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Firenze, 15 Dicembre 2005Firenze, 15 Dicembre 2005
DETDET
Dipartimento di Elettronica e TelecomunicazioniDipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni
Laboratorio di TelecomunicazioniLaboratorio di Telecomunicazioni Università degli Università degli Studi di FirenzeStudi di Firenze
Telerilevamento da sensore MERIS (satellite ENVISAT) Telerilevamento da sensore MERIS (satellite ENVISAT) di indici di vegetazione (MGVI, MTCI, NDVI) su terra e di indici di vegetazione (MGVI, MTCI, NDVI) su terra e
di concentrazioni (clorofilla, SPM) su maredi concentrazioni (clorofilla, SPM) su mare
Regione di studio Toscana
Candidato: Saverio Mori
Relatori:Relatori:
Prof. P.F. PellegriniProf. P.F. Pellegrini
Prof. M. GherardelliProf. M. Gherardelli
Prof. M. FossiProf. M. Fossi
Co-relatore:Co-relatore:
Ing. M. TommasiniIng. M. Tommasini
Tesi di Laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni
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Obiettivi
Generazione di mappe di prodotti geofisici al suolo su scala regionale in proiezione Mercatore, utilizzando dati satellitari ad alta risoluzione.
Prodotti richiesti: indici di vegetazione su terra; clorofilla, materia sospesa etc. su mare.
Satellite: ENVISAT (europeo, ESA)
Sensore: MERIS (spettrometro VIS, NIR)
Procedure software da realizzare per tale scopoLettura ed estrazione dei dati MERIS (Livello 1B)
Geolocazione
Correzione atmosferica
Ottenimento di mappe di prodotti geofisici
Valutazione dei risultati e realizzazione di algoritmi migliorativi
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Catena realizzata per elaborazione dati ENVISAT MERIS
File MERISLivello 1B
ExtEnv06.exe
Estrazione datiMERIS Liv. 1B
sgSMAC01.exe
Correzioneatmosferica
RiproiezioneMercatore
Parametri verità
Geolocazione eRiproiezioneMercatoreRadianze
Ottenimentodi prodottigeofisici
Mappe geofisichein proiezione
Mercatore
Ottenimentodi prodottigeofisici
Mappe geofisichein proiezione
Mercatore
Parametri atmosfericiZenit/azimut Sole e satellite
Radianze
CATENA REALIZZATAMERIS Livello 1B
Riflettanze corrette per atm.
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Spettrometro ESA ENVISAT MERIS15 bande spettrali nel visibile (tra 412.5 e 900 [nm])Risoluzione a terra 260 [m] x 290 [m]
Dislocazione in frequenza delle bande spettrali del sensore MERIS a bordo del satellite ENVISAT
407,5
437,5
485
505
555
615
660
677,5
700
750
758,75
767,5
855
885
895
417,5
447,5
495
515
565
625
670
685
710
757,5
761,25
782,5
875
895
905
350 450 550 650 750 850 950
1 - 412.5 nm
2 - 442.5 nm
3 - 490 nm
4 - 510 nm
5 - 560 nm
6 - 620 nm
7 - 665 nm
8 - 681.25 nm
9 - 705 nm
10 - 753.75 nm
11 - 760 nm
12 - 775 nm
13 - 865 nm
14 - 890 nm
15 - 900 nm
can
ali d
el s
enso
re e
lun
gh
. d'o
nd
a ce
ntr
ale
lunghezza d'onda [nm]
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Dati MERIS Livello 1B
Prodotti e distribuiti da ESA
Radianze calibrate ricampionate su griglia regolare (2241 x 2241 pixel)
Comprendono informazioni aggiuntive date per una selezione dei punti (Tie Points)
Latitudine/longitudine
Zenit/azimut del Sole e del satellite
Parametri atmosferici
Traccia subsatellite
Scena MERIS 15.08.2002 10:00 UTC
Tie Point
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Elaborazione dati MERIS: Geolocazione
Si determinano latitudine e longitudine di ogni pixel della scena ripresa
Realizzate 2 catene di geolocazione MERIS
1. Con metodo ESA (rosso, coordinate da dati Livello 1B)
2. Con metodo appositamente sviluppato (blu, ricostruzione della scansione satellitare)
I risultati ottenuti sono stati verificati con la cartografia ufficiale italiana digitalizzata
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1. Geolocazione MERIS con metodo ESA
DF)FDJ,X(JDF
fF)DJ,X(J
DF
fDF
DJ
j
DF)FX(J,DF
fF)X(J,
DF
fDF
DJ
jDJf)Fj,X(J
Interpolazione su ogni punto della scena MERIS delle coordinate date nei punti verità (tie points) Livello 1B
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1. Geolocazione MERIS con metodo ESA
Riscontrato lieve errore, dipendente dai dati Livello 1B
Errore nel software
ESA di geolocazione v. anche [Goryl 2005]
Nel caso di studio in
esame, l’errore è
391 [m] v. Sud-Ovest
Traslazione391 [m]
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2. Geolocazione MERIS con metodo appositamente realizzato
Estese al caso MERIS le tecniche consolidate presso il Laboratorio di Telecomunicazioni
Il metodo utilizza due punti verità su mappa, i parametri orbitali (2Lines) del passaggio satellitare e i timecode di scansione
Ricostruzione del passaggio orbitale e della scansione
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con metodo appositamente realizzato
Algoritmo più flessibile
Qualità del risultato ottenuto dipendente dalla scelta dei punti verità
Errore sull’ordine del pixel (100 [m])
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Caso di Studio: Toscana 15.08.2002 10:00 UTC
Longitudine Est 9°12’Longitudine Ovest 12°24’Latitudine Sud 42°12’Latitudine Nord 44°30’Scala 1:2000000Larghezza 130.50 [mm]Altezza 128.55 [mm]DPI 180 [pixel/inch] Pixel per riga 925Righe per carta 911Pixel per mm. 7.086614279658614Pixel per ‘lon. 4.816593322386183
Punti di misura ARPAT marePunti di misura ARPAT mare
Misure a 500, 1000 e 3000 [m] da coste di temperatura, conc. clorofilla “a”, torbidità, etc.
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Classificazione MERIS terra-mare-nubi
Necessità di individuare e scartare i pixel di nubi
Implementato un algoritmo a soglie per la classificazione terra-mare-nubi dei pixel [Gobron (a) 2002]
Non individua bene i pixel nuvolosi su mare
Non distingue i pixel acquatici da quelli d’ombra
Sviluppato in questo Lavoro un nuovo algoritmo di classificazione
Miglior riconoscimento delle nubi su mare
Permette di individuare le zone d’ombra su terra
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Ottenimento di indici di vegetazione MERIS: Meris Global Vegetation Index (MGVI)
Stima della quantità di vegetazione e del tipo di superficieStudiato per stimare la Fraction of Absorbed Photosinthetically Active Radiation (FAPAR)Indice robusto a effetti atmosferici e del terrenoImplementate e verificate 3 varianti dell’algoritmo [Gobron (a) 2002], [Gobron (b) 2002], [Gobron 2004]
I risultati ottenuti con [Gobron 2004]si differenziano da [Gobron (a) 2002] e [Gobron (b) 2002], e utilizzano un database di calibrazione più completo
[Gobron 2004]
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Ottenimento di indici di vegetazione MERIS: Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)
Monitoraggio dello stato della vegetazione e classificazione del terreno
Ottenibile da dati AVHRR e MERIS
NDVI MERIS e AVHRR non confrontabili (diversa copertura spettrale): testato algoritmo MERIS compatibile AVHRR [Gunther 2004] in aggiunta a 1 MERIS standard
AVHRRMERISMERIS
compatibile
AVHRR
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Ottenimento di indici di vegetazione MERIS: Meris Terrestrial Chlorophyll Index (MTCI)
Osservazione del contenuto di clorofilla, della senescenza della vegetazione e del suo stress per carenze idriche o nutrizionali.
Studiato per stimare la la Red Edge Position [Dash 2003] (ottenibile anche in modo indipendente)
MTCI è più robusto e generale di REP al crescere della concentrazione di clorofilla
Implementati un algoritmo REP e uno MTCI
MTCIREP
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Correlazioni tra gli indici di vegetazioneStudiata la correlazione tra le mappe MERIS precedentemente illustrate di indici di vegetazione .
REP e MTCI: > 0.96MGVI e NDVI: 0.9NDVI e NDVI comp. AVHRR: > 0.99MGVI/NDVI e MTCI/REP: 0.7
MGVI MTCI REP NDVI
MTCI 0.745
REP 0.729 0.961
NDVI 0.897 0.718 0.708
NDVI comp. AVHRR 0.9 0.718 0.698 0.995
1
0
1
0
21
0
1
0,,
1
0
1
0
21
0
1
0,,
1
0
1
0
*1
0
1
0,,
1
0
1
0,,
)/(11
1)/(1
1
1
)/(1)/(1)/(1
),(m
i
n
j
m
x
n
yyxji
m
i
n
j
m
x
n
yyxji
m
i
n
j
m
x
n
yyxji
m
x
n
yyxji
BnmBnm
AnmAnm
BnmBAnmAnm
BAcorr
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Prodotti MERIS su mare: concentrazione di clorofilla “a”
Monitoraggio dello stato del fitoplancton, dal quale dipende l’intero ecosistema marino
Implementati 4 algoritmi semianalitici
Confrontati i risultati ottenuti con le misure a mare del database ARPAT
Algoritmo
MERIS 05
La maggiore correlazione con lemisure a mare ARPAT si è ottenutacon l’algoritmo MERIS 2005
44
33
2210
560
510
560
490
560
442
log
log,log,logmax
RaRaRaRaaC
R
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Valutazione Conc. Clorofilla con database ARPAT
Confronto dei valori ottenuti dai 4 algoritmi analizzati con le misure in situ ARPAT su 42 punti di prelievo a mare
Ansedonia
Cala F
orno
Foce O
mbrone
Elba M
ola
Elba N
ord
Carbonifera
M.
di C
astagneto Rosignano L.
Antignano
Livorno
Foce A
rno
Fium
e Morto
Nettuno
Cinquale
Conc. C
lorofilla “a” [mg m
-3]
o-o-o In situ+-+-+ OC4v4+-+-+ MERIS 2005+-+-+ Santini+ + + MUMM-CHL
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10Confronto Clorofilla
Correlaz. Errore Medio
RMS
OC4v4 0.565 0.965 1.661
MERIS 05 0.592 1.361 1.99
Santini 0.364 -0.836 1.804
MUMM-CHL
-1.129 18.94 20.38
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Prodotti MERIS su mare da fluorescenza algale: indice Fluorescence Line Height (FLH)
Sviluppato da [Gower (a) 2003] per osservare il segnale di fluorescenza a 685 [nm] emesso dalla clorofilla algale
Questo segnale è indicatore della presenza e quantità di clorofilla in acque costiere complesse
Implementate 2 varianti dell’algoritmo usando una diversa combinazione di bande
I risultati più precisi si sono ottenuti con la combinazione 665, 681 e 708 [nm]
665708
665681665708665681
LLLkLFLH b
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Prodotti MERIS su mare da fluorescenza algale: concentrazione di clorofilla “a”
Utilizzando l’indice FLH è possibile stimare la conc. di clorofilla “a”
L’algoritmo [Gower (a) 2004] implementato tende a sovrastimare la concentrazione di clorofilla
Effettuata calibrazione locale
ss
s
kFLHa
kFLHC
cos2.02.0cos
cos
10
1
k1 a0
[Gower (a) 2004] -0.265 0.18
Calibrata -0.267 0.815
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Prodotti MERIS su mare :concentrazione di materia sospesa
(Suspended Particulate Matter SPM)
Le sostanze in sospensione influenzano molto l’habitat marinoLa materia sospesa è un indicatore dell’erosione dei terreni E’ riconoscibile da satellite in quanto molto riflettente nel vicino infrarossoImplementate 2 procedure
Specifica MERIS [Nechad 2003]Data fusion MERIS – AVHRR, procedura originale sviluppata in questo Lavoro
Valutati i risultati ottenuti tramite il database di misure in situ ARPAT di torbidità e materia sospesa
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Concentrazione di materia sospesa SPM:algoritmo specifico MERIS
La distribuzione di SPM è scarsamente attendibile
L’algoritmo sovrastima la concentrazione di SPM al largo
Necessità di calibrazione locale
Algoritmo sensibile al
riflesso solare
]/[5.4708ˆ753ˆ
]/[5.4708ˆ708ˆ
0.18669ˆ
,
LmgSseS
LmgSseSSPM
BASW
WQ
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Concentrazione di materia sospesa SPM:algoritmo realizzato AVHRR-MERIS
Sviluppato in questo Lavoro basandosi su [Ruddick 1998]Presentato al MERIS and (A)ATSR User Workshop, ESRIN Frascati , settembre 2005 Utilizza la radianza del canale AVHRR 1 e una mappa di clorofilla MERIS
Migliore individuazione e stima della materia sospesa
***
65.04401
20
2
0.0949/
0.0949
][06.04402.0][
48.00.04310.02111
/
SSS
bwwk
wbw
NwNw
baR
bMR
SPM
bchlaechlabM
mLJFmLR
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ConclusioniRealizzata una catena di elaborazione completa di dati MERIS Liv. 1B
Sviluppati e implementati 19 algoritmi per l’ottenimento di prodotti geofisici (indici di vegetazione MGVI, MTCI, NDVI, individuazione dei pixel nuvolosi, indice di fluorescenza FLH, mappe di concentrazione di clorofilla e materia sospesa) su terra e su mare
Realizzati nuovi algoritmiGeolocazione con ricostruzione della scansione satellitare
Classificazione terra-mare-nubi dei pixel
Materia sospesa SPM con data fusion MERIS-AVHRR, presentato al MERIS and (A)ATSR User Workshop, ESRIN Frascati, settembre 2005
Valutazione dei risultati ottenuti su mare tramite database ARPAT
Analisi e confronti dei risultati ottenuti da geolocazione e indici di vegetazione
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Sviluppi Futuri
Sviluppi Futuri:Progetto approvato da ESA di validazione prodotti MERIS su mare (project ID 2541 “Validation of the MERIS data products on the Tuscany Sea”)
Uso di indici di vegetazione MERIS per il monitoraggio della copertura vegetativa e del suo stato di salute (es. progetto Interreg IIIB MEDOC SEDEMEDII – Sécheresse et désertification dans le bassin Méditerranée II)
Uso dei dati MERIS Livello 1B per studi sulla geolocazione
Studio dell’altezza e posizione delle nubi utilizzando le mappe MERIS di classificazione terra-mare-nubi ottenute con l’algoritmo realizzato