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Il telerilevamento dallo spazio

Introduzione e Concetti di Base

Il telerilevamento della Terra (d’ora in poi ERS) offre opportunità incredibili per i ricercatori moderni. Senza di esso, non saremmo in grado di cercare rovine Inca nella giungla delle Ande peruviane. Per spiegare meglio cos’è e come ci lavoriamo, definiamo prima il termine “telerilevamento”.

Telerilevamento è la misurazione delle proprietà degli oggetti sulla superficie terrestre utilizzando dati acquisiti da aerei e satelliti [1].

Esistono definizioni più ampie, ma non le affronteremo, poiché non appartengono al nostro argomento—ad esempio, l’ecolocalizzazione del fondale marino utilizzando onde sonore o l’esame radiologico dei pazienti in ospedale. Nel caso dei satelliti e degli aerei, le informazioni sull’oggetto rilevato vengono trasmesse al sensore di registrazione tramite onde elettromagnetiche (d’ora in poi onde EM). Nel processo di ERS possiamo identificare sette principali fasi consecutive:

Processo di telerilevamento
Schema del processo di ERS. Icone di Freepik, SmashiconsCreaticca Creative Agency da www.flaticon.com
  1. La sorgente di energia EM (di solito il Sole, ma ci sono altre opzioni: la radiazione termica terrestre o la radiazione a microonde emessa dal satellite stesso)
  2. L’energia EM si propaga attraverso l’atmosfera (subendo dispersione, assorbimento e altre modifiche)
  3. Interazione con il bersaglio (assorbimento o riflessione delle onde EM)
  4. Registrazione dell’energia EM da parte del sensore installato sulla piattaforma (in questo caso, sul satellite)
  5. Trasmissione dei dati ERS alla stazione di ricezione a terra e prima elaborazione di questi dati
  6. Interpretazione e analisi dei dati tramite software specializzati
  7. Applicazione dei risultati dell’analisi

Per comprendere l’ERS, è importante considerare alcuni concetti. Innanzitutto, è la gamma di radiazione EM registrata dal sensore. I nostri occhi possono percepire solo uno spettro ristretto di radiazioni EM, chiamato “visibile”, ma i sensori usati nell’ERS sono in grado di registrare radiazioni di altre gamme invisibili a noi. Questo rende possibile osservare l’“invisibile”, poiché oggetti familiari riflettono le onde EM in modo diverso a seconda delle lunghezze d’onda, apparendo quindi differenti.

Spettro - Telerilevamento
Parte dello spettro EM utilizzato nell’ERS (UV, sub-mm e onde mm non vengono usate poiché l’atmosfera è opaca per queste gamme)

In secondo luogo, tutti i sensori si dividono in due tipi: passivi e attivi. I primi registrano la radiazione naturale, sia essa riflessa (come nel caso di una fotocamera) o emessa (come la radiazione termica di un oggetto). I secondi illuminano i bersagli generando loro stessi la radiazione e registrano le onde riflesse, ad esempio nell’imaging radar o nella scansione laser.

Telerilevamento - Passivo vs Attivo
Tipi di telerilevamento: 1—passivo; 2—attivo. Icone di FreepiksCreaticca Creative Agency da www.flaticon.com

L’Alba dei Dati ERS Aperti

Nella ricerca di Paititi utilizziamo principalmente dati ERS da satelliti disponibili al pubblico gratuitamente o a un prezzo ragionevole. Come ricercatori indipendenti valutiamo non solo la qualità dei dati (ad esempio, l’alta risoluzione spaziale), ma anche l’aspetto finanziario dell’acquisizione dei dati. Vi chiederete quindi: da dove provengono queste immagini spaziali pubbliche? Evitiamo di andare troppo indietro nella storia, anche se è interessante leggere almeno della fotografia aerea usando piccioni durante la Prima guerra mondiale [2]. Invece, cerchiamo di menzionare le principali tappe:

  • L’inizio del moderno telerilevamento (con immagini digitali e non pellicole, e alta risoluzione spaziale rispetto ai satelliti meteorologici) risale al 1972 con il lancio da parte della NASA del primo satellite della missione Landsat, allora chiamato ERTS (Earth Resources Technology Satellite) [3] [4]. Era progettato principalmente per scopi civili, un passo significativo durante la guerra fredda.
  • Col tempo crebbe il numero di satelliti, migliorò la qualità dei dati e aumentò la varietà. Tuttavia, l’ERS rimase una prerogativa di specialisti, poiché la maggior parte dei satelliti era gestita da organizzazioni militari o di intelligence americane o russe [5].
  • La fine della guerra fredda portò satelliti più “civili”. Nel 1999 ci fu una svolta con il lancio del satellite commerciale IKONOS [6], con risoluzione spaziale di 1 m.
  • Nel 2001 venne rilasciata la prima versione di Google Earth, un grande divulgatore del telerilevamento [7].
  • Nel 2002 i risultati della Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) vennero resi accessibili. Fu un progetto internazionale per creare un modello digitale del terreno globale ad alta risoluzione [8].
  • Nel 2008 l’US Geological Survey (USGS) aprì l’accesso gratuito a un enorme archivio di immagini della missione Landsat [9]. Scienziati ed esperti di tutto il mondo iniziarono a utilizzare attivamente questi dati.
  • Nel 2014 l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) lanciò il primo satellite del programma Sentinel. Ora ci sono diversi satelliti in orbita, e i dati ERS di questi satelliti sono disponibili gratuitamente [10].
  • Nel 2017 l’ESA adottò formalmente una politica di libero accesso ai dati per promuovere l’uso diffuso e lo sviluppo delle loro attività spaziali [11].
A sinistra: immagine di Machu Picchu scattata dal satellite di ricognizione fotografica statunitense Keyhole-9 (noto anche come Big Bird) il 07/08/1980, dati cortesemente forniti dall'USGS. A destra: immagine di Machu Picchu scattata dal satellite moderno WorldView-2, dati DigitalGlobe.
A sinistra: immagine di Machu Picchu scattata dal satellite di ricognizione fotografica statunitense Keyhole-9 (noto anche come Big Bird) il 07/08/1980, dati cortesemente forniti dall’USGS. A destra: immagine di Machu Picchu scattata dal satellite moderno WorldView-2, dati DigitalGlobe.

Al momento, vediamo già aziende commerciali che creano razzi, satelliti e prodotti correlati [12], e che persino si concedono “follie” come lanciare un’auto nello spazio [13]. Quindi ora è evidente che non solo il telerilevamento, ma anche lo spazio in generale, è stato commercializzato ed è entrato nella portata delle masse. Per valutare il grado di sviluppo umano dello spazio vicino alla Terra, basta guardare questa immagine:

Oggetti nello Spazio
Screenshot da Stuff in Space che mostra oggetti artificiali nello spazio vicino alla Terra. La Terra al centro non è visibile, poiché è avvolta da detriti spaziali. 1) Rosso—satelliti. È facile notare due principali fasce dove si concentrano: la fascia di orbite basse (satelliti ERS) e la fascia di orbite geostazionarie alte (satelliti di comunicazione, navigazione e meteorologia). 2) Blu—scafi di razzi. 3) Grigio—detriti spaziali.

Le Immagini Satellitari Non Sono Solo Fotografie

Molti di voi hanno già lavorato con immagini spaziali su mappe online o programmi come Google Earth. Tuttavia, ciò che potete vedere lì è solo la punta dell’iceberg dei dati ERS. Le immagini su mappe online hanno una risoluzione spettrale, radiometrica e spesso spaziale ridotta. Le immagini spaziali, o meglio i dati ERS, consentono di misurare diverse caratteristiche degli oggetti osservati:

  • lunghezze
  • aree
  • volumi e altezze (ad esempio, se si costruisce un modello digitale del terreno da immagini stereo)
  • composizione chimica (le immagini multispettrali possono, ad esempio, identificare il tipo di vegetazione o di roccia)

Osservate le immagini qui sotto per capire meglio di cosa si tratta:

Un’area nel Parco Nazionale del Manu (Perù):

  1. Screenshot da Google Earth, che mostra l’area a colori naturali. Dati Landsat/Copernicus.
  2. Un’immagine pseudocolor (VIS+NIR) ottenuta dai dati del satellite Sentinel-2. Dati Sentinel di Copernicus 2016.
  3. Un’immagine pseudocolor da diverse polarizzazioni della banda L ottenuta tramite un radar ad apertura sintetica (HH—rosso, HV—verde, VV—blu). Dati forniti dalla NASA/JPL-Caltech.
  4. Immagine termica. Dati Landsat-8 cortesemente forniti dall’USGS.
  5. Immagine a infrarossi a onde corte. Dati Landsat-8 cortesemente forniti dall’USGS.

Un’area nel Parco Nazionale del Manu (Perù) su scala ampia:

  1. Screenshot da Google Earth, dove è evidente la bassa risoluzione spaziale dei dati. Dati Landsat/Copernicus.
  2. Immagine dal satellite WorldView-2, dati DigitalGlobe.

Applicazione del Telerilevamento in Archeologia

Con il lancio del primo satellite Landsat da parte degli americani nel 1972, iniziò una nuova era del telerilevamento in archeologia [14, p.1]. Ad oggi, i prodotti di telerilevamento dallo spazio, disponibili per il grande pubblico, consentono di:

  • Risparmiare, poiché non richiede costose indagini sul campo o rilievi aerei (oggi sono raccolti enormi archivi di dati ERS, e il costo di accesso è relativamente basso)
  • Studiare aree difficili da raggiungere (per i satelliti non fa differenza rilevare un centro industriale o aree remote dell’Amazzonia)
  • Ottenere immagini di vaste aree rapidamente (i grandi passaggi dei satelliti consentono di scansionare migliaia di chilometri quadrati in poco tempo)
  • Acquisire immagini della Terra indipendentemente dalle condizioni meteorologiche utilizzando satelliti dotati di radar ad apertura sintetica (SAR)
  • Ottenere immagini ad alta risoluzione, comparabili nei dettagli alla fotografia aerea
  • Rivelare fenomeni nascosti nel paesaggio mediante analisi spettrale, modellazione 3D e capacità delle microonde di penetrare sotto la vegetazione e il suolo

Naturalmente, il telerilevamento satellitare non è una panacea. Deve essere integrato nei sistemi informativi geografici (d’ora in poi GIS) in combinazione con altri metodi di ricerca, inclusi quelli aerei e terrestri. Così, nella ricerca di oggetti archeologici nascosti sotto fitte coperture forestali, il lidar (uno scanner laser), uno strumento attivo di telerilevamento che lavora nelle bande visibili e NIR e installato su aerei o droni, si è dimostrato particolarmente efficace. I satelliti SAR, anch’essi strumenti attivi di telerilevamento, possono utilizzare le microonde per sondare la superficie sottostante in una foresta tropicale densa [17]. Con l’aiuto del lidar, gli archeologi hanno scoperto la leggendaria “Città Bianca” (La Ciudad Blanca) nella foresta tropicale nel Sud-Est dell’Honduras [15]. Recentemente, decine di migliaia di edifici Maya sono stati scoperti nelle giungle del Guatemala—anche questo è il risultato dell’uso di questo strumento [16]. Gli svantaggi della scansione laser sono l’elevato costo di applicazione, la piccola area coperta e la dipendenza dalle condizioni meteorologiche. È adatto solo per rilievi su scala dettagliata, quando l’area di ricerca è stata ridotta al massimo.

Il libro “Remote Sensing in Archaeology” (Wiseman; El-Baz, 2007) descrive bene l’applicazione complessa di vari dati ERS e GIS nello studio della regione del bacino del Peten in Guatemala, una zona della civiltà Maya, gran parte della quale è coperta da fitte foreste [14, p.137-160 e p.263-282]. Leggi l’articolo “Testing Our Possibilities” per scoprire esattamente come utilizziamo l’ERS per trovare Paititi.

Fonti di Dati ERS Aperti

Il nostro progetto dipende in larga misura dalle immagini ERS pubbliche, e siamo sostenitori dell’apertura della scienza, dei dati e degli strumenti per l’elaborazione dei dati. Di seguito un elenco delle principali fonti di dati gratuiti e degli strumenti che utilizziamo:

Portali di Dati ERS Gratuiti

  • EarthExplorer—il portale del Servizio Geologico degli Stati Uniti, dove è possibile accedere a un vasto set di dati ERS che coprono l’intero mondo, incluse immagini Landsat, modelli digitali del terreno, immagini radar, immagini declassificate della missione CORONA e altro.
  • Copernicus Open Access Hub—il portale dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), che fornisce pieno accesso gratuito ai prodotti ERS dei satelliti SAR Sentinel-1, dei satelliti ottici multispettrali Sentinel-2 e dei satelliti di monitoraggio globale Sentinel-3.
  • UAVSAR Data Search—portale del Jet Propulsion Laboratory della NASA, dove è possibile ottenere immagini delle bande L, P e Ka (microonde), acquisite da un velivolo senza pilota equipaggiato con un radar ad apertura sintetica.

Software ERS Gratuito

  • QGIS è un sistema informativo geografico multipiattaforma gratuito, che include anche strumenti per l’elaborazione, l’analisi e la visualizzazione dei dati ERS. Sviluppato dalla comunità internazionale.
  • Sentinel Toolboxes sono set di strumenti open source per l’uso scientifico dei risultati delle missioni di osservazione della Terra. Sviluppati dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
  • Orfeo ToolBox è una libreria per l’elaborazione di immagini da telerilevamento, sviluppata dal Centro Nazionale per la Ricerca Spaziale della Francia (CNES).
  • Google Earth è una mappa satellitare dell’intera superficie terrestre nello spettro ottico, particolarmente efficace se visualizzata in modalità 3D.
  • ArcGIS Earth è un analogo di Google Earth sviluppato dalla ESRI.

Riferimenti

  1. SCHOWENGERDT, Robert A. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing. 3rd Edition, 2006. ISBN: 978-0123694072, p.2
  2. Pigeon photography, Wikipedia, ultima modifica 24.12.2017. Recuperato da https://en.wikipedia.org/wiki/Pigeon_photography
  3. QUITNEY, Jeff. First Landsat: “Earth Resources Technology Satellite” (ERTS) 1973 NASA. YouTube, 2016. Recuperato da https://youtu.be/XiNs7ij8RHk
  4. Landsat Missions: Imaging the Earth Since 1972. U.S. Geological Survey, ultima modifica 25.04.2018. Recuperato da https://landsat.usgs.gov/landsat-missions-timeline
  5. Air Force Space & Missile Museum Foundation. The Corona Story – A Point In Time. YouTube, 2016. Recuperato da URL https://youtu.be/k3bzHk_6yHM
  6. IKONOS Satellite Imagery: First Commercial Space-based Imaging. GISGeography.com, ultima modifica 21.04.2018. Recuperato da https://gisgeography.com/ikonos-satellite/
  7. WALKER, Tim. How google earth changed the world. The Independent, 05.09.2012. Recuperato da
    https://www.independent.co.uk/life-style/gadgets-and-tech/features/how-google-earth-changed-the-world-8107056.html
  8. U.S. topography data from shuttle mission unveiled. NASA NEWS RELEASE, 23.01.2002. Recuperato da https://spaceflightnow.com/news/n0201/23srtm/
  9. Opening the Landsat Archive/Product Specifications. U.S. Geological Survey,  21.04.2008. Recuperato da https://landsat.usgs.gov/opening-landsat-archiveproduct-specifications
  10. SENTINEL Program Overview. ESA. Recuperato da https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions
  11. TROVATELLO, Marco. Open access at the european space agency. ESA, 15.02.2017. Recuperato da http://open.esa.int/open-access-at-esa/
  12. List of private spaceflight companies, Wikipedia, ultima modifica 11.05.2018. Recuperato da https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies
  13. AMOS, Jonathan. Elon Musk’s Falcon Heavy rocket launches successfully. BBC, 07.02.2018. Recuperato da http://www.bbc.com/news/science-environment-42969020
  14. WISEMAN, James R.; EL-BAZ, Farouk (Eds). Remote Sensing in Archaeology, 2007. ISBN 978-0-387-44455-0
  15. PRESTON, Douglas. Exclusive: Lost City Discovered in the Honduran Rain Forest. National Geographic, 02.03.2015. Recuperato da https://news.nationalgeographic.com/2015/03/150302-honduras-lost-city-monkey-god-maya-ancient-archaeology/
  16. Sprawling Maya network discovered under Guatemala jungle. BBC, 02.02.2018. Recuperato da https://www.bbc.com/news/world-latin-america-42916261
  17. Penetrating Tree Cover to See the Forest Floor. NASA Earth Observatory, 25.04.2013. Recuperato da
    https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=80982