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:
- 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)
- L’energia EM si propaga attraverso l’atmosfera (subendo dispersione, assorbimento e altre modifiche)
- Interazione con il bersaglio (assorbimento o riflessione delle onde EM)
- Registrazione dell’energia EM da parte del sensore installato sulla piattaforma (in questo caso, sul satellite)
- Trasmissione dei dati ERS alla stazione di ricezione a terra e prima elaborazione di questi dati
- Interpretazione e analisi dei dati tramite software specializzati
- 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.
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.
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].
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:
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):
- Screenshot da Google Earth, che mostra l’area a colori naturali. Dati Landsat/Copernicus.
- Un’immagine pseudocolor (VIS+NIR) ottenuta dai dati del satellite Sentinel-2. Dati Sentinel di Copernicus 2016.
- 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.
- Immagine termica. Dati Landsat-8 cortesemente forniti dall’USGS.
- Immagine a infrarossi a onde corte. Dati Landsat-8 cortesemente forniti dall’USGS.
Un’area nel Parco Nazionale del Manu (Perù) su scala ampia:
- Screenshot da Google Earth, dove è evidente la bassa risoluzione spaziale dei dati. Dati Landsat/Copernicus.
- 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
- SCHOWENGERDT, Robert A. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing. 3rd Edition, 2006. ISBN: 978-0123694072, p.2
- Pigeon photography, Wikipedia, ultima modifica 24.12.2017. Recuperato da https://en.wikipedia.org/wiki/Pigeon_photography
- QUITNEY, Jeff. First Landsat: “Earth Resources Technology Satellite” (ERTS) 1973 NASA. YouTube, 2016. Recuperato da https://youtu.be/XiNs7ij8RHk
- 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
- Air Force Space & Missile Museum Foundation. The Corona Story – A Point In Time. YouTube, 2016. Recuperato da URL https://youtu.be/k3bzHk_6yHM
- IKONOS Satellite Imagery: First Commercial Space-based Imaging. GISGeography.com, ultima modifica 21.04.2018. Recuperato da https://gisgeography.com/ikonos-satellite/
- 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 - U.S. topography data from shuttle mission unveiled. NASA NEWS RELEASE, 23.01.2002. Recuperato da https://spaceflightnow.com/news/n0201/23srtm/
- Opening the Landsat Archive/Product Specifications. U.S. Geological Survey, 21.04.2008. Recuperato da https://landsat.usgs.gov/opening-landsat-archiveproduct-specifications
- SENTINEL Program Overview. ESA. Recuperato da https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions
- TROVATELLO, Marco. Open access at the european space agency. ESA, 15.02.2017. Recuperato da http://open.esa.int/open-access-at-esa/
- List of private spaceflight companies, Wikipedia, ultima modifica 11.05.2018. Recuperato da https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies
- AMOS, Jonathan. Elon Musk’s Falcon Heavy rocket launches successfully. BBC, 07.02.2018. Recuperato da http://www.bbc.com/news/science-environment-42969020
- WISEMAN, James R.; EL-BAZ, Farouk (Eds). Remote Sensing in Archaeology, 2007. ISBN 978-0-387-44455-0
- 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/
- Sprawling Maya network discovered under Guatemala jungle. BBC, 02.02.2018. Recuperato da https://www.bbc.com/news/world-latin-america-42916261
- 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