I droni per il monitoraggio dell'ambiente · • Monitoraggio delle velocità superficiali di...

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Il rapporto Assoarpa su Earth Observation e Droni: opportunità e criticità

di utilizzazione dei SAPR nelle agenzie ambientali

I droni per il monitoraggio dell'ambiente

Enrico Zini

ARPA Lombardia

organizzato da 2

Introduzione

• Assoarpa ha istituito in ottobre 2015 il Gruppo di Lavoro "Earth Observation: analisi delle attività osservabili da satelliti e a mezzo di APR".

• L'obiettivo del Gruppo di Lavoro è stato quello di fornire alla dirigenza delle ARPA/APPA gli elementi essenziali per comprendere quali contributi informativi l’Earth Observation da satellite e da SAPR può fornire a supporto delle attività istituzionali delle Agenzie.

• Output del Gruppo di Lavoro: "Rapporto Earth Observation: Analisi delle attività osservabili da satelliti".

organizzato da 3

Introduzione

• Il Gruppo di Lavoro era costituito da 7 Agenzie:

ARPA/APPA Nome Emilia Romagna Vittorio Marletto

Andrea Spisni Friuli Venezia Giulia Pietro Rossin

Lazio Valerio Briotti Lombardia Dario Bellingeri

Alessandro Menin Enrico Zini

Toscana Cinzia Licciardello Stefano Pelleriti

Trento Maurizio Francescon Valle d'Aosta Umberto Morra di Cella

• Responsabile del Gruppo di Lavoro: Enrico Zini

• Termine dei lavori: Maggio 2016

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Contenuti del Rapporto

1 Premessa

2 Introduzione all’EO

2.1 Inquadramento concettuale dell’EO

2.2 Contenuto informativo delle immagini ottiche

2.3 Contenuto informativo delle immagini SAR

3 EO da satellite

3.1 Contributi dell’EO da satellite alle attività delle Agenzie

3.2 Informazioni disponibili e condizioni per l’accesso

4 EO da SAPR

4.1 Introduzione ai SAPR

4.2 Contributi dell’EO da SAPR alle attività delle Agenzie

4.3 Definizione del quadro normativo per l’uso dei SAPR

5 Conclusioni

6 Glossario

7 Riferimenti

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Introduzione all'Earth Observation

Nozioni essenziali sui sensori attivi e passivi

Riprese SAR notturne Riprese SAR con copertura nuvolosa

Immagine ottica Immagine SAR

Nozioni essenziali sull'interferometria SAR

organizzato da 6


Sole

Flusso di energia

Lunghezza d

'ond

a

Firma spettrale

Sensore

Nozioni essenziali sulla interazione della radiazione elettromagnetica con la materia

Rif

lett

anza

(%

)

Lunghezza d'onda

Vegetazione

Suolo

Acqua

Suolo

Foto_ sintesi

Struttura foglia e chioma

Contenuto di acqua

VIS NIR SWIR

Rif

lett

anza

(%

)

Lunghezza d'onda

Vegetazione Suolo

Acqua

Suolo

Nozioni essenziali sulla firma spettrale della vegetazione e dei principali materiali

Sole

Satellite

circa 6000 °C

circa 20 °C

Visibile (VIS), Infrarosso Vicino (NIR) Infrarosso Medio (SWIR)

Infrarosso Termico (TIR)

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Matrice ambientale

Informazione ottenuta Regione spettrale

VIS NIR SWIR TIR

Vegetazione Discriminazione tra specie vegetali √ √ √ Stima della biomassa √ √

Contenuto di umidità, presenza di stress idrici √ √

Stato fitosanitario √ √ √

Temperatura superficiale √

Evapotraspirazione potenziale √ √

Evapotraspirazione reale √ √ √

Matrice ambientale


VIS NIR SWIR TIR







Suolo Discriminazione tra diverse tipologie di suolo √ √ √

Contenuto di umidità √ √

Contenuto di materia organica √ √ √

Matrice ambientale


VIS NIR SWIR TIR










Acqua Temperatura superficiale √

Torbidità √ √

Concentrazione di clorofilla √

Matrice ambientale


VIS NIR SWIR TIR










Acqua Temperatura superficiale √

Torbidità √ √

Concentrazione di clorofilla √

Antropizzato Discriminazione tra tipologie di coperture √ √ √

Emissione di calore dagli edifici √

Matrice ambientale


VIS NIR SWIR TIR

Contenuto informativo delle immagini ottiche

organizzato da

Mappa concettuale dell'Earth Observation

8

Drone

Piattaforma Sensore

Satellite

Immagini / Dati

Applicazione


Aereo

Elicottero

Drone

Piattaforma Sensore

Satellite

Campionatore

Orbita Geostazionaria

Immagini / Dati

Programma Spaziale

Agenzia Spaziale

Ala fissa

Ala mobile

Applicazione MTOM ≥ 25 Kg

MTOM < 25 Kg

Regolamento ENAC

Orbita Polare

Aereo

Elicottero

Drone

Piattaforma Sensore

Attivo

Satellite

SAR

LIDAR

Campionatore

N° Bande

Passivo

Regione Spettrale

VIS

NIR

SWIR

TIR

Pancro

Multi_ spettrale

Iper_ spettrale

Ottico Altro

Radiazioni non

ionizzanti

Qualità aria

Radiazioni ionizzanti

Meteo


Immagini / Dati

Programma Spaziale

Agenzia Spaziale

Ala fissa

Ala mobile

Applicazione

Risoluzione Geometrica

Ampiezza Scena

MTOM ≥ 25 Kg

MTOM < 25 Kg

Regolamento ENAC

Orbita Polare

Ripetitività

Meteo e Clima

Aereo

Elicottero

Drone

Piattaforma Sensore

Attivo

Satellite

SAR

LIDAR

Campionatore

N° Bande

Passivo

Regione Spettrale

VIS

NIR

SWIR

TIR

Pancro

Multi_ spettrale

Iper_ spettrale

Ottico Altro

Radiazioni non

ionizzanti

Qualità aria

Radiazioni ionizzanti

Meteo


Immagini / Dati

Programma Spaziale

Agenzia Spaziale

Ala fissa

Ala mobile

Applicazione

Aria

Acqua

Suolo

Rifiuti

Attività Produttive

Agricoltura e Foreste

Agenti Fisici

Risoluzione Geometrica

Ampiezza Scena

Territorio

MTOM ≥ 25 Kg

MTOM < 25 Kg

Regolamento ENAC

Orbita Polare

Dati Ausiliari

Modelli

Calibrazione Validazione

Ripetitività

organizzato da

Parametro

Satellite con sensore

SAR

Satellite con sensori ottici

Aereo Elicottero SAPR

(MTOW < 25Kg)

Ampiezza scena

Risoluzione geometrica

Indipendenza da meteo

Indipendenza da illumin.

Sensore TIR

Sostituibilità dei sensori

Campionamenti

Programmazione riprese

Gratuità delle immagini

Storicità delle immagini

Vincoli norm., privacy,...

9


na

Comparazione tra SAPR e le altre piattaforme di Earth Observation

organizzato da 10


1 Premessa





3 EO da satellite



4 EO da SAPR




5 Conclusioni

6 Glossario

7 Riferimenti

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Contributi dell’EO da SAPR alle attività delle Agenzie

Tema ambientale 1. Qualità delle acque 2. Idrologia, clima, agrometeorologia

3. Invasi e dighe 4. Conservazione della natura, foreste 5. Grandi cantieri 6. Qualità dell'aria 7. Agenti fisici 8. Difesa del suolo, idrologia 9. Valanghe 10. Cave 11. Discariche 12. Siti contaminati 13. Energia e sviluppo sostenibile

Identificazione delle applicazioni attuali e potenziali dei SAPR. Criteri di individuazione: 1. applicazioni già sperimentate con i SAPR dai partecipanti al GdL o da terze parti; 2. applicazioni già sperimentate con satelliti/aerei dai partecipanti al GdL e che

potrebbero essere realizzate con SAPR; 3. applicazioni mai sperimentate che potrebbero essere teoricamente realizzate con i

SAPR.

N° applicazioni attuali/potenziali dei SAPR 2

11

4 4

2 2 2

4 41 applicazioni 2 2

3 2

1

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Tema Applicazioni SAPR

Qualità delle acque

• Monitoraggio dei fenomeni eutrofici (es. mucillaggini, fioriture algali,…) nei piccoli laghi.

• Identificazione di scarichi abusivi in corpi idrici.




• Identificazione di scarichi abusivi in corpi idrici. Idrologia, clima, agrometeorologia

• Stima delle variazioni volumetriche dei ghiacciai, monitoraggio delle variazioni frontali e delle aree periglaciali.

• Monitoraggio delle velocità superficiali di ghiacciai rocciosi e di versanti ice affected.

• Mappatura campionaria delle colture in atto. • Rilievi di dettaglio geometrico di vigneti e frutteti. • Mappatura campionaria dello stato fenologico delle colture. • Monitoraggio della fenologia di ecosistemi naturali. • Mappatura del fabbisogno di azoto delle colture. • Stima campionaria del fabbisogno idrico delle colture. • Monitoraggio campionario dello stress idrico delle colture. • Monitoraggio campionario dell’umidità del suolo. • Valutazione campionaria dei danni alle colture provocati da eventi

meteorologici estremi (es. grandinate, trombe d’aria,…).




• Identificazione di scarichi abusivi in corpi idrici. Idrologia, clima, agrometeorologia

• Stima delle variazioni volumetriche dei ghiacciai, monitoraggio delle variazioni frontali e delle aree periglaciali.

• Monitoraggio delle velocità superficiali di ghiacciai rocciosi e di versanti ice affected.

• Mappatura campionaria delle colture in atto. • Rilievi di dettaglio geometrico di vigneti e frutteti. • Mappatura campionaria dello stato fenologico delle colture. • Monitoraggio della fenologia di ecosistemi naturali. • Mappatura del fabbisogno di azoto delle colture. • Stima campionaria del fabbisogno idrico delle colture. • Monitoraggio campionario dello stress idrico delle colture. • Monitoraggio campionario dell’umidità del suolo. • Valutazione campionaria dei danni alle colture provocati da eventi

meteorologici estremi (es. grandinate, trombe d’aria,…). Invasi e dighe • Misura della volumetria dei sedimenti prima e dopo lo svaso. • Monitoraggio delle operazioni di svaso. • Valutazione degli impatti dello svaso sul corso d'acqua a valle: mappatura

della deposizione dei sedimenti, valutazione della torbidità. • Monitoraggio dei frangiflutti e barriere artificiali marine.

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Tema Applicazioni SAPR Conservazione • Monitoraggio della vegetazione riparia. della natura, • Mappatura degli ecosistemi naturali e loro monitoraggio temporale foreste • Monitoraggio degli incendi di torbiera. • Monitoraggio campionario dello stato fitosanitario della vegetazione naturale.

Tema Applicazioni SAPR Conservazione • Monitoraggio della vegetazione riparia. della natura, • Mappatura degli ecosistemi naturali e loro monitoraggio temporale foreste • Monitoraggio degli incendi di torbiera. • Monitoraggio campionario dello stato fitosanitario della vegetazione naturale. Grandi cantieri • Stima dei volumi delle terre e delle rocce movimentate. • Monitoraggio degli impatti sulla vegetazione naturale e verifica del corretto

ripristino dell'area del cantiere al termine dei lavori.


ripristino dell'area del cantiere al termine dei lavori. Qualità dell’aria • Prelievi di campioni di aria e/o misurazione di parametri di qualità dell’aria in

prossimità di impianti industriali, discariche. • Misure di flussi di materia (evaporazione e sostanze chimiche) e calore.


ripristino dell'area del cantiere al termine dei lavori. Qualità dell’aria • Prelievi di campioni di aria e/o misurazione di parametri di qualità dell’aria in

prossimità di impianti industriali, discariche. • Misure di flussi di materia (evaporazione e sostanze chimiche) e calore. Agenti fisici • Monitoraggio dei campi elettromagnetici ad alta frequenza da stazioni radio-

base. • Monitoraggio della radioattività sopra discariche, siti potenzialmente

contaminati, siti di stoccaggio di rottami.

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Tema Applicazioni SAPR Difesa del suolo, • Rilievo plano-altimetrico delle frane, anche su pareti verticali. idrogeologia

• Monitoraggio della circolazione dell’acqua nelle frane, identificazione di fessurazioni, faglie.

• Mappatura aree interessate da eventi specifici (debris flow, frane di crollo, ...) • Osservazione da remoto di una zona specifica della frana per uno dei seguenti

motivi: ispezione di un sensore geotecnico malfunzionante; monitoraggio di un’area in fase di rapido movimento.





Valanghe • Mappatura aree percorse da valanga (post evento) e stima volumi di accumulo • Rilevamento delle aree colpite da valanghe.





Valanghe • Mappatura aree percorse da valanga (post evento) e stima volumi di accumulo • Rilevamento delle aree colpite da valanghe. Cave • Stima dei volumi scavati. • Verifica del corretto ripristino delle cave dismesse.





Valanghe • Mappatura aree percorse da valanga (post evento) e stima volumi di accumulo • Rilevamento delle aree colpite da valanghe. Cave • Stima dei volumi scavati. • Verifica del corretto ripristino delle cave dismesse. Discariche • Controllo della profondità degli scavi preparatori della discarica. • Controllo dei volumi di rifiuti conferiti in discarica. • Individuazione di percolazioni e di emissioni di biogas da discariche di rifiuti

solidi urbani attraverso l’analisi delle anomalie della temperatura superficiale.






solidi urbani attraverso l’analisi delle anomalie della temperatura superficiale. Siti contaminati • Mappatura campionaria delle coperture in cemento-amianto. • Acquisizione di indizi sulla potenziale presenza di materiali sepolti attraverso

l’analisi delle anomalie della temperatura superficiale.






solidi urbani attraverso l’analisi delle anomalie della temperatura superficiale. Siti contaminati • Mappatura campionaria delle coperture in cemento-amianto. • Acquisizione di indizi sulla potenziale presenza di materiali sepolti attraverso

l’analisi delle anomalie della temperatura superficiale. Energia e sviluppo sostenibile

• Mappatura delle emissioni termiche degli edifici.

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1 Premessa





3 EO da satellite



4 EO da SAPR




5 Conclusioni

6 Glossario

7 Riferimenti

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Conclusioni

Sono emerse dal Gruppo di Lavoro numerose proposte evolutive: • Aggiornare periodicamente il documento. • Organizzare sperimentazioni congiunte dei SAPR.

• Sviluppare procolli operativi sull'uso dei SAPR nelle applicazioni ambientali.

• Sviluppare la collaborazione tra il Sistema Agenziale ed ENAC.

• Censire capitolati di riferimento per l'acquisto di strumenti e servizi

riguardanti i SAPR.

• Valutare i costi di gestione dei SAPR, i vantaggi/svantaggi della gestione interna/esterna dei SAPR, il valore aggiunto rispetto alle altre metodiche di monitoraggio.

• Promuovere la partecipazione congiunta a progetti di ricerca e sviluppo.

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Conclusioni

• Con i SAPR è possibile sviluppare molte applicazioni potenzialmente utili per le Agenzie ambientali ma il gap tra applicazione utile e applicazione realmente utilizzata può essere grande perché l'inserimento di qualsiasi nuova tecnologia, come quella dei SAPR, in un'Agenzia ambientale richiede: • risorse economiche e umane; • formazione; • modifica dei modelli organizzativi, delle metodiche, delle procedure, dei

sistemi informativi ed eventualmente anche di leggi e regolamenti.

• Quando si sperimenta una nuova applicazione con SAPR è necessario quindi valutare attentamente gli impatti sui punti suddetti, oltre che le ricadute positive sul livello dei servizi.

• Il Rapporto Assoarpa è un primo passo in questa direzione.

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Prime esperienze di ARPA Lombardia con i SAPR

• ARPA Lombardia, dopo aver espletato una gara pubblica (importo a base d'asta: € 164.000 + IVA), ha avviato il 26 Luglio 2016 il progetto DRONI della durata di 26 mesi. Il progetto comprende:

• l'acquisizione di un drone ad ala fissa ed uno ad ala mobile;

• la sperimentazione dei droni in 12 rilievi su diverse applicazioni

ambientali;

• la acquisizione del know-how e delle certificazioni necessarie per arrivare a gestire in piena autonomia i SAPR.

• Il 27 Luglio 2017 è stata effettuata la prima sperimentazione di ripresa con SAPR ad ala fissa sulla frana del Ruinon in Alta Valtellina (Valfurva), la più grande frana in Lombardia (oltre 1 Km2).

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Frana del Ruinon, ortoimmagine 27/07/16, pixel 6 cm.

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Frana del Ruinon, ortoimmagine 27/07/16, pixel 6 cm.

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Frana del Ruinon, dettaglio ortoimmagine e curve di livello con equidistanza 1 m.

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Frana del Ruinon, rendering 3D.

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Grazie per l'attenzione

Enrico Zini

ARPA Lombardia

[email protected]

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