I satelliti in orbita attorno alla Terra sono ormai un numero incredibile. Svariate decine sono solo quelli per l'osservazione della Terra operativi, e poi ci sono quelli per le telecomunicazioni, per la navigazione come i GPS e quelli di Galileo, ecc.
Continuiamo a parlare del presente e del futuro dell'osservazione della Terra, dando un'occhiata in questa "seconda puntata" a quella che è la situazione al giorno d'oggi.
Attualmente il satellite per l'osservazione della Terra che acquisisce immagini con il più alto livello di dettaglio è WorldView-3 di DigitalGlobe, che raggiunge una risoluzione spaziale di 30 cm a terra.
Trenta centimetri significa che un pixel dell'immagine è grande quanto una mattonella del bagno, quindi stiamo parlando di un livello di dettaglio altissimo.
Un livello di dettaglio visivo così alto permette di riconoscere non solo la presenza di particolari oggetti sulla superficie terrestre ("un aereo") ma anche qualità specifiche di questi oggetti ("un Boeing 747 che sta facendo rifornimento e sta caricando i bagagli, e quindi si appresta al decollo"). Gli utilizzi applicativi di questi dati come si può immaginare sono sterminati, dall'intelligence militare all'urbanistica, per arrivare al monitoraggio ambientale ed alle emergenze.
Oltre all'elevata risoluzione spaziale, questi satelliti sono però anche in grado di acquisire immagini con una sempre maggiore risoluzione spettrale, "fotografando" cioè la superficie terrestre in porzioni dello spettro elettromagnetico non visibili ad occhio nudo. Parliamo dell'infrarosso o dell'ultravioletto. L'analisi di immagini multispettrali con questo livello di dettaglio, che si può fare alternando la combinazione delle diverse bande con software dall'utilizzo intuitivo - come il mio preferito, ERDAS Imagine - permette di comprendere fenomeni non visibili ad occhio nudo, sia sulla superficie terrestre che nel mare. Ne ho parlato varie volte su questo blog. Nell'immagine accanto si vede come sia possibile riconoscere dettagli "sottomarini" in una zona costiera.
Come si vede nell'esempio a lato, il satellite si rivela la soluzione più efficiente per il controllo di grandi opere o di aree soggette a cambiamenti frequenti, a causa di interventi dell'uomo o per fattori ambientali, in tutti i casi in cui l'area non sia abbastanza vasta da giustificare i costi connessi ad un sorvolo aereo, ma al tempo stesso sia troppo grande o non adatta per essere fotografata con un drone.
Grazie ai costi contenuti delle acquisizioni satellitari, è quindi sempre più frequente l'utilizzo di questa tecnologia di rilievo per attività di monitoraggio.
Iniziano invece ad essere superati, ormai, gli utilizzi legati alla produzione di cartografia "tradizionale", per i quali le foto aeree sono secondo me la soluzione migliore. A meno che uno non abbia bisogno di creare da zero cartografia accurata di qualche area inesplorata dell'Africa o di altri posti sperduti del mondo: in questi casi un'acquisizione stereoscopica di un dato a 40cm di risoluzione assicura una base informativa di straordinaria qualità per derivare cartografia estremamente dettagliata.
Per esempio un altro contributo di grande valore da parte dei satelliti VHR sta nel supporto che offrono in situazioni di emergenza. Essendo sempre in orbita, in caso di condizioni meteo favorevoli possono facilmente ad acquisire immagini su aree critiche: qui accanto l'immagine acquisita sulla centrale nucleare di Fukushima in Giappone dopo il maremoto del 2011.
Chi è arrivato fin qui a leggere ed è preoccupato per la sua privacy, sentendosi "spiato" da tutte queste fotocamere costantemente in orbita nello spazio, può rilassarsi sapendo che questi satelliti attualmente hanno dei limiti nella capacità di acquisizione legati alle orbite ed a scelte progettuali che portano i satelliti di cui abbiamo parlato qui sopra, per esempio, a fare in genere acquisizioni sull'Italia sempre tra le 10:00 e le 11:30 AM. Quindi mai di pomeriggio; e poi a volte c'è cattivo tempo o semplicemente è nuvoloso.
Se allora vogliamo acquisire immagini in queste condizioni meteo o in altre ore del giorno (o persino della notte!) i sensori a bordo dei satelliti di cui abbiamo parlato finora però non servono: ecco che allora possiamo sfruttare i sensori satellitari di tipo RADAR.
Le immagini RADAR sono decisamente diverse da quelle di cui abbiamo parlato finora perché sono acquisite da sensori che, anziché rilevare la radiazione elettromagnetica emessa dal sole e riflessa dalla superficie terrestre, inviano essi stessi un segnale elettromagnetico sulla Terra e calcolano poi quantità e forma del segnale riflesso; le immagini risultanti da questo processo sono "strane" e difficili da usare per utenti non esperti, ma offrono a chi sa usarle enormi informazioni utili per tantissime applicazioni.
Sensori RADAR ad Apertura Sintetica (SAR) sono montati a bordo dei quattro satelliti che compongono la costellazione Cosmo-SkyMED, il fiore all'occhiello dell'industria aerospaziale italiana. che è in grado di acquisire ripetutamente immagini SAR su una stessa area a distanza anche di poche ore, di giorno o di notte, con il sole o con la pioggia (anche di questo ho parlato più volte su questo blog).
Se queste immagini sono difficili da interpretare ad occhio nudo, d'altro canto sono utilissime se analizzate confrontandole con dati acquisiti sulla stessa area in tempi diversi.
L'analisi della coerenza tra le due immagini fornisce informazioni su eventuali cambiamenti del territorio o su fenomeni in corso. E' possibile fare anche diverse misurazioni della posizione di uno stesso oggetto al suolo (per esempio un palo della luce), grazie all'analisi della fase del segnale di ritorno, confrontando i dati acquisiti da uno stesso satellite in momenti diversi o da più satelliti di una costellazione. Differenze anche minime della quota o della posizione dello stesso oggetto possono svelare spostamenti anche di pochi centimetri del suolo, il che rende queste applicazioni estremamente utili nel monitoraggio e nella prevenzione dei fenomeni franosi, oltre che di movimenti della crosta terrestre per fenomeni di subsidenza o altro.
Oltre ai quattro satelliti di Cosmo-SkyMed c'è anche la coppia di satelliti TerraSAR-X e TanDEM-X di Airbus DS in grado di fornire immagini SAR con risoluzione fino ad un metro, e nuove missioni sono in fase di realizzazione: tra queste va segnalate ovviamente la seconda generazione di Cosmo-SkyMed, che prevede il lancio del primo satellite della nuova costellazione fra poco più di 2 anni.
Nel frattempo però è operativo in orbita attorno alla Terra un satellite RADAR che ha cambiato le regole del gioco. Anche se non offre la risoluzione di cui abbiamo parlato finora, Sentinel-1 fornisce immagini SAR in maniera gratuita e con una licenza di tipo open.
Delle missioni Sentinel, del programma Copernicus e di tutte le altre opportunità di ottenere gratuitamente dati satellitari con licenze open, parleremo nelle prossima puntate.
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Questo post è il secondo di una serie dedicata all'osservazione della Terra:
Continuiamo a parlare del presente e del futuro dell'osservazione della Terra, dando un'occhiata in questa "seconda puntata" a quella che è la situazione al giorno d'oggi.
Attualmente il satellite per l'osservazione della Terra che acquisisce immagini con il più alto livello di dettaglio è WorldView-3 di DigitalGlobe, che raggiunge una risoluzione spaziale di 30 cm a terra.
Trenta centimetri significa che un pixel dell'immagine è grande quanto una mattonella del bagno, quindi stiamo parlando di un livello di dettaglio altissimo.
Un livello di dettaglio visivo così alto permette di riconoscere non solo la presenza di particolari oggetti sulla superficie terrestre ("un aereo") ma anche qualità specifiche di questi oggetti ("un Boeing 747 che sta facendo rifornimento e sta caricando i bagagli, e quindi si appresta al decollo"). Gli utilizzi applicativi di questi dati come si può immaginare sono sterminati, dall'intelligence militare all'urbanistica, per arrivare al monitoraggio ambientale ed alle emergenze.
Sono sempre più numerosi i satelliti in orbita che montano sensori in grado di fornirci immagini con risoluzione sub-metrica. Le chiamiamo VHR, Very High Resolution. Oggi queste immagini sono disponibili esclusivamente su base commerciale; il loro costo d'acquisto, a parità di risoluzione, sta però leggermente scendendo con il passare del tempo, man mano che diventano disponibili commercialmente nuovi dati con maggiore risoluzione spaziale e spettrale. Il prezzo oggi va da un minimo di una dozzina di Euro al chilometro quadro, per un'immagine già presente in archivio, a diverse decine di Euro al kmq per le immagini che il satellite acquisisce appositamente, su richiesta degli utenti.
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| Analisi batimetrica con satellite WorldView-2 - credits DigitalGlobe |
E' importante considerare che di satelliti in grado di acquisire immagini con risoluzione sub-metrica, in orbita, oggi ce n'è più d'uno. La sola DigitalGlobe ne gestisce 4, come si vede in questo video.
Se vogliamo parlare però di satelliti che operano come una vera costellazione, dobbiamo guardare come funzionano i due Pleiades. Gestiti da AIRBUS Defense & Space, sono due satelliti identici che forniscono immagini con risoluzione fino a 50cm a terra. La possibilità di aggiornare il piano di tasking fino a 3 volte al giorno fa si che questa costellazione sia davvero molto efficiente nelle sue acquisizioni. Anche se non raggiungono la straordinaria risoluzione dei satelliti di DigitalGlobe, permettono di effettuare monitoraggi davvero molto frequenti su una stessa area - se le condizioni meteo sono clementi - come si vede nel video seguente.
Oltre ai satelliti che forniscono immagini VHR, ce ne sono poi tanti che forniscono immagini ad alta (e non altissima) risoluzione, attorno ai 5 metri per pixel ed con risoluzioni crescenti. Andrebbero citati qui gli SPOT 5 e 6 operati di nuovo da Airbus DS, la costellazione di BlackBridge, i satelliti di Deimos ecc., ma non sto qui a fare l'elenco: i più curiosi possono consultare l'elenco di tutte le missioni EO operative in orbita e anche qualcuna in partenza nel prossimo futuro.
Che si scelga di utilizzare un solo satellite o una costellazione di satelliti, la crescente risoluzione temporale favorisce l'utilizzo di questa risorse spaziali per attività di monitoraggio. Per risoluzione temporale si intende la capacità del satellite di effettuare acquisizioni su una stessa area, con passaggi ripetuti a distanza di poche settimane o giorni.
Che si scelga di utilizzare un solo satellite o una costellazione di satelliti, la crescente risoluzione temporale favorisce l'utilizzo di questa risorse spaziali per attività di monitoraggio. Per risoluzione temporale si intende la capacità del satellite di effettuare acquisizioni su una stessa area, con passaggi ripetuti a distanza di poche settimane o giorni.
Come si vede nell'esempio a lato, il satellite si rivela la soluzione più efficiente per il controllo di grandi opere o di aree soggette a cambiamenti frequenti, a causa di interventi dell'uomo o per fattori ambientali, in tutti i casi in cui l'area non sia abbastanza vasta da giustificare i costi connessi ad un sorvolo aereo, ma al tempo stesso sia troppo grande o non adatta per essere fotografata con un drone.Iniziano invece ad essere superati, ormai, gli utilizzi legati alla produzione di cartografia "tradizionale", per i quali le foto aeree sono secondo me la soluzione migliore. A meno che uno non abbia bisogno di creare da zero cartografia accurata di qualche area inesplorata dell'Africa o di altri posti sperduti del mondo: in questi casi un'acquisizione stereoscopica di un dato a 40cm di risoluzione assicura una base informativa di straordinaria qualità per derivare cartografia estremamente dettagliata.
Secondo me quello del monitoraggio è il vero futuro dell'osservazione della Terra VHR. Credo che l'aumento della risoluzione per i satelliti possa avere senso per alcune applicazioni, ma secondo me risponde più a logiche di tecnology push che non ad una reale domanda dell'utenza. Parlo non solo della risoluzione spaziale, ma anche di quella spettrale. Oggi, come dice anche Giovanni Sylos Labini nell'intervista che ho condiviso la scorsa settimana, è invece importante privilegiare scelte strategiche che portino alla costruzione di sistemi e applicazioni realmente utili agli utenti.
La difficoltà ad intercettare una reale domanda dell'utenza pubblica e privata deriva anche dalle strategie commerciali dei data providers, che a volte li portano a definire prezzi assurdi per i dati con le risoluzioni più alte, o politiche di licenza dei dati che ne limitano fortemente l'utilizzo per distribuire i prodotti derivati dalle immagini con valore aggiunto.
Di questo discutevo qualche giorno fa con i cinesi di 21AT, che hanno appena lanciato 3 mini satelliti fatti da SSTL e che, anche se hanno "solo" 1 metro di risoluzione, possono sicuramente fare la differenza come costellazione orientata alle acquisizioni frequenti per il monitoraggio. Il loro successo dipenderà dall'efficienza della costellazione ed ovviamente dal posizionamento commerciale della loro offerta.
Per esempio un altro contributo di grande valore da parte dei satelliti VHR sta nel supporto che offrono in situazioni di emergenza. Essendo sempre in orbita, in caso di condizioni meteo favorevoli possono facilmente ad acquisire immagini su aree critiche: qui accanto l'immagine acquisita sulla centrale nucleare di Fukushima in Giappone dopo il maremoto del 2011.Chi è arrivato fin qui a leggere ed è preoccupato per la sua privacy, sentendosi "spiato" da tutte queste fotocamere costantemente in orbita nello spazio, può rilassarsi sapendo che questi satelliti attualmente hanno dei limiti nella capacità di acquisizione legati alle orbite ed a scelte progettuali che portano i satelliti di cui abbiamo parlato qui sopra, per esempio, a fare in genere acquisizioni sull'Italia sempre tra le 10:00 e le 11:30 AM. Quindi mai di pomeriggio; e poi a volte c'è cattivo tempo o semplicemente è nuvoloso.
Se allora vogliamo acquisire immagini in queste condizioni meteo o in altre ore del giorno (o persino della notte!) i sensori a bordo dei satelliti di cui abbiamo parlato finora però non servono: ecco che allora possiamo sfruttare i sensori satellitari di tipo RADAR.
Le immagini RADAR sono decisamente diverse da quelle di cui abbiamo parlato finora perché sono acquisite da sensori che, anziché rilevare la radiazione elettromagnetica emessa dal sole e riflessa dalla superficie terrestre, inviano essi stessi un segnale elettromagnetico sulla Terra e calcolano poi quantità e forma del segnale riflesso; le immagini risultanti da questo processo sono "strane" e difficili da usare per utenti non esperti, ma offrono a chi sa usarle enormi informazioni utili per tantissime applicazioni.Sensori RADAR ad Apertura Sintetica (SAR) sono montati a bordo dei quattro satelliti che compongono la costellazione Cosmo-SkyMED, il fiore all'occhiello dell'industria aerospaziale italiana. che è in grado di acquisire ripetutamente immagini SAR su una stessa area a distanza anche di poche ore, di giorno o di notte, con il sole o con la pioggia (anche di questo ho parlato più volte su questo blog).
L'analisi della coerenza tra le due immagini fornisce informazioni su eventuali cambiamenti del territorio o su fenomeni in corso. E' possibile fare anche diverse misurazioni della posizione di uno stesso oggetto al suolo (per esempio un palo della luce), grazie all'analisi della fase del segnale di ritorno, confrontando i dati acquisiti da uno stesso satellite in momenti diversi o da più satelliti di una costellazione. Differenze anche minime della quota o della posizione dello stesso oggetto possono svelare spostamenti anche di pochi centimetri del suolo, il che rende queste applicazioni estremamente utili nel monitoraggio e nella prevenzione dei fenomeni franosi, oltre che di movimenti della crosta terrestre per fenomeni di subsidenza o altro.Oltre ai quattro satelliti di Cosmo-SkyMed c'è anche la coppia di satelliti TerraSAR-X e TanDEM-X di Airbus DS in grado di fornire immagini SAR con risoluzione fino ad un metro, e nuove missioni sono in fase di realizzazione: tra queste va segnalate ovviamente la seconda generazione di Cosmo-SkyMed, che prevede il lancio del primo satellite della nuova costellazione fra poco più di 2 anni.
Nel frattempo però è operativo in orbita attorno alla Terra un satellite RADAR che ha cambiato le regole del gioco. Anche se non offre la risoluzione di cui abbiamo parlato finora, Sentinel-1 fornisce immagini SAR in maniera gratuita e con una licenza di tipo open.
Delle missioni Sentinel, del programma Copernicus e di tutte le altre opportunità di ottenere gratuitamente dati satellitari con licenze open, parleremo nelle prossima puntate.
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Questo post è il secondo di una serie dedicata all'osservazione della Terra:
