella luce che passa, la luce appare arancione perché tutto il blu è diffuso. È così che potete considerare anche l'atmosfera. Una parte della luce viene diffusa, una parte passa, ed è anche per questo che, ad esempio, la luce blu della luce viene diffusa nella nostra atmosfera molto fortemente, molto più forte di altre lunghezze d'onda, ed è per questo che ai nostri occhi il cielo appare blu. Quando c'è più vapore acqueo nell'atmosfera, come nelle nuvole, lo scattering avviene a lunghezze d'onda diverse, e se tutto viene diffuso più o meno allo stesso modo, il cielo appare bianco, per esempio.
Ci sono altri due termini importanti che voglio portare alla vostra attenzione in termini di radiazione e comprensione delle proprietà di radiazione. Il primo è l'estinzione. L'estinzione è la somma dell'assorbimento e dello scattering. Ovviamente, dipende dalla composizione atmosferica, come abbiamo visto prima, dalla composizione dell'atmosfera in termini di particelle e anche dalle caratteristiche della superficie e dalle lunghezze d'onda in questione.
La riflessione è abbastanza, immagino che sappiate cos'è una riflessione, quando considerate uno specchio come una riflessione di voi stessi. In altre parole, è un cambiamento nella direzione di propagazione di un'onda. Quindi, ogni volta che un'onda colpisce una superficie, viene riflessa. Potrebbe essere riflessa così, o potrebbe essere riflessa direttamente alla sorgente. E in questo modo, se considerate l'atmosfera e le particelle nell'atmosfera dove un'onda colpisce la particella, viene anche diffusa in direzioni diverse. Quindi lo scattering può anche essere visto come un tipo di riflessione, come una riflessione non direzionale o diffusa.
Ora, se vogliamo vedere il bilancio globale della radiazione, questo è quello che abbiamo come quadro generale. Quindi c'è la radiazione solare in arrivo, che è mostrata qui da questa ampia freccia. Poi ci sono alcune parti, come abbiamo visto prima, che vengono riflesse dalle nuvole e nell'atmosfera, che vengono riflesse di nuovo nello spazio. Parte viene assorbita dall'atmosfera, questo è quello che chiamiamo anche quello che riscalda la nostra atmosfera, per esempio. Poi c'è una parte non trascurabile che viene assorbita dalla superficie terrestre, e poi ovviamente c'è anche una parte che viene riflessa dalla superficie.
In termini di radiazione in uscita, abbiamo la radiazione di onda lunga in uscita, che è la temperatura, il calore, l'energia termica. E quello che possiamo vedere qui in questa parte è l'effetto serra, se si vuole dirlo così. Abbiamo la radiazione superficiale che viene riflessa dall'atmosfera verso il basso, e più gas serra abbiamo nell'atmosfera, più di questa radiazione discendente viene intrappolata nell'atmosfera, diciamo, ed è questo che causa anche il nostro attuale cambiamento climatico, il nostro attuale riscaldamento globale.
Tornando un po' alle finestre atmosferiche, ho menzionato il termine prima. Quindi abbiamo, come abbiamo visto prima, alcune parti dello spettro che vengono diffuse nell'atmosfera, vengono riflesse dall'atmosfera, e una parte passa alla superficie terrestre. E dove, in queste lunghezze d'onda, la luce solare può attraversare l'atmosfera fino alla Terra, sono chiamate finestre atmosferiche. E potete vedere che l'intervallo della luce visibile, quindi circa 0,4-0,8 micrometri di lunghezza d'onda, che è mostrato qui con colori arcobaleno, potete vedere che qui abbiamo una finestra atmosferica abbastanza buona, quindi quasi nessuna parte viene diffusa o persa nell'atmosfera. Ci sono altre lunghezze d'onda, ad esempio qui intorno a 100 micrometri di lunghezza d'onda, che viene quasi completamente assorbita dall'atmosfera, quindi non riceviamo alcuna di questa radiazione attraverso l'atmosfera fino alla Terra o di nuovo al sensore.
I nostri sensori che utilizziamo per l'osservazione della Terra e per il telerilevamento utilizzano anche queste finestre atmosferiche. E quello che possiamo vedere qui sono alcuni dei sensori ottici che utilizziamo tipicamente nel telerilevamento e per il monitoraggio. Questo è un vecchio sensore Landsat 7 ETM+, il Landsat 8, o anche il Sentinel 2, che è un sensore dell'Agenzia Spaziale Europea. Lo chiamano sensore multispettrale. E quello che possiamo vedere qui sull'asse x è di nuovo la lunghezza d'onda, sull'asse y è la trasmissione atmosferica. Quindi, di nuovo, possiamo vedere queste finestre in grigio, questa volta, quindi ovunque ci sia una grande area grigia, queste sono le aree in cui l'atmosfera lascia passare queste lunghezze d'onda.
Come esempio, possiamo vedere qui nella luce visibile, per il blu, la banda 2 del Sentinel 2 è la luce blu, 3 il verde, e 4 il rosso. Quindi abbiamo questi tipi di bande nell'intervallo visibile qui. Poi abbiamo 5, 6 e 7 che sono bande red-edge. Poi abbiamo la banda 8, che è una banda nel vicino infrarosso, e poi abbiamo la 8a, anche una banda nel vicino infrarosso, ma con una risoluzione geometrica più piccola. Torneremo su questo più tardi. E poi abbiamo altre bande nel vicino infrarosso a onde corte, come le bande 11 e 12. Quindi tutte queste bande sono in queste finestre atmosferiche.
Ora vi chiederete perché abbiamo, ad esempio, le bande 1, 9 e 10 del Sentinel 2, che si trovano esattamente dove non ci sono finestre. Il motivo è che queste bande sono specificamente destinate all'osservazione dell'atmosfera. Quindi queste sono bande che non sono destinate ad attraversare l'atmosfera, ma sono destinate a vedere dove sono le nuvole, dove c'è influenza atmosferica sui dati. Ecco perché queste bande non guardano, non sono situate nelle finestre, ma d'altra parte, in quelle aree dove proviene la maggior parte della riflessione dall'atmosfera. Quindi possiamo dedurre alcune informazioni sul comportamento delle nuvole e cose del genere.
Ora vediamo come funziona nella realtà. Questo è un esempio di sensore passivo. La nostra fonte di energia è il Sole, e la luce solare viaggia attraverso l'atmosfera. Quindi proviene dal Sole, raggiunge la nostra atmosfera, e parte di questa radiazione viene diffusa qui. Questo è il punto uno. Parte della radiazione raggiunge il nostro bersaglio, il bersaglio che vogliamo osservare con il nostro sensore. Poi c'è, ovviamente, da questa luce diffusa dall'atmosfera, qui sotto uno, anche parte di questa luce diffusa raggiunge indirettamente anche il nostro bersaglio. Parte della radiazione raggiunge un bersaglio circostante e viene riflessa lì. E parte della luce diffusa raggiunge anche un bersaglio circostante, a parte la luce diretta sul bersaglio, otteniamo anche questa luce che viene riflessa da un bersaglio circostante verso il nostro bersaglio. Quindi abbiamo una sorta di luce indiretta anche qui.
Quindi abbiamo la luce del Sole diretto, abbiamo la luce dell'atmosfera diffusa, e abbiamo riflessioni dai dintorni. Poi anche il nostro bersaglio emette una certa radiazione che può essere riflessa nell'atmosfera. Quindi anche questo torna sul nostro bersaglio, e poi quello che viene riflesso dal bersaglio, per così dire, quello che raggiunge il sensore dal bersaglio, è un misto della riflessione diretta dal Sole al sensore attraverso il bersaglio, la luce diffusa dall'atmosfera che ha raggiunto il bersaglio, la luce che è stata riflessa dai dintorni che ha raggiunto il bersaglio, e poi anche la riflessione dal bersaglio di nuovo attraverso l'atmosfera.
Quindi questa combinazione qui, e anche di questa parte, è ovviamente quando la radiazione viaggia di nuovo attraverso l'atmosfera verso il sensore, abbiamo di nuovo effetti di scattering. Quindi quello che raggiunge il sensore è una parte qui, e poi quello che raggiunge anche il sensore è la parte che proviene dai dintorni e la parte che proviene dallo scattering dell'atmosfera. Quindi è importante che se osserviamo qualcosa su un bersaglio, non è solo il bersaglio stesso, ma è una combinazione di parametri che dobbiamo tenere in considerazione quando vediamo i nostri dati di telerilevamento, che non è semplicemente il bersaglio stesso, ma è una combinazione di diversi effetti.
Questa diapositiva qui è fondamentalmente la stessa che ho appena spiegato, quindi non andrò nei dettagli di nuovo. Potete leggerla o anche tornare al riferimento che ho dato prima, in modo da poterla leggere più in dettaglio se necessario.
Vediamo un altro esempio, specialmente considerando la vegetazione. Abbiamo già discusso perché il cielo è blu. Ora diamo un'occhiata perché la vegetazione è verde. Sappiamo che la riflettanza dipende dalle caratteristiche fisiche e chimiche, dalla composizione, dall'umidità e anche dalla rugosità, per esempio, e dalla lunghezza d'onda.
Quindi, quando pensiamo perché la nostra vegetazione fotosinteticamente attiva è verde, è relativamente semplice. Abbiamo queste cellule fotosintetiche nella pianta, e queste cellule fotosintetiche usano la radiazione in arrivo per l'energia, per ottenere energia per costruire zuccheri, per costruire carboidrati dall'energia solare. Ma la luce verde viene riflessa in larga misura e non assorbita da queste cellule. Ecco perché la vegetazione che sta attivamente facendo fotosintesi appare verde ai nostri occhi e anche ai nostri sensori.
Se questa parte fotosintetica, ad esempio, quando le foglie degli alberi di cedro, le foglie cambiano colore in autunno, allora questo sistema fotosintetico si ferma, e poi non viene più assorbito, ma anche queste altre parti vengono riflesse, e poi il colore delle foglie diventa rosso, giallo, marrone. E questa è la ragione per cui abbiamo diversi tipi di riflettanze, come abbiamo già visto prima, quando abbiamo discusso dello scattering dell'atmosfera.
Quindi, solo per darvi alcune informazioni di base, c'è uno scattering direzionale, questo è come una riflessione speculare, dove l'angolo di incidenza è uguale all'angolo di uscita. Questo è un tipo di scattering in avanti, ed è una riflessione diffusa, e a seconda della rugosità della superficie, può essere diverso. E ovviamente, questo fa la differenza per il sensore, se il sensore è basato qui, riceve un'informazione diversa rispetto alla sorgente luminosa, rispetto a se è posizionato qui.
Ora diamo un'occhiata a diverse superfici e alle loro riflettanze. Ad esempio, se guardiamo le riflessioni dell'acqua nelle diverse bande. Abbiamo già visto questa figura. Abbiamo visto qui la lunghezza d'onda sull'asse x, la trasmissione sull'asse y, e qui abbiamo le diverse bande, diversi sensori. Questo è il sensore ASA, non il Sentinel, per esempio, ma non importa. Fondamentalmente, abbiamo ancora le bande visibili e la banda nel vicino infrarosso, e quello che possiamo vedere qui è che l'acqua generalmente ha basse riflettanze, quindi otteniamo pochissima riflettanza dall'acqua, con un picco nella luce visibile, ma è molto bassa, e in tutte le altre bande.
Per la vegetazione, abbiamo una riflettanza molto piccola nella banda blu, poi abbiamo una riflettanza più alta nella banda verde. Abbiamo appena sentito che la vegetazione fotosinteticamente attiva riflette la banda verde più delle altre, ed è per questo che appare verde. Quindi abbiamo un picco qui, e poi scende di nuovo, e poi nel vicino infrarosso sale di nuovo. Quindi abbiamo un altro picco nella parte del vicino infrarosso per la vegetazione fotosinteticamente attiva. Poi scende di nuovo, e abbiamo un altro picco in una banda a onde corte e nelle seconde bande a onde corte, per esempio.
Ora potreste considerare perché questi picchi per la vegetazione fotosintetica sono anche in queste finestre. E potete immaginare che ovviamente non solo i nostri occhi si sono adattati alla situazione con la nostra atmosfera e il nostro Sole, ma anche le piante si sono evolute in termini di evoluzione adattate al sistema, ed è per questo che ci sono anche questi picchi nella vegetazione.
Al contrario, la roccia ha una riflettanza spettrale molto diversa, come potete vedere qui, e la neve ancora di più. Avete riflettanze molto alte, ecco perché la neve appare bianca nelle bande visibili, perché riflette tutte le bande visibili in modo simile.
Ora, tutto questo è stato molto teorico, e ora vogliamo vedere alcuni esempi pratici. Quello che voglio mostrarvi ora è un'immagine satellitare del satellite Sentinel 2, e in questo caso possiamo vedere la banda blu. Quindi questa è solo una banda del satellite, una parte spettrale dello spettro che abbiamo visto prima, ed è così che appare una banda blu in Sentinel 2. Questa ora è la stessa area vista nella banda verde. Quindi, di nuovo, è solo un'immagine in scala di grigi perché stiamo guardando solo in una banda, uno spettro. La banda verde, e la terza banda è la banda rossa. Queste tre bande sono le bande visibili che possiamo anche vedere con i nostri occhi, ma ora sono separate negli spettri individuali. Abbiamo avuto la banda blu, verde e rossa, e ora le mettiamo insieme, e ora vediamo la banda RGB.
Quindi, quello che vediamo ora è la stessa immagine di come la vedremmo se fossimo seduti fondamentalmente su un aereo o su un satellite. Non possiamo vedere così lontano, ovviamente, ma possiamo vederla in modo simile. Ora potreste chiedervi perché le strade sono rossastre e molte aree qui sono in questo colore terra. La ragione è che questa è un'immagine di un'area in Africa, e avrete strade non asfaltate e aree non asfaltate, ed è per questo che appaiono marroni e non come il tipico bianco che avremmo. E questa è una strada asfaltata che potete vedere. Possiamo vedere il verde, la foresta qui. C'è una nuvola in bianco. Ricordando quello che abbiamo appena imparato, la riflettanza in tutte le bande visibili è molto alta, come con la neve, anche con le nuvole, ecco perché appare il colore bianco.
Possiamo vedere un'area che è piuttosto scura, e confrontando quest'area con quest'area qui, potremmo supporre che forse c'è un'area verde, una piccola macchia forestale in queste aree urbane. Anche in bianco appaiono tutti gli edifici, i tetti, e come detto prima. E in questi colori verde chiaro, queste sono aree agricole, e in questo marrone fangoso, sono come terra aperta o aree aperte.
Ora diamo un'occhiata a bande diverse. Quello che possiamo vedere qui, come abbiamo visto prima con la banda blu, rossa e verde, ora abbiamo la banda nel vicino infrarosso. Quindi potete vedere che ha un aspetto molto diverso dall'immagine che abbiamo visto prima. Possiamo vedere molto bene la strada qui, possiamo ancora vedere la nuvola, ma tutte le altre aree ci sembrano molto sconosciute.
Vediamo ora le bande red-edge. Se ricordate lo spettro che abbiamo visto prima, avevamo tre bande nell'area tra il rosso e l'infrarosso. Si chiamano bande red-edge. E appaiono più simili alle bande rosse come le abbiamo viste prima. Quindi abbiamo le nuvole luminose di nuovo, abbiamo gli edifici molto luminosi di nuovo, e anche le strade e la foresta e la vegetazione in colori più scuri.
La terza banda che vediamo qui è l'infrarosso a onde corte, quindi ha lunghezze d'onda più lunghe della banda visibile. E queste sono aree, tutte queste sono aree spettrali che non possiamo vedere con i nostri occhi. Quindi non saremmo in grado di vedere questo tipo di immagine, anche se guardassimo giù dall'alto con i nostri occhi. E quando mettiamo insieme queste tre, appare un'immagine molto diversa. E ora quello che possiamo vedere è una situazione molto, molto diversa. E qui non abbiamo più alcuna somiglianza con questa macchia scura qui rispetto alla foresta. La foresta qui appare verde a causa degli alti valori nella banda del vicino infrarosso, mentre quest'area qui non ha un'alta riflettanza nella banda del vicino infrarosso. Non c'è vegetazione fotosintetica. Questa è semplicemente un'ombra di nuvola. Quindi questa nuvola qui sta proiettando un'ombra che appare scura, e nelle bande visibili, questa appare molto simile alla foresta, ma con queste nuove bande possiamo vedere che c'è chiaramente una situazione molto, molto diversa qui, e poi è lì.
E quindi, con questo, spero di avervi mostrato che queste bande aggiuntive, queste immagini multispettrali, possono darvi una migliore comprensione di ciò che c'è sulla Terra. Possiamo classificare meglio diverse classi, fondamentalmente diverse classi di vegetazione, diverse classi di copertura del suolo, diversi schemi. Possiamo anche vedere qui molto bene la differenziazione tra la strada sterrata e la strada asfaltata, che appare molto diversa. Possiamo anche vedere queste aree aperte nella foresta che probabilmente sono state tagliate di recente. Questo è qualcosa che vediamo molto chiaramente. Alcune aree bruciate possiamo vederle qui in questo colore viola molto scuro. E ci vuole un po' di tempo per abituarsi, ma penso che possiate già vedere rapidamente i vantaggi di queste bande aggiuntive.
Un'altra cosa che voglio mostrarvi, e ora torniamo dall'Africa alle Alpi austriache, ed è un'area in cui confrontiamo. Questa è vicina al limite degli alberi montani, dove le foreste sono rade e sparse, e c'è questo limite degli alberi alpino. Possiamo vedere gli ultimi alberi qui, e il limite degli alberi alpino nelle Alpi austriache è per lo più composto da Pinus mugo o pino mugo e sambuco verde. Crescono anche più in alto, ma non sono qui. E quando guardiamo questo solo usando le bande visive, solo rosso, verde e blu, possiamo vedere dove si trova la vegetazione rispetto alle aree non vegetate. Ed è mostrato qui in diverse risoluzioni geometriche, ma non possiamo distinguere molto bene tra i due, tra Pinus mugo e iose.
Se usiamo l'infrarosso in aggiunta, quindi solo una banda in più, non come 10 bande come abbiamo con Sentinel 2, solo una banda in più, possiamo distinguere molto bene le conifere dalle specie di alberi decidui. E questo, credo, è abbastanza chiaro, fa una differenza molto, molto grande, e l'accuratezza della classificazione è molto diversa.
Ora voglio tornare ad alcune questioni relative ai sensori. Ho già menzionato cosa sono i sensori passivi e attivi, e qui voglio darvi qualche dettaglio in più su questi sensori passivi e su come suddividerli ulteriormente. In termini di sensori passivi, parliamo di sensori multispettrali o iperspettrali. I sensori multispettrali hanno tipicamente poche, circa 10-15, massimo 20 bande spettrali. Hanno per lo più una risoluzione spaziale alta o media, quindi parliamo di una dimensione dei pixel, quindi un'informazione sul terreno tra 10 e 500 metri, e possiamo usare questo tipo di dati per la fenologia, per la mappatura della vegetazione, per la vitalità, per la classificazione approssimativa delle specie, per esempio. E l'immagine Sentinel 2 che abbiamo visto prima è un esempio di tali dati multispettrali.
D'altra parte, abbiamo dati iperspettrali. Iperspettrale significa che abbiamo centinaia di bande continue, quindi abbiamo bande spettrali molto piccole, ma molte, molte, molte. Tipicamente hanno una risoluzione spaziale molto alta o più alta, e con questi dati iperspettrali si possono classificare specie più dettagliate, temperature, e un esempio sarebbe il sensore EO-Stress.
Similmente ai sensori passivi, abbiamo anche diversi sensori attivi. In termini di sensori attivi, voglio menzionare due tipi diversi. Il primo sono i sensori radar. Radar significa Radio Detection and Ranging. Utilizziamo diverse lunghezze d'onda per i sensori radar. C'è la banda X, la banda C, lunghezze d'onda più corte. La banda L, lunghezza d'onda molto lunga, che penetra la chioma ed è usata per la biomassa, per esempio. Il radar, come ho mostrato prima, non si basa sul Sole per la radiazione, quindi può funzionare anche di notte, per esempio, e può fondamentalmente anche penetrare le nuvole, quindi anche in condizioni di cielo coperto possiamo ottenere dati dalla Terra. È considerato per tutte le condizioni atmosferiche, tranne per piogge intense che influenzano anche i dati. La risoluzione dipende dal rapporto tra la lunghezza d'onda del sensore e la lunghezza dell'antenna, quindi dalle impostazioni del sensore. E quello che possiamo usare i dati radar per è la topografia, la copertura nevosa, ma anche per la mappatura della copertura del suolo. Un esempio è il Sentinel 1 dell'Agenzia Spaziale Europea, per esempio, che lavora nella banda C.
Un altro sensore attivo è il sensore Lidar. Lidar significa Light Detection and Ranging. Opera in condizioni atmosferiche limpide, di giorno e di notte, poiché è anche attivo. Utilizza anche diverse lunghezze d'onda. Può avere una risoluzione spaziale molto alta e misura il tempo di volo del impulso. Con questo si possono ottenere informazioni molto dettagliate sul terreno, informazioni sull'altezza. Ci sono diverse piattaforme aeree e spaziali utilizzate, e un esempio, specialmente per la vegetazione, è stato il sensore GEDI sulla Stazione Spaziale Internazionale.
Ora che avete avuto una buona prima impressione sui metodi di telerilevamento e monitoraggio, voglio darvi una piccola anteprima di cosa vengono utilizzati. E una parte del monitoraggio che è molto importante sono le variabili essenziali di biodiversità. Innanzitutto, qual è lo sfondo di questo? Abbiamo visto molti sviluppi sul nostro pianeta che non tutti questi sviluppi sono molto buoni, diciamo. E specialmente nella biodiversità e negli ecosistemi, abbiamo sperimentato un deterioramento significativo e rapido, non solo cambiamenti, ma principalmente deterioramenti. Alcuni esempi sono mostrati in questa diapositiva. E per affrontare questi declini in modo quantitativo, è stato introdotto il concetto di variabili essenziali di biodiversità.
Ci sono diverse iniziative che cercano di prevenire la perdita di biodiversità in corso o che almeno affrontano questi problemi. Una è la Convenzione sulla Diversità Biologica, l'altra sono gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile che tutti conosciamo. Ed è importante, o entrambi richiedono, che sia importante avere la capacità di alcune informazioni che siano facili da capire, tempestive, scientificamente rigorose, in modo standardizzato, e che possano essere utilizzate per stimare in modo quantitativo cosa sta succedendo attraverso i taxa, attraverso le regioni, nel tempo. E queste sono le variabili essenziali di biodiversità.
In altre parole, possiamo definire una variabile essenziale di biodiversità come una misurazione richiesta per studiare, riportare e gestire il cambiamento della biodiversità che sta avvenendo sulla Terra. Il quadro delle variabili essenziali di biodiversità è il seguente. Abbiamo, in prima parte, la raccolta e la mobilitazione dei dati, e qui sono principalmente le reti in situ che sono disponibili. Solo per menzionarne una tra quelle mostrate qui, è la rete LTER (Long-Term Ecosystem Research) di monitoraggio. Abbiamo anche una sottorete europea di questo LTER, chiamata ALTER-Net, con una piccola "e" all'inizio. Ma anche il telerilevamento può essere utilizzato per raccogliere dati e mobilitare questi dati. Recentemente, anche le iniziative di crowdsourcing sono sempre più utilizzate in questa raccolta dati.
Poi abbiamo bisogno della pulizia dei dati, quindi dobbiamo verificare la plausibilità, rilevare e rimuovere duplicati, controllare la risoluzione, eccetera, eccetera. Poi i set di dati devono essere uniti in modo tale da non avere risultati contraddittori, diciamo. Dobbiamo chiarire la risoluzione spaziale e temporale dei diversi set di dati, identificare le lacune ancora esistenti e poi cercare di colmare queste lacune tramite interpolazione, per esempio. E poi possiamo avere questo cubo di dati EBV (Essential Biodiversity Variables), è una specie di cubo di dati attraverso spazio, tempo, e poi i componenti. E basandoci su questo cubo, possiamo analizzare, modellare e riportare il cambiamento della biodiversità. E questo può essere fatto per risultati scientifici, ma ovviamente anche per rapporti di valutazione che vengono poi utilizzati come linee guida politiche e white paper e cose del genere.
Alcuni esempi di variabili di queste variabili di biodiversità sono le osservazioni di specie, che sono i dati primari. Possiamo avere la variabile come presenza di specie, ricchezza di specie, composizione delle comunità, eccetera. Poi dobbiamo rappresentare queste variabili come dati spaziali. Quindi, ovviamente, ancora una volta, i dati di telerilevamento possono svolgere un ruolo significativo nella distribuzione spaziale. Quindi possiamo mapparle, e poi se lo facciamo per più di un tempo, possiamo vedere il cambiamento nell'areale geografico o nell'area di occupazione, o il cambiamento nella ricchezza, o qualsiasi altra cosa. Quindi questa è un'opzione, o se contiamo gli individui, possiamo calcolare l'abbondanza delle specie. Quindi la ricchezza di specie è la quantità di specie diverse in un'area, mentre l'abbondanza delle specie è il numero di individui per specie, per esempio. E anche per questo possiamo poi fare una distribuzione spaziale dell'abbondanza delle specie e poi calcolare il cambiamento temporale.
Spero che abbiate apprezzato questa prima lezione sui metodi di monitoraggio e spero di avervi dato una panoramica sui dati di telerilevamento, le basi, le proprietà fisiche di cui abbiamo bisogno. E vorrei che rimaneste sintonizzati, guardaste le altre lezioni interessanti che ci sono, e sì, grazie mille per l'ascolto.