TERRA, OSSERVAZIONE DELLA

TERRA, OSSERVAZIONE DELLA.

– Il cambiamento del paradigma dell’osservazione della Terra. Sviluppo tecnologico per il telerilevamento

Il cambiamento del paradigma dell’osservazione della Terra. – L’inizio del 21° sec. è stato caratterizzato da una serie di grandi cambiamenti culturali e gestionali, quasi una rivoluzione, già iniziati verso la fine del secolo precedente, e particolarmente evidenti nel campo dell’o. della T. dallo spazio: da una situazione di oligarchia, rappresentata dal dominio di pochi (le agenzie spaziali degli Stati più evoluti e quella europea) si è passati a un’altra che si potrebbe quasi definire di democrazia, con una comunità sempre più ampia e variegata, nella quale sembra che non ci siano più limitazioni per le iniziative dei singoli.

Nascono così nuove entità che costruiscono, lanciano e mantengono in opera satelliti per il telerilevamento, in una forma di space democracy. Aumenta il peso delle applicazioni operative rispetto ai progetti e alla ricerca e si consolida anche nel telerilevamento il concetto di servizio come offerta commerciale: oltre ai servizi meteorologici, si propongono per altre comunità nuovi servizi basati sull’uso di dati telerilevati per la generazione di prodotti a valore aggiunto. Questa spinta in avanti nell’offerta di servizi, vale a dire di informazioni sistematiche per il cittadino, ha avuto una prima conseguenza essenziale: il superamento del concetto di missione singola di telerilevamento con la programmazione e la realizzazione di sistemi di o. della T. che garantiscano la continuità e la coerenza dei dati a lungo termine. In questo contesto, sull’esempio della meteorologia, l’Unione Europea ha lanciato e già finanziato per i prossimi due decenni il programma Copernicus, che prevede sei missioni di satelliti, chiamati Sentinel, per le applicazioni geofisiche e ambientali; ciascuna missione avrà due satelliti per assicurare l’acquisizione di dati di telerilevamento a lungo termine.

Un altro grande cambiamento riguarda i dati: essi sono ora gratuiti e disponibili a tutti senza distinzione, acquisiti sistematicamente in modo automatico con alta ripetitività e distribuiti in rete. L’inizio del secolo è anche caratterizzato, infatti, dalla disponibilità nelle clouds in rete di grandi quantità di open data (prevale il concetto che dati acquisiti con soldi pubblici devono essere disponibili gratuitamente, un’importante conquista di data democracy) e di tanto materiale open source (soprattutto software e algoritmi). Questo comporta, in particolare, la crescita di piattaforme digitali e analogiche, la disponibilità di grandi volumi di dati e di grandi capacità remote di calcolo e offre la possibilità per il singolo di cercare e ottenere dalla comunità in rete elaborazioni, servizi e informazioni senza dover fare particolari investimenti (croudsourcing). Nello stesso tempo, i dati di telerilevamento migliorano in qualità, accuratezza e risoluzione, così da aumentare il peso del loro contributo nelle varie applicazioni disciplinari a tutte le scale e cominciare a quantificare l’influenza dell’uomo sulla natura. La popolarità del telerilevamento presso il grande pubblico è pertanto molto aumentata attraverso le immagini delle terre emerse ad alta risoluzione spaziale disponibili a tutti sulla rete Internet.

Al medesimo tempo, si è consolidata una crescita dei settori applicativi del telerilevamento che si era manifestata, sia a livello locale sia a scala globale, già negli ultimi decenni del 20° sec.: la preoccupazione sempre maggiore per la salute del pianeta e dell’ambiente e, conseguentemente, del genere umano a tutte le scale geografiche e temporali agisce da propulsore sia per la ricerca sia per nuove applicazioni operative. Poiché la caratteristica essenziale del telerilevamento si può sintetizzare nella possibilità di acquisire informazioni a distanza su un oggetto o un fenomeno con metodi sistematici, oggettivi, riproducibili e non intrusivi, si può comprendere perché le applicazioni dell’o. della T. siano sempre più diffuse, in particolare nelle discipline che hanno bisogno di informazioni provenienti con regolarità anche da zone impervie o desertiche, o da aree colpite da una catastrofe naturale o da un disastro antropogenico. È importante ricordare, tuttavia, che le serie temporali dei dati acquisiti con satelliti di telerilevamento sono relativamente corte rispetto ai tempi richiesti per valutazioni statistiche a lungo termine, per es. di tipo climatologico: il primo satellite per la meteorologia, TIROS-1 (Television Infra-Red Observation Satellite-1), fu lanciato il 1° aprile 1960 e il primo per l’osservazione del territorio, ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite-1) chiamato poi Landsat-1, il 23 luglio 1972, mentre i dati territoriali ad altissima risoluzione sono disponibili soltanto dal 1999, e ciò deve indurre a prudenza nelle valutazioni statistiche dei dati di telerilevamento.

Si servono principalmente del telerilevamento a scala globale soprattutto le discipline che si avvalgono di modelli fisico-matematici di analisi e previsione a quella scala, quali, per es., la geodesia, la climatologia, la meteorologia, l’oceanografia, la geofisica della terra solida, mentre tra gli utilizzatori a scala regionale e locale si distinguono le istituzioni di protezione civile (v.) e di pronto intervento.

Sviluppo tecnologico per il telerilevamento. – Lo sviluppo tecnologico ha messo a disposizione del telerilevamento sensori e strumenti ancora più performanti, vale a dire capaci di rilevare dati con aumentate risoluzioni spaziali, temporali, spettrali e radiometriche. Nell’ultimo decennio è diventata popolare una nuova piattaforma molto versatile: il drone (v.), un mezzo aereo teleguidato o programmato a priori che imbarca strumenti di telerilevamento e vola a bassa quota, per missioni di sorveglianza e di sicurezza.

Considerando il telerilevamento effettuato da satelliti per l’o. della T., nell’uso civile la risoluzione geometrica al suolo arriva ormai a 40 cm di dettaglio, la risoluzione temporale di satelliti in orbita polare bassa può essere di pochi giorni (nel caso dei satelliti geostazionari l’osservazione può essere quasi continua su aree limitate, per es. nel caso di uragani), la risoluzione spettrale può permettere l’osservazione iperspettrale (vale a dire simultaneamente in tante bande spettrali adiacenti ma indipendenti all’interno della stessa banda spettrale del visibile), e, infine, la risoluzione radiometrica offre la capacità di misurare l’energia incidente sul sensore con grande accuratezza nelle sue variazioni anche piccole e con alta precisione. La popolazione di satelliti per l’o. della T. è molto aumentata, con l’ingresso in campo, accanto ai molti sistemi di natura nazionale e istituzionale, anche di entità private, alcune delle quali offrono la disponibilità di dati commerciali ad altissima risoluzione, soprattutto nella banda spettrale del visibile. L’Agenzia spaziale italiana (ASI) e il ministero della Difesa gestiscono la costellazione COSMO (Constellation Of Small Satellites for Mediterranean basin Observation)-SkyMed, un sistema duale d’avanguardia: ciascuno dei quattro satelliti trasporta un radar a sintesi di apertura (synthetic aperture radar, SAR), consentendo la totale copertura del territorio della penisola, e non solo, con i dati rilevati ad alta risoluzione nella banda spettrale delle microonde alla lunghezza d’onda di 3 cm (banda X). Tra le varie applicazioni, molto importanti sono quelle interferometriche, sia per la generazione di modelli di elevazione del terreno (digital elevation model/digital terrain model, DEM/DTM), sia per il calcolo di spostamenti verticali del terreno in caso di eventi franosi o di terremoti tramite l’interferometria differenziale, sia per controllare la stabilità degli edifici con il metodo dei diffusori permanenti (permanent scatterers, PS). Molti degli algoritmi necessari all’elaborazione dei dati per le differenti applicazioni del telerilevamento si sono consolidati e, soprattutto a livello regionale e globale, fanno parte di procedure automatizzate per l’estrazione sistematica di parametri geofisici e ambientali e dei loro cambiamenti, quali, per es., la temperatura superficiale del mare, l’altezza della cima delle nubi, la copertura nuvolosa, l’altezza media e la direzione delle onde, il tipo di copertura del suolo e l’uso del terreno, la quantità e la distribuzione tridimensionale di vari gas atmosferici e così via. Peraltro, la vera forza del telerilevamento si esprime quando i dati telerilevati sono integrati con significativi dati di altra natura in un sistema informativo geografico per la generazione di prodotti tematici. Tutto ciò ha particolare importanza perché un’applicazione disciplinare possa dar luogo all’erogazione di un servizio, vale a dire alla fornitura sistematica di un’informazione o di dati derivati dal telerilevamento: per es., l’Unione Europea integra sistematicamente nelle sue analisi e previsioni del mercato agricolo comunitario le informazioni tematiche ottenute elaborando i dati di o. della T. tramite una procedura consolidata che permette di ottenere mappe di copertura e di uso del suolo secondo uno schema prefissato (Corine land cover-land use); infatti, la qualità, la completezza e la tempistica dei dati raccolti possono fare la differenza a livello di mercato mondiale. Un esempio molto rappresentativo della fornitura di un servizio su richiesta, invece, è quello fornito dal telerilevamento alle entità di protezione civile in caso di emergenza ambientale causata da un fenomeno naturale o dall’attività umana (chiamata anche disastro tecnologico). Dal 2000 esiste un programma, chiamato Carta internazionale dello spazio e dei disastri maggiori, attraverso il quale le entità spaziali aderenti si impegnano, a seguito della richiesta di un’istituzione di protezione civile, a fornire con la massima priorità immagini telerilevate e spesso prodotti tematici (per es., la cartografia delle aree inondate) del luogo affetto da un evento catastrofico per aiutare l’intervento delle squadre di soccorso e la valutazione dei danni da parte delle autorità. Terremoti, incendi, alluvioni, eruzioni vulcaniche, tsunami, sversamenti di petrolio in mare sono tra le catastrofi per le quali è più frequentemente richiesta l’attivazione della Carta: più di 110 nazioni sono state servite dal 2000 al 2012 per un totale di circa 400 eventi catastrofici. Il tempo di distribuzione delle immagini e di prodotti tematici appositamente generati per ogni tipo di evento si è molto ridotto, anche per il velocizzarsi delle comunicazioni e lo snellimento delle procedure.