Evoluzione spazio temporale della copertura vegetale attraverso tecniche di telerilevamento satellitare

Introduzione 
 
ambientali come uno strumento che permette lo studio e la comprensione di 
fenomeni in altro modo non investigabili. Il telerilevamento fornisce una  visione 
sinottica e un’osservazione ripetuta e regolare del territorio, oltre ad  una disponibilità di dati 
aggiornata in tempo reale e alla precisione geometrica di un pixel (superficie 
elementare che costituisce l’immagine).  
La vegetazione, nell’ambito degli studi del territorio, è un indicatore delle 
condizioni di tutto l’ecosistema, dallo stress ambientale alle sue evoluzioni locali 
regionali e globali. Un drastico cambiamento delle condizioni vegetali comporta 
gravi conseguenze sull’economia, l’ambiente e la salute umana. 
Con l’intento di monitorare i cambiamenti della vegetazione e 
comprenderne gli effetti sull’ambiente, già da tempo la comunità scientifica usa il 
telerilevamento per misurare densità e condizioni della vegetazione sulla 
superficie terrestre. 
Le condizioni della vegetazione e la sua evoluzione nel tempo e nello 
spazio risultano strettamente legate ad eventi idrologici estremi, sia siccitosi che 
alluvionali. Nello studio delle aree a rischio di siccità, ad esempio, parametro da 
stimare è l’evapotraspirazione potenziale, strettamente correlata allo stress della 
vegetazione; nella creazione di modelli idrologici di bacino, invece, assume un 
ruolo di rilevante importanza l’uso del territorio: a variazioni di usi del suolo ( e 
quindi di densità vegetativa) corrispondono coefficienti di deflusso diversi nelle 
stime dei fenomeni di piena.  
Questi eventi incidono su vaste aree territoriali e necessitano quindi di 
studi a scala regionale. 
Obbiettivo del lavoro di tesi è uno studio dell’evoluzione della vegetazione 
sulla provincia di Cosenza attraverso l’uso di immagini satellitari. A questo scopo 
è stato selezionato un set di dati di un anno da cui sono stati estratti alcuni indici 
di vegetazione.  
Introduzione 
 
Sull’area di studio scelta, storicamente segnata da eventi idrologici estremi 
e dunque ad elevato rischio ambientale come tutto il territorio regionale, sono 
state selezionate delle sezioni trasversali sulle quali sono state effettuate indagini 
approfondite: confronti tra diversi indici di vegetazione per investigare le 
relazioni tra usi del suolo e dati telerilevati; analisi di dati provenienti da sensori 
differenti – sia per risoluzione geometrica che radiometrica- e verifica di un 
comune andamento dell’informazione; studi stagionali sull’evoluzione della 
vegetazione. 
A scala più piccola e con un’immagine più dettagliata (bacino torrente 
Turbolo) è stata verificata l’informazione satellitare con misure di campo e foto-
interpretazione, verificando le correlazioni tra indici di vegetazione e usi del 
suolo e, pertanto, investigando la possibilità di utilizzare direttamente i dati 
satellitari come parametri idrologici. 
Nello presente lavoro le fasi di gestione dell’immagine satellitare sono 
state attentamente implementate e controllate al fine di ottenere un set  annuale 
di coperture di vegetazione mensili attendibili della provincia di Cosenza, oltre 
che sperimentare e testare tecniche di analisi per confronti spaziali e temporali sugli 
indici di vegetazione. 
 
 
  
CAPITOLO 1. IL TELERILEVAMENTO  
1.1 Definizioni e Origini del telerilevamento  
Il telerilevamento è la scienza e l’arte di ottenere informazioni su un 
oggetto, un’area o un fenomeno, attraverso l’analisi di dati acquisiti da un sensore 
non in diretto contatto con l’oggetto, l’area, o il fenomeno investigato. 
La superficie terrestre, infatti, attraverso l’energia elettromagnetica che 
emana, può fornire informazioni sulle proprietà fisiche chimiche e biologiche del 
suolo, dell’acqua e della vegetazione costituenti l’ecosistema terrestre. 
Il telerilevamento nasce nel 1840 quando tramite le mongolfiere si 
acquisiscono le prime immagini del territorio con la macchina fotografica da 
poco inventata; in Germania nel 1891 Ludwig Rahrmann riceve un attestato per 
un “New or Improved Apparatus for Obtaining Bird’s Eye Photographic 
Views”: si tratta delle prime foto a “ volo d’uccello” scattate da una macchina 
fotografica (apparatus) montata su un piccolo missile e recuperata tramite un 
paracadute. 
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
Ma probabilmente alla fine del diciannovesimo secolo la piattaforma più 
nuova è la rinomata flotta di piccioni “reporter” che opera come novità in 
Europa.  
 
 
Fig.   1. “Piccioni reporter” . Fonte: Planetek Italia. 
 
La fotografia aerea diventa uno strumento strategico riconosciuto durante 
la Prima Guerra Mondiale e lo è a pieno nella Seconda. L'entrata ufficiale dei 
sensori nello spazio comincia con l'inclusione di piccole macchine fotografiche 
automatiche a bordo dei missili tedeschi V-2 lanciati dalle stazioni di “ White 
Sands Proving Ground” in New Mexico tra il 1946 e il 1950. Benché 
generalmente di scarsa qualità le fotografie prodotte in questi primi lanci spaziali 
dimostrano l’importanza e le potenzialità del “rilevamento” dallo spazio. 
Nel 1960, con l’avvento dei satelliti meteorologici si ottengono le prime 
indistinte immagini della superficie terrestre dal satellite TIROS-1 e nel corso 
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
degli anni sessanta con le missioni Mercurio, Gemini e Apollo il futuro del 
telerilevamento dallo spazio si delinea con maggiore chiarezza.  
La missione Gemini prevede i primi esperimenti fotografici a scopi di 
indagine geologica e acquisisce fotografie ad una scala di 1:2.400.000: alla fine del 
programma 1100 fotografie di alta qualità sono a disposizione per studi 
ambientali e l’importanza del telerilevamento dallo spazio è scientificamente 
riconosciuta. Durante la missione Apollo 9 vengono acquisiti 140 sets di 
immagini in soli quattro giorni usando per la prima volta un “array” di quattro 
macchine fotografiche e introducendo il concetto di fotografia multispettrale.  
Ma il telerilevamento raggiunge una completa maturità con l’introduzione 
del concetto di sistematicità: l'acquisizione periodica di immagini sulla Terra 
garantirà una copertura fotografica sistematica e ripetitiva dell’intera superficie 
terrestre. 
Nel 1972 viene lanciato il Landsat-1, primo satellite espressamente 
dedicato al monitoraggio di terre e oceani con lo scopo di mappare risorse 
culturali e naturali.  
A partire dal 1980 il Landsat è stato privatizzato ed in diverse nazioni, tra 
cui Francia, Stati Uniti, Russia e Giappone, ha avuto inizio un utilizzo più vasto e 
commerciale del telerilevamento, oggi strumento scientifico e tecnologico 
indispensabile per indagare le superfici terrestri e l’atmosfera. 
Per meglio comprendere l’innovazione e il “salto” di prospettiva che si 
compie con l’immagine da satellite, è utile confrontare quest’ultima con 
l’immagine “tradizionale”, per lo più orizzontale o obliqua. 
In figura 2 è riportata un’immagine del centro Nord dello Utah, ripreso 
dal Landsat-1 quindici giorni dopo il lancio (7 Agosto 1972).  
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
 
Fig.   2. Landsat 1, TM image, Nord dello Utah, Agosto 1972. Fonte: Planetek 
Italia. 
Ben visibili nell’immagine la vegetazione rigogliosa (in rosso brillante) 
delle montagne del Wasatch e i deserti (nei toni di grigio) dello Utah occidentale. 
Domina la scena in alto il Grande Lago Salato e sulla sua propaggine orientale la 
città di Salt Lake City, più a sud il Lago Utah.  
In figura 3 è invece riportata una veduta quasi orizzontale della città di Salt 
Lake City e del Fronte Wasatch ad Est, ripresa da aereo. 
 
 
Fig.   3. Immagine Aerea, Salt Lake City, Utah. Fonte: Planetek Italia. 
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
1.2 Lo spettro elettromagnetico 
Secondo la teoria elettromagnetica se in un punto dello spazio vuoto o di 
un mezzo dielettrico è presente un campo magnetico variabile, ad esempio per 
effetto di una corrente di intensità variabile nel tempo, questo genera un campo 
elettrico variabile, le cui linee di forza si richiudono attorno alle linee del campo 
magnetico. A sua volta il campo elettrico generato crea un nuovo campo 
magnetico, ugualmente variabile: ha così origine una serie di campi concatenati ai 
quali si dà il nome di campi elettromagnetici.  
Grazie a questa interdipendenza, il campo elettrico ed il campo magnetico 
possono essere considerati come due aspetti di un’unica grandezza fisica, il 
campo elettromagnetico, in grado di propagarsi a distanza indefinita dalla 
sorgente; tale fenomeno è indicato anche col termine di radiazione elettromagnetica.  
Le onde elettromagnetiche costituiscono una delle modalità più comuni ed 
importanti di propagazione dell’energia associata al campo elettromagnetico e 
sono caratterizzate: dalla velocità di propagazione smc /103
8
⋅≅  (nel vuoto); dalla 
lunghezza d’onda λ, che rappresenta la distanza tra i due punti di un’onda che ne 
definiscono un ciclo completo; dalla frequenza ν, che indica il numero di cicli 
completi compiuti dall’onda nell’unità di tempo; dall’’intensità S, legata 
all’ampiezza dell’onda, che rappresenta la quantità di energia trasportata 
dall’onda che attraversa nell’unità di tempo una superficie unitaria ortogonale alla 
direzione di propagazione. Tali grandezze sono tra loro correlate tramite le 
seguenti equazioni, dove T= periodo dell’onda :  
;cT=λ  ;/1 ν=T  νλ /c=  
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
 
Fig.   4. Rappresentazione di un’onda elettromagnetica piana.  
Nel telerilevamento è uso comune identificare le onde elettromagnetiche 
dalla collocazione della loro lunghezza d’onda nello spettro elettromagnetico.  
Quest’ultimo è definito come l’insieme continuo delle onde 
elettromagnetiche ordinate secondo la loro frequenza e lunghezza d’onda ed è 
suddiviso nelle seguenti  regioni: 
DENOMINAZIONE SIGLA FREQUENZA LUNGHEZZA D’ONDA
Frequenze estremamente 
basse 
ELF 
(Extremely Low Frequency) 
30-300 Hz 10000 – 1000 km 
Frequenze vocali 
VF 
(Voice Frequency) 
0.3-3 kHz 1000 – 100 km 
Frequenze bassissime 
VLF 
(Very Low Frequency) 
3-30 kHz 100 – 10 km 
Frequenze 
basse 
LF 
(Low Frequency) 
30-300 kHz 10 – 1 km 
Frequenze 
medie 
MF 
(Medium Frequency) 
0.3-3 MHz 1 km – 100 m 
Alte 
frequenze 
HF 
(High Frequency) 
3-30 MHz 100 – 10 m 
R
A
D
I
O
F
R
E
Q
U
E
N
Z
E
 
(
R
F
)
 
Frequenze 
altissime 
VHF 
(Very High Frequency) 
30-300 MHz 10 – 1 m 
onde 
decimetriche 
UHF 
(Ultra High Frequency) 
0.3-3 GHz 1 m – 10 cm 
onde 
centimetrich
e 
SHF 
(Super High Frequency) 
3-30 GHz 10 – 1 cm 
M
I
C
R
O
O
N
D
E
 
 
(
M
W
)
 
onde 
millimetrich
e 
EHF 
(Extra High Frequency) 
30-300 GHz 1 cm – 1 mm 
Infrarosso 
IR 
(Infra Red) 
0.3-385 THz 1000 – 0.78 µm 
Luce visibile LV 385-750 THz 0.78 – 0.4 µm 
Ultravioletto 
UV 
(Ultra Violet) 
750-3000 
THz 
400 – 100 νm 
Radiazioni ionizzanti (X, gamma) >3000 THz <100 νm 
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
Occorre tenere presente che, in realtà, le classi in cui è suddiviso lo spettro 
elettromagnetico non hanno limiti superiori o inferiori ben definiti, ma 
rappresentano intervalli di frequenza per i quali esiste un insieme comune di 
tecniche sperimentali, di applicazioni, di sorgenti e di mezzi di rilevazione. 
 
Fig.   5. Spettro delle onde elettromagnetiche. 
1.3 Principi fisici 
Qualunque corpo, se a temperatura superiore dello zero assoluto, emette 
radiazioni elettromagnetiche proprie che dipendono dalla temperatura del corpo 
e dalle caratteristiche fisiche-chimiche-geometriche della sua superficie, mentre 
riflette, assorbe o trasmette le radiazioni elettromagnetiche provenienti 
dall’esterno. 
La legge generale dell’emissione elettromagnetica fu enunciata da Planck 
nel dicembre del 1900 nella forma: 
1
2
52
−
=
−
kT
ch
e
hc
W
λ
λ
λπ
 [ ]
12 −−
⋅ mcmW µ  
con: 
W
λ
=potenza radiante per unità di superficie e di lunghezza d’onda 
λ=lunghezza d’onda [µm] 
T= temperatura assoluta [K] 
Capitolo 1. Il telerilevamento 
 
 
π=3.1415 
[ ]
110
1099.2
−
⋅= cmsc  (velocità della luce nel vuoto) 
[ ]
234
1062.6 Wsh
−
⋅=  (costante di Planck) 
[ ]
123
1038.1
−−
⋅= WsKK  (costante di Boltzmann) 
e=2.7182 
La legge di Planck così espressa è valida per una superficie di corpo nero o 
corpo ideale capace di assorbire, cioè, tutte le radiazioni elettromagnetiche su di 
essa incidenti e di emettere energia elettromagnetica in modo continuo su tutto 
lo spettro con massimo rendimento. 
Integrando la legge di Planck su tutto lo spettro si ottiene la potenza 
radiante per unità di superficie di corpo nero, il cui valore è oggetto della legge di 
Stefan-Boltzmann: 
∫
∞=
=
==
2
1
0
4
λ
λ
λ
σλ TdWW  [ ]
2−
⋅ cmW  
dove: 
σ=5.67*10
-12 
 [W cm
-2
 K
-4
] (costante di Stefan-Boltzmann) 
La legge di Planck è una funzione dotata di un massimo di potenza per le 
varie temperature, ma prima ancora che fosse definita, nel 1893 Wien enunciò la 
legge che mette in relazione la lunghezza d’onda corrispondente al massimo di 
energia emessa da una superficie (λ
max
) con il suo valore di temperatura (T): 
T
2890
max
=λ  
dove T (espressa in gradi Kelvin) è la temperatura assoluta di corpo nero. 
Per ogni valore di temperatura, dunque, esiste una lunghezza d’onda a cui 
è associato il picco di emissione.