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Tulone. Monitoraggio Della Qualità Delle Acque Marine A Partire Da Dati Telerilevati
- 1. Monitoraggio della qualitàMonitoraggio della qualità delle acque marine a partiredelle acque marine a partire da dati telerilevatida dati telerilevati Ing. Mario Tulone(1)(2) , Ing. Antonino Maltese(2) Dipartimento di Ingegneria Idraulica ed Applicazioni Ambientali Università di Palermo (1) (2)
- 2. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Il degrado dell'ambiente rende necessario ed urgente l'avvio di concrete e coerenti attività mirate al monitoraggio ed alla salvaguardia degli ecosistemi marini e terrestri Realizzare una catena di processi automatizzati e controllati per la pre-elaborazione di serie temporali di immagini grezze e per successive elaborazioni determinazione di distribuzioni spazio-temporali di variabili di qualità delle acque marino-costiere quali SST, concentrazione di clorofilla-a, concentrazione di solidi sospesi, torbidità, ecc., nonché i fronti di temperatura Remote sensing IntroduzioneIntroduzione GIS
- 3. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Area di StudioArea di Studio Acque marino-costiere (fino a 50 km dalla costa siciliana)
- 4. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Monitoraggio classicoMonitoraggio classico Disco di Secchi Sonda multiparametrica Campionatori acqua (Bottiglia di Niskin) Analisi di laboratorio
- 5. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Remote SensingRemote Sensing Satellite Aereo In Situ Il telerilevamento è la scienza che permette di ottenere informazioni circa un oggetto, un’area, o un fenomeno attraverso l’analisi di dati acquisiti per mezzo di un dispositivo che non è in contatto con l’oggetto, l’area o il fenomeno sotto esame
- 6. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Monitoraggio classico Remote Sensing elevata risoluzione spaziale e bassa risoluzione temporale elevata risoluzione temporale e bassa risoluzione spaziale dati in continuo ma dati puntuali dati spazialmente distribuiti Costi elevati (S)Vantaggi(S)Vantaggi
- 7. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Il sensore MODISIl sensore MODIS Il MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) è uno spettroradiometro a 36 bande, 21 delle quali tra 0,4 e 3,0 nm, e le restanti 15 tra 3,0 e 14,5 mm. Esso ha una campo di vista di 2300 km con una risoluzione spaziale di 250 m in 2 bande, 500 m in 5 bande e 1 km nelle altre 29 bande, con una risoluzione temporale di circa 12 ore. Particolarmente adatto al monitoraggio delle variazioni a scala globale, permette di ricavare, tramite le bande nell’infrarosso termico, la temperatura superficiale dei mari e della crosta terrestre
- 8. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Il MODIS (MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) è uno spettroradiometro a 36 bande, 21 delle quali tra 0,4 e 3,0 mm, e le restanti 15 tra 3,0 e 14,5 mm. Esso ha una campo di vista di 2300 km con una risoluzione spaziale di 250 m in 2 bande, 500 m in 5 bande e 1 km nelle altre 29 bande, con una risoluzione temporale di circa 12 ore. Particolarmente adatto al monitoraggio delle variazioni a scala globale, permette di ricavare, tramite le bande nell’infrarosso termico, la temperatura superficiale dei mari e della crosta terrestre Il sensore MODISIl sensore MODIS
- 9. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. I satelliti Terra e AquaI satelliti Terra e Aqua Data e luogo di lancio 8 Novembre 1999 da Vanderberg, California Veicolo per il lancio Delta II Peso 5190 kg Numero di strumenti 5 sensori: MODIS, CERES, ASTER, MIRS, MOPITT Orbita Elio-sincrona, quota di 720 km Inclinazione 98.1° Durata di un’orbita 101 minuti Vita della missione 6 anni Data e luogo di lancio 4 Maggio 2002 da Vanderberg, California Veicolo per il lancio Delta II Peso 2934 kg Numero di strumenti 6 sensori: MODIS, CERES, AIRS, AMSR- E, AMSU-A, HSB Orbita Elio-sincrona, quota di 705 km Inclinazione 98.2° Durata di un’orbita 99 minuti Vita della missione 6 anni I satelliti NASA Terra (AM1), e Aqua, (PM1) sono progetti per l’osservazione della terra concepiti dall’EOS (Earth Observing System). Il Terra sorvola la Terra da nord a sud, sorvolando l’Italia all’incirca alle 10:30 a.m. e p.m Terra Aqua l’Aqua da sud a nord, sorvolando l’Italia all’incirca alle 01:30 a.m. e p.m. Orbita eliosincrona quasi-polare di quota 705 km
- 10. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. X-Band Antenna Terra/Aqua PDS Level 1A MOD01 Geolocation Level 1B MOD03 MOD02 IMAPP SeaDAS ProcessingProcessing I dati acquisiti sono in formato grezzo (raw) Production Data Set (PDS), e non sono direttamente utilizzabili dai software di image processing ma vanno processati per ottenere i prodotti L1B (calibrated radiance) antenna ricevente del DLR Center
- 11. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Pre-elaborazioniPre-elaborazioni Il prodotto MODIS non è esente da problemi ed errori: le immagini risultano in teoria georiferite ad una proiezione Integerized Sinusoidal, poco nota alla maggior parte dei pacchetti software di analisi dell’immagine Riorganizzazione del dataset Georeferenziazione Subset spaziale Subset spettrale Correzione atmosferica con il modello dello scattering relativo
- 12. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. 087.1 )645(9.1203 Rturbidity ⋅= Modello per la stima della Turbidity [NTU] (Chen, 2007) ( ) 9322.3 550440 /2602.3 − ⋅= RRTSS Modello per la stima della concentrazione di TSS [mg/l] (Delu et al. 1999) Modello per la stima della concentrazione di CHL (CCHL) [mg/m3 ] (O’Reilly et al. 2001) )403.1659.0457.1753.22830.0( 432 10 RRRR Chl −++− = { }( )488 550 443 55010 ,maxlog RRR = Modello dello split windows per il calcolo della SST [K](Mao, Qin, Shi e Gong, 2004) 32313132 323231313132 )()( ACAC BDCDBC Ts − +−+ = I ModelliI Modelli
- 14. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Clorophyll-a Total Solid Suspended Sea Surface Temperature Turbidity ApplicazioneApplicazione
- 15. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Clorophyll-a Total Solid Suspended Sea Surface Temperature Turbidity ApplicazioneApplicazione
- 16. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Clorophyll-a Total Solid Suspended Sea Surface Temperature Turbidity Value of SST whitin Region Of Interest 280 284 288 292 296 300 0 365 730 1095 1460 1825 2190 DOY SST[k] Pozzallo Gela Value of TSS whitin Region Of Interest 0 2 4 6 8 10 0 365 730 1095 1460 1825 2190 DOY TSS[mg/l] Gela Pozzallo Value of CHL-a whitin Region Of Interest 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 0 365 730 1095 1460 1825 2190 DOY CHL-a[mg/m3] Palermo Zingaro ApplicazioneApplicazione
- 17. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. Clorophyll-a Total Solid Suspended Sea Surface Temperature Turbidity Value of TSS whitin Region Of Interest 0 2 4 6 8 10 0 365 730 1095 1460 1825 2190 DOY TSS[mg/l] Gela Pozzallo Value of CHL-a whitin Region Of Interest 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 0 365 730 1095 1460 1825 2190 DOY CHL-a[mg/m3] Palermo Zingaro ApplicazioneApplicazione Value of SST whitin Region Of Interest 280 284 288 292 296 300 0 365 730 1095 1460 1825 2190 DOY SST[k] Pozzallo Gela
- 18. MonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevatiMonitoraggiodellaqualitàdelleacquemarineapartiredadatitelerilevati Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l.Ing.MarioTULONE–E.labs.r.l. I GIS ed il telerilevamento forniscono un potente mezzo operativo per l’analisi dell’ambiente costiero, consentendo di coprire spazialmente e temporalmente maggiori estensioni di mare, in modo complementare ed integrato con i sistemi tradizionali L’analisi multitemporale di immagini satellitari, permette di monitorare l'evoluzione delle dinamiche spazio-temporali di diversi fenomeni chimico-fisici e di ottenere mappe sinottiche su vasta scala I risultati delle elaborazioni hanno mostrato un buon accordo tra i dati misurati e quelli ricavati dalle immagini satellitari La calibrazione dei modelli in ambito mediterraneo consente il raggiungimento di risultati più accurati rispetto a quanto ottenibile utilizzando i parametri di calibrazione internazionale ConclusioniConclusioni
Notes de l'éditeur
- La presente applicazione nasce da una convenzione stipulata tra il DIIAA e l’ARPA Sicilia, coordinata dall’ing. Maltese, con la collaborazione dello staff della E.Lab, che precedentemente lavorava all’interno dello stesso dipartimento
- Il degrado dell'ambiente rende necessario ed urgente l'avvio di concrete e coerenti attività mirate al monitoraggio ed alla salvaguardia degli ecosistemi marini e terrestri e questo è possibile utilizzando le tecniche di due discipline relativamente nuove. Obiettivi del presente lavoro sono: Utilizzare le tecniche del telerilevamento per realizzare una catena di processi automatizzati e controllati per la pre-elaborazione di serie temporali di immagini grezze telerilevati da piattaforma satellitare e per le successive elaborazioni. Utilizzare le tecniche GIS del geoprocessing per l’analisi la calibrazione dei modelli di studio utilizzati e l’analisi di lunghe serie temporali dei suddetti parametri qualitativi in corrispondenza delle acque marino costiere siciliane.
- L’area di studio è quella delle acque marino costiere siciliane fino ad una distanza di 50 km dalla costa
- Come sappiamo per utilizzare le tecniche del monitoraggio classico l’operatore, o meglio lo strumento, deve essere a diretto contatto della superficie o oggetto da indagare, come ad esempio il disco di secchi per la misura della torbidità, oppure la sonda multiparametrica per la misura di grandezze come la concentrazione di clorofilla, ossigeno disciolto, o ancora con i campionatori di acqua come la bottiglia di niskin per le successive analisi di laboratorio.
- Questo non accade con il remote sensing poiché il telerilevamento è la scienza che permette di ottenere informazioni circa un oggetto, un’area, o un fenomeno attraverso l’analisi di dati acquisiti per mezzo di un dispositivo (i sensori) che non è in contatto con l’oggetto sotto esame. I sensori possono essere montati su diverse piattaforme, satellitari o aeree, oppure possono essere usati in situ, come lo spettroradiometro
- I vantaggi del monitoraggio classico sono quelli di avere dei dati in continuo, ma possono essere solo puntuali (come ad esempio le boe, o le stazioni metereologiche) ed inoltre hanno spesso degli elevati costi. Il telerilevamento consente invece di avere dei dati spazialmente distribuiti. I sensori a disposizione normalmente hanno un’elevata risoluzione spaziale, come il quickbird o l’ikonos, ma questi hanno un basso tempo di rivisitazione della scena, oppure un’elevata risoluzione temporale, come il modis, ma una bassa risoluzione spaziale. Ovviamente dalla sinergia delle due tecniche si possono ottenere i migliori risultati.
- All’interno di questo lavoro si è scelto di utilizzare le immagini modis per il monitoraggio delle acque marino costiere perché le grandezze indagate hanno una variabilità spaziale tale da consentire di utilizzare immagini con bassa risoluzione spaziale e questo ci ha permesso di avere un’elevata risoluzione temporale, praticamente giornaliera
- Il processing di acquizione delle immagini è: satellite, antenna, stazione ricevente, preparazione dato
- Questi modelli sono stati ricalibrati attraverso i risultati di campagne di misura condotte nel 2008 nei golfi di Castellammare, Gela ed Augusta, in cui contestualmente alle misure spettroradiometriche sono state effettuate anche le misure di diverse grandezze caratteristiche del mare (quali temperatura, clorofilla, solidi sospesi, torbidità) con l'ausilio di una sonda multiparametrica, al fine di ottenere dei profili di tali grandezze a diverse profondità. I dati misurati in situ ed ottenuti dalle equazioni calibrate per i periodi di campionamento sono stati disposti su un diagramma cartesiano, quindi è stato utilizzando il metodo dei minimi quadrati per calcolare l’equazione della retta che mediamente descrive il legame tra i dati. Stiamo proprio osservando in quest’esempio la sinergia tra le due tecniche di monitoraggio.
- Si sono ricavate delle mappe delle varie grandezze con le equazioni calibrate con i dati di campo utilizzando il dato telerilevato del sensore MODIS. L’analisi multitemporale di immagini satellitari, permette di monitorare l'evoluzione delle dinamiche spazio-temporali di diversi fenomeni chimico-fisici e di ottenere mappe sinottiche su vasta scala di alcuni indicatori quali la temperatura superficiale (SST), la concentrazione di clorofilla-a, la concentrazione di sostanza gialla (sostanza organica disciolta proveniente da dissoluzione di materia organica di origine naturale o antropica), la concentrazione di solidi sospesi (TSS), la torbidità del mare