Monitoraggio di anomalie termiche al suolo attraverso l

MONITORAGGIO DI ANOMALIE TERMICHE AL SUOLO
ATTRAVERSO L’ANALISI DI IMMAGINI TELERILEVATE
RELAZIONE TECNICA FINALE
A cura di:
Responsabile Scientifico ARPAC: Maria Rosaria Della Rocca
Responsabile Scientifico CNR-IIA: Alessia Allegrini
Gruppo di lavoro: Cira Oliviero, Fabio Cipolletti, Catia Atturo,
Giuliano Fontinovo, Elisabetta Mercuri
INTRODUZIONE
Con Convenzione stipulata in data 22 giugno 2007, l’Agenzia Regionale Protezione Ambientale
della Campania (ARPAC) incarica l’Istituto sull’Inquinamento Atmosferico del CNR (CNRIIA), per la “Creazione di una struttura finalizzata alla gestione ed elaborazione di dati
telerilevati per la tutela dell’ambiente”.
Nell’ambito della stessa Convenzione sono stati acquisiti i dati MIVIS raccolti sulla Regione
Campania nell’estate 2004, di proprietà dell’Arma dei Carabinieri (Programma Operativo
Nazionale per la Sicurezza e lo Sviluppo del Mezzogiorno d’Italia) e sull’asse dei Regi Lagni
nell’estate 2008.
Le attività e le analisi previste in questo stadio sono state organizzate sulla base delle seguenti fasi:
FASE 1: ACQUISIZIONE DEL DATO MIVIS (Regione Campania - 2004)
- acquisizione dei dati tramite il CNR-IIA;
FASE 2: ACQUISIZIONE E PRE-ELABORAZIONE DEL DATO MIVIS (Asse dei Regi
Lagni - 2008)
- progettazione del piano di volo;
- acquisizione dei dati tramite sensore aviotrasportato MIVIS;
- pre-processamento radiometrico dei dati MIVIS;
- georeferenziazione di tutte le strisciate MIVIS;
FASE 3: ESTRAZIONE DI TEMATISMI
- anomalie termiche al suolo in alcuni Comuni della Provincia di Napoli (ALLEGATO
1);
- anomalie termiche al suolo lungo l’asse dei Regi Lagni (ALLEGATO 2).
FASE 1
ACQUISIZIONE DEL DATO MIVIS
(Regione Campania - 2004)
Nell’ambito della Convenzione, e nello spirito del Programma Operativo Nazionale per la Sicurezza
e lo Sviluppo del Mezzogiorno d’Italia, il CNR-IIA, previa autorizzazione dell’Arma dei
Carabinieri, ha provveduto a fornire all’ARPAC una copia dei dati MIVIS acquisiti nell’estate
2004.
Sono stati consegnati:
− dati MIVIS georiferiti acquisiti ad una quota di volo relativa pari a 2500 metri (volo alto),
ripresi a copertura totale di tutta la Regione Campania,
−
dati MIVIS georiferiti acquisiti ad una quota di volo relativa pari a 1500 metri (volo basso),
ripresi lungo l’intero perimetro delle coste della Regione Campania.
In Fig.1 è riportato il piano di volo relativo all’attività di ripresa dell’estate 2004:
Fig.1: Piano di volo relativo ai sorvoli MIVIS dell’estate 2004 (Proprietà: Arma dei Carabinieri).
FASE 2
ACQUISIZIONE E PRE-ELABORAZIONE DEL DATO MIVIS
(Asse dei Regi Lagni - 2008)
Nell’ambito della Convenzione è stata concordata l’effettuazione di un sorvolo aereo a bassa quota
(1500 metri) con acquisizione di dati iperspettrali MIVIS lungo l’asse dei Regi Lagni.
L’elaborazione dei dati MIVIS ha previsto prima la progettazione di un piano di volo, poi una preelaborazione radiometrica dei dati e successivamente la correzione geometrica.
I dati MIVIS sono stati consegnati ad ARPAC georiferiti nel sistema di riferimento cartesiano
UTM-WGS84.
L’acquisizione dei dati MIVIS prevede inizialmente la progettazione di un piano di volo. A sua
volta la progettazione del piano di volo ha previsto la conoscenza di alcuni parametri ad essa
necessari come:
•
le caratteristiche morfologiche delle zone da sorvolare (altimetria minima e massima del
terreno, tipologia di copertura ed andamento orografico del territorio);
•
le caratteristiche del sensore (velocità di scansione, risoluzione radiometrica), le
caratteristiche del velivolo (velocità massima, velocità di stallo, stabilità, ecc.);
•
le variabili di ripresa (incidenza e altezza del sole, mese della ripresa, condizioni meteo,
risoluzione a terra del pixel e l’ora di ripresa).
La risoluzione del pixel è data da (Fig.2):
dove:
R = H .α
H è l’altezza relativa
α = IFOV (Instantaneous Field Of View)
Fig.2: Pianificazione del piano di volo.
Nella costruzione del piano di volo si è considerato anche la sovrapposizione lungo l’asse di volo
delle strisciate da acquisire, la velocità ideale del velivolo e la pianificazione dei ruoli dei piloti, del
navigatore e dell’operatore.
Il risultato ha portato alla realizzazione di un piano di volo costituito da 6 strisciate, così come
riportato in Fig.3:
Fig.3: Piano di volo relativo ai sorvoli MIVIS dell’estate 2008 (Proprietà: CNR-IIA)
Una volta approvato il piano di volo, sono iniziate le riprese iperspettrali con apparato MIVIS
secondo lo schema riportato in Tab.1:
ORA
QUOTA RISOLUZIONE
DATA
LOCALE
RELATIVA PIXEL IMG
7
Nap01fiu
10.24
8
Nap02fiu
10.32
12
Nap03fiu
11.11
24/7/2008
1500
3 x 3 metri
11
Nap04fiu
11.01
10
Nap05fiu
10.53
9
Nap06fiu
10.41
Tab.1:Caratteristiche del sorvolo MIVIS lungo l’asse dei Regi Lagni.
ID_Volo
RUN
Il dato MIVIS “grezzo” è costituito da strisciate riprese da piattaforma aerea e salvate su Hard Disk.
Il primo passaggio nel processamento dei dati consiste nella lettura dei dati stessi e nella
conversione in un formato compatibile con i più diffusi software di elaborazione di immagine;
durante questo passaggio viene anche effettuata la calibrazione radiometrica del dato, con i dati
registrati al banco di calibrazione prima dell'effettuazione della ripresa. Il dato così corretto è quindi
direttamente utilizzabile per l'analisi.
L’immagine MIVIS presenta alcune distorsioni derivate dalla geometria dello scanner e dall’effetto
delle perturbazioni che disturbano la rotta dell’aereo durante il volo. Nonostante queste siano state
in parte corrette nella pre-elaborazione dei dati, permangono alcune distorsioni rispetto alla
cartografia di riferimento, che richiedono aggiustamenti al fine di rendere l’immagine coerente con
il sistema di riferimento cartografico prescelto, nel nostro caso UTM-WGS84.
Le immagini MIVIS vengono georiferite:
1. costituendo un modello di localizzazione per la immagine originale, realizzato calcolando
per ciascun pixel della immagine originale la corrispondente coordinata geografica;
2. generando la immagine georiferita per mezzo di un programma ricampionatore che, facendo
uso dell’immagine originale e del modello di localizzazione, colloca ciascun pixel
all’interno dell’area cartografica prescelta dall’utente alla coordinata corrispondente.
Il processo di ricampionamento è basato sul metodo della approssimazione delle coordinate al
Primo Vicino ‘Nearest Neighbour’ che ha la proprietà di non alterare i valori dei campioni di
spettro elettromagnetico costituenti le immagini.
Il metodo di georeferenziazione si basa sulla lettura dei file ancillari registrati ad ogni strisciata
rilevata dal sensore MIVIS e sulla conoscenza della morfologia del terreno. I “file ancillari”
contengono informazioni riguardanti il posizionamento assoluto e i movimenti angolari relativi
dell’aereo. I dati di navigazione sono rilevati sulla linea di volo e sono costituiti da: “Posizione
dell'aereo” (data da un ricevitore GPS che fornisce i dati ogni secondo, cui corrisponde, per una
ripresa a 1500 metri di quota relativa, un dato ogni 25 linee di scansione) ed “Attitude” (variazioni
angolari della posizione dell’aereo lungo l’asse x -roll-, lungo l’asse y -pitch- e lungo l’asse z heading-) registrati con la medesima frequenza.
Per avere una georeferenziazione accurata, soprattutto per i punti più lontani dall'asse di volo, è
bene introdurre anche dei punti di controllo sul terreno (Ground Control Points, GCP).
L’introduzione di questi punti permette di ricalibrare gli offset dei dati precedenti migliorando
notevolmente la geometria del dato finale.
Per migliorare ulteriormente la ricostruzione della geometria della scena, è necessario disporre di un
adeguato Modello Digitale del Terreno (non sempre disponibile).
FASE 3
INTERPRETAZIONE DI TEMATISMI
(Regione Campania - 2004)
L’analisi di immagini MIVIS prevede l’utilizzo di diverse tecniche alcune delle quali sono
necessarie per un’analisi preliminare, altre per estrapolare tematismi dall’immagine.
Una volta che i dati iperspettrali sono stati raccolti, corretti e migliorati da un punto di vista visivo,
ci si è posti il problema di estrarre le informazioni che essi contengono. Un primo approccio è stato
costituito dall'esame visivo delle immagini. Ciascuna di esse, infatti, fornisce indizi più o meno
numerosi sulle realtà deducibili dall'esame delle configurazioni che vi appaiono. Questo tipo
d'esame interpretativo visuale è particolarmente adatto per una prima analisi dell’immagine.
Uno strumento utilizzato per lo studio delle immagini telerilevate è costituito dalle tabelle di
trasformazione o Look Up Table (LUT) che servono per facilitare la visualizzazione delle
immagini. Grazie alla LUT è possibile variare i colori dell’immagine modificando solamente il
contenuto delle LUT stesse. Una LUT è un vettore che fa da filtro: il numero digitale del pixel in
ingresso definisce la posizione dell’elemento di vettore e in uscita si ha il numero digitale contenuto
in quella posizione del vettore. Per esempio con la LUT del rosso di 256 elementi con valore
massimo pari a 255 e quella del verde e del blu con valore nullo l’immagine rappresentata appare
rossa. Su questo principio si ottengono le rappresentazioni a colori reali o falso colore.
Un altro strumento utilizzato nella fase preliminare è l’istogramma di frequenza, ossia una funzione
di distribuzione dell’immagine che fornisce per ogni numero digitale (DN) o livello di grigio il
numero di pixel aventi quel valore: sull’ascissa compaiono i DN e sull’ordinata la frequenza
assoluta o percentuale di ogni valore. Esso caratterizza l’immagine solo da un punto di vista
statistico senza fornire informazioni sulla disposizione spaziale dei livelli di grigio dell’immagine.
Le tecniche di miglioramento del contrasto si basano sullo studio dell’istogramma. Lo scopo di tali
tecniche è quello di facilitare l’estrazione di informazioni non evidenti nelle immagini originali; per
questo si cerca di eliminare o attenuare le caratteristiche irrilevanti e di evidenziare invece gli
elementi di interesse.
A volte può essere utile avere una visione dell’andamento dei valori dei pixel che stanno in linea
lungo certi percorsi orizzontali, verticali o obliqui, in questi casi si ricorre ai profili di radianza,
ossia una sezione di una zona della superficie terrestre dove sull’asse delle ascisse si indicano le
coordinate dei pixels interessati dal percorso prescelto e sulle ordinate i DN assunti dai pixels stessi.
Infine la visualizzazione dell’immagine a livelli di densità consente di suddividere la scala continua
dei toni di un’unica banda di un’immagine in intervalli ai quali sarà assegnato un nuovo numero
digitale. Questa tecnica detta “density slicing” permette di associare nella loro disposizione spaziale
le informazioni contenute nell’immagine rendendo visibile mediante la rappresentazione con un
colore le classi di oggetti presenti nella scena.
Per questo lavoro, la tecnica del Density Slicing è stata principalmente utilizzata nell’elaborazione
delle bande MIVIS corrispondenti all’infrarosso termico.
Per estrarre tematismi dall’immagine MIVIS, molto spesso si ricorre ad operazioni matematiche
(come i rapporti tra bande) operate su bande MIVIS opportunamente scelte.
Un rapporto tra bande spettrali consiste nel dividere il valore di un pixel in una banda per il valore
dello stesso pixel in una banda differente. Questo processo si usa per due motivi principali:
− il rapporto tra bande esalta alcune caratteristiche spettrali delle superfici presenti;
− si riducono gli effetti dovuti alle condizioni di illuminazione.
Per questo lavoro, è stato utilizzato un rapporto normalizzato tra due bande MIVIS per l’estrazione
di tematismi legati all’analisi della vegetazione.
Per questo lavoro è stato utilizzato un dataset di immagini costituito da:
-
immagini aeree iperspettrali MIVIS di proprietà dell’Arma dei Carabinieri registrate nell’estate
2004 nella Regione Campania e riprese ad una quota di volo relativa di 2500 metri;
-
immagini aeree iperspettrali MIVIS di proprietà del CNR-IIA registrate nell’estate 2008 lungo
l’asse dei Regi Lagni e riprese ad una quota di volo relativa di 2500 metri
-
ortofoto digitali del terreno del 1994, 2000 e 2006 visualizzate attraverso il “Portale
Cartografico Nazionale” istituito dal Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del
Mare;
-
immagini satellitari ad alta risoluzione ottenute attraverso l’applicativo Google Earth.
Lo studio è caratterizzato da:
-
analisi ad alta risoluzione spettrale delle immagini iperspettrali MIVIS;
-
analisi ad alta risoluzione spaziale delle ortofoto digitali del terreno e delle immagini satellitari;
-
analisi visiva multitemporale, interpretazione e confronto tra le immagini del dataset.
Data-processing:
Sulle immagini MIVIS sono state effettuate analisi relative a:
-
bande del Visibile (#2, #7 e #13)
-
bande dell’Infrarosso Termico (#93 o #94);
-
Indice di Vegetazione NDVI;
Le coordinate dei punti sono espresse nel sistema di riferimento UTM-WGS84.
Le bande del Visibile e la loro visualizzazione in immagini True Color Composite permettono di
effettuare una prima fotointerpretazione dell’area di studio.
Invece, per studiare fenomeni più particolari, che a volte non risultano ben visibili nelle lunghezze
d’onda del visibile, ci si avvale delle lunghezze d’onda dell’infrarosso.
Per gli studi relativi alle aree vegetate, molto spesso è utile considerare l’intervallo spettrale
dell’Infrarosso Vicino in cui la vegetazione sana mostra una forte riflettività.
Nella regione del Visibile (0.4-0.7 µm) la riflettenza della vegetazione sana rimane bassa per effetto
dell’assorbimento da parte della clorofilla, un pigmento presente nelle cellule vegetali che assorbe
la radiazione visibile, determinando due massimi di assorbimento nel Blu (0.45 µm) e nel Rosso
(0.66 µm). Se la vegetazione è interessata si ha riflessione invece che assorbimento, particolarmente
significativa nel Rosso.
Il Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) è uno degli indici più studiati ed applicati alle
immagini telerilevate per gli studi di vegetazione. Si basa sulla differenza normalizzata dei valori di
riflettività (ρ) nelle bande dell’Infrarosso Vicino e del Rosso. Pone in relazione l’assorbimento
spettrale della clorofilla nel Rosso con il fenomeno della riflessione nell’Infrarosso Vicino,
influenzato dal tipo di struttura fogliare. L’NDVI è definito come il rapporto tra la differenza e la
somma di due bande, rispettivamente il Vicino Infrarosso (NIR) e il Rosso (R):
NDVI = (ρNIR - ρR) / (ρNIR + ρR)
Questo rapporto normalizzato fornisce valori numerici adimensionali compresi tra –1 e +1. Tali
valori sono in stretta relazione con lo stato di salute della vegetazione, con la biomassa vegetale,
con l’indice di area fogliare (Leaf Area Index), e con i processi biochimici vegetali. I valori negativi
dell’indice corrispondono all’acqua, valori prossimi allo zero ma positivi (0-0.2) corrispondono ai
suoli e valori da 0.3 a 0.6 indicano la presenza di superfici vegetate con massimi intorno a 0.8 nel
caso di vegetazione molto densa.
L’analisi dell’NDVI è risultata particolarmente utile in questo lavoro, in quanto ha permesso di
evidenziare crescite anomale di vegetazione che, in alcuni casi, potrebbe essere ricondotta a
fenomeni di inquinamento ambientale del suolo.
Le bande dell’Infrarosso Termico sono invece utilizzate per lo studio delle temperature delle
superfici. Infatti, permettono di estrarre informazioni di tipo statistico sulla temperatura emessa dai
corpi. Il risultato finale, che nel primo output è una rappresentazione in scala di grigio, è enfatizzato
attraverso la tecnica del “Density Slicing”, in base alla quale le differenze di temperature sono
indicate con differenti colori. Le diverse tipologie di anomalie termiche sono state identificate, nelle
immagini MIVIS, attraverso elaborazioni delle bande che corrispondono all’intervallo spettrale 8.412.5 µm (TIR).
PRODOTTI DI CONSEGNA
Il lavoro ha avuto inizio in data 04/03/2009 presso il laboratorio di telerilevamento nella sede
ARPAC di Napoli.
Dato il grande numero di immagini da elaborare ed interpretare, il personale CNR-IIA impiegato
presso ARPAC è stato coadiuvato nel lavoro dal personale CNR-IIA della sede dell’Area di Ricerca
di Roma1 (Monterotondo, Roma).
Oltre alla presente relazione, sono oggetto di consegna n°2 allegati.
− l’ALLEGATO 1 si riferisce al “Monitoraggio di anomalie termiche al suolo attraverso
l’analisi di immagini telerilevate di alcuni Comuni della Provincia di Napoli”,
− l’ALLEGATO 2 si riferisce al “Monitoraggio di anomalie termiche al suolo attraverso
l’analisi di immagini telerilevate riprese lungo l’asse dei Regi Lagni”.
In ogni allegato è riportata una tabella riassuntiva delle anomalie termiche al suolo rilevate con
indicazioni su: numero identificativo del caso di studio, Comune nel quale è stata rilevata
l’anomalia, coordinate geografiche del centro dell’area anomala.
Per ogni anomalia sono riportate: le ortofoto (1994-2000-2006), l’immagine satellitare, l’immagine
MIVIS nel visibile, l’immagine MIVIS nell’infrarosso termico con una legenda sugli intervalli di
temperatura al sensore rilevati, il calcolo dell’indice NDVI con legenda ed una breve discussione
dell’anomalia rilevata.
CONCLUSIONE
Lo studio è partito dall’analisi dell’infrarosso termico effettuata sulle immagini MIVIS, pertanto
riporta solo le anomalie riconducibili a fenomeni di aumento della temperatura in un determinato
punto rispetto al terreno circostante.
È abbastanza difficile risalire alle cause delle anomalie rilevate in quanto lo studio è puramente
qualitativo e non è supportato da osservazioni in situ o da dati raccolti in campo.
Per un ulteriore proseguimento dello studio si suggerisce di partire dall’analisi di immagini ad alta
risoluzione spaziale per il rilevamento di fenomeni di abbandoni di materiale oppure per lo studio
delle cave, delle discariche e di aree adibite illegalmente a discarica.
I dati così raccolti, se opportunamente associati a quelli rilevati nel presente lavoro ed inseriti in
ambiente GIS, potrebbe fornire importanti informazioni sul non corretto uso del suolo e nel
rilevamento di fenomeni di inquinamento ambientale.