Applicazioni di interferometria radar da satellite per la generazione di mappe di spostamento nell'analisi di fenomeni dinamici

Scopo di questa tesi è la produzione di una serie di mappe di deformazione del suolo o della copertura superficiale del terreno mediante l'utilizzo di una tecnica di monitoraggio territoriale da satellite denominata Interferometria SAR. Tale tecnica si colloca nell'ambito del Telerilevamento a sensori attivi. Le mappe di spostamento sono state prodotte per quattro casi di studio, due riguardanti eventi sismici (terremoto del 2009 a L'Aquila in Italia e terremoto del 2003 a Bam in Iran) e due relativi al movimento di deriva conseguente allo scioglimento dei ghiacciai alpini (ghiacciaio dell'Aletsch in Svizzera) e delle calotte polari (ghiacciaio David-Drygalski in Antartide).

Multitemporal analysis of satellite imagery: implementation of a land evolution model in ALCS (ATSR LAND CLASSIFICATION SYSTEM)

In this report it was designed an innovative satellite-based monitoring approach applied on the Iraqi Marshlands to survey the extent and distribution of marshland re-flooding and assess the development of wetland vegetation cover. The study, conducted in collaboration with MEEO Srl , makes use of images collected from the sensor (A)ATSR onboard ESA ENVISAT Satellite to collect data at multi-temporal scales and an analysis was adopted to observe the evolution of marshland re-flooding. The methodology uses a multi-temporal pixel-based approach based on classification maps produced by the classification tool SOIL MAPPER ®. The catalogue of the classification maps is available as web service through the Service Support Environment Portal (SSE, supported by ESA). The inundation of the Iraqi marshlands, which has been continuous since April 2003, is characterized by a high degree of variability, ad-hoc interventions and uncertainty. Given the security constraints and vastness of the Iraqi marshlands, as well as cost-effectiveness considerations, satellite remote sensing was the only viable tool to observe the changes taking place on a continuous basis. The proposed system (ALCS – AATSR LAND CLASSIFICATION SYSTEM) avoids the direct use of the (A)ATSR images and foresees the application of LULCC evolution models directly to „stock‟ of classified maps. This approach is made possible by the availability of a 13 year classified image database, conceived and implemented in the CARD project (http://earth.esa.int/rtd/Projects/#CARD).The approach here presented evolves toward an innovative, efficient and fast method to exploit the potentiality of multi-temporal LULCC analysis of (A)ATSR images. The two main objectives of this work are both linked to a sort of assessment: the first is to assessing the ability of modeling with the web-application ALCS using image-based AATSR classified with SOIL MAPPER ® and the second is to evaluate the magnitude, the character and the extension of wetland rehabilitation.

Analisi di dati telerilevati ottici e radar per la gestione dei disastri: le alluvioni nel Bangladesh.

Abstract L’utilizzo dei dati satellitari per la gestione dei disastri naturali è fondamentale nei paesi in via di sviluppo, dove raramente esiste un censimento ed è difficile per i governi aggiornare le proprie banche dati con le tecniche di rilevamento e metodi di mappatura tradizionali che sono entrambe lunghe e onerose. A supporto dell’importanza dell’impiego del telerilevamento e per favorirne l’uso nel caso di catastrofi, vi è l’operato di diverse organizzazioni internazionali promosse da enti di ricerca, da agenzie governative o da organismi sopranazionali, le quali svolgono un lavoro di cruciale valore, fornendo sostegno tecnico a chi si occupa di far giungere alle popolazioni colpite gli aiuti umanitari e i soccorsi nel più breve tempo possibile. L’attività di tesi è nata proprio dalla collaborazione con una di esse, ITHACA (Information Technology for Humanitarian Assistance, Cooperation and Action), organizzazione no-profit, fondata dal Politecnico di Torino e SiTI (Istituto Superiore sui Sistemi Territoriali per l’Innovazione), la quale a sua volta collabora con il WFP (World Food Programme) delle Nazioni Unite, realizzando cartografie speditive necessarie per la valutazione delle conseguenze di un evento catastrofico, attraverso l’impiego di dati acquisiti da satellite. Su questo tema si è inserito il presente lavoro che ha come obiettivo quello di dimostrare la valenza dei dati telerilevati, siano essi di tipo ottico o Radar, nel caso di alcuni dei disastri naturali più catastrofici, le alluvioni. In particolare è stata studiata la vulnerabilità del Bangladesh, il quale annualmente si trova ad affrontare eventi alluvionali, spesso di grave intensità. Preliminarmente allo studio, è stata condotta una ricerca bibliografica al fine di avere una buona conoscenza dell’area sia in termini geografici e fisici che di sviluppo e tipologia di urbanizzazione. E’stata indagata in particolare l’alluvione che ha colpito il paese nel Luglio del 2004, attraverso delle immagini satellitari multispettrali, in particolare Landsat 7, per un inquadramento pre-evento, ed ASTER per studiare la situazione a distanza di tre mesi dall’accaduto (immagine rilevata il 20 Ottobre 2004). Su tali immagini sono state condotte delle classificazioni supervisionate con il metodo della massima verosimiglianza che hanno portato la suddivisione del territorio in quattro classi di destinazione d’uso del suolo: urbano (Build-up), campi e vegetazione (Crops&Vegetation), sabbia e scavi (Sand&Excavation), idrografia e zone alluvionate (Water). Dalla sperimentazione è emerso come tali immagini multispettrali si prestino molto bene per l’analisi delle differenti caratteristiche del territorio, difatti la validazione condotta sulla mappa tematica derivata dall’immagine Landsat 7 ha portato ad un’accuratezza del 93% circa, mentre la validazione dell’immagine ASTER è stata solo di tipo qualitativo, in quanto, considerata l’entità della situazione rilevata, non è stato possibile avere un confronto con dei punti da assumere come verità a terra. Un’interpretazione della mappa tematica derivante dalla classificazione dell’immagine ASTER è stata elaborata incrociandola in ambiente GIS con dati forniti dal CEGIS (Center for Environmental and Geographic Information Services) riguardanti il landuse della zona in esame; da ciò è emerso che le zone destinate alla coltivazione del riso sono più vulnerabili alle inondazioni ed in particolare nell’Ottobre 2004 il 95% delle aree esondate ha interessato tali colture. Le immagini ottiche presentano un grosso limite nel caso delle alluvioni: la rilevante copertura nuvolosa che spesso accompagna siffatti eventi impedisce ai sensori satellitari operanti nel campo dell’ottico di rilevare il territorio, e per questo di frequente essi non si prestano ad essere impiegati per un’indagine nella fase di prima emergenza. In questa circostanza, un valido aiuto giunge dall’impiego di immagini Radar, le quali permettono osservazioni ad ogni ora del giorno e della notte, anche in presenza di nuvole, rendendole di fondamentale importanza nelle situazioni descritte. Per dimostrare la validità di questi sensori si sono analizzati due subset derivanti da un mosaico di immagini della nuova costellazione italiana ad alta risoluzione CosmoSkymed: il primo va dalla città di Dhaka al Golfo del Bengala ed il secondo copre la zona più a Nord nel distretto di Sylhet. Dalla sperimentazione condotta su tali immagini radar, che ha comportato come ovvio problematiche del tutto differenti rispetto alle elaborazioni tradizionalmente condotte su immagini nel campo dell’ottico, si è potuto verificare come l’estrazione dei corpi d’acqua e più in generale dell’idrografia risulti valida e di veloce computazione. Sono emersi tuttavia dei problemi, per esempio per quanto riguarda la classificazione dell’acqua in presenza di rilievi montuosi; tali complicazioni sono dovute alla presenza di zone d’ombra che risultano erroneamente assegnate alla classe water, ma è stato possibile correggere tali errori di attribuzione mascherando i rilievi con l’ausilio di una mappa delle pendenze ricavata da modelli di elevazione SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission). La validazione dei risultati della classificazione, condotta con un grande numero di check points, ha fornito risultati molto incoraggianti (ca. 90%). Nonostante le problematiche riscontrate, il Radar, in sé o in accoppiamento con altri dati di diversa origine, si presta dunque a fornire in breve tempo informazioni sull’estensione dell’esondazione, sul grado di devastazione, sulle caratteristiche delle aree esondate, sulle vie di fuga più adatte, diventando un’importante risorsa per chi si occupa di gestire l’emergenza in caso di eventi calamitosi. L’integrazione con i dati di tipo ottico è inoltre essenziale per pervenire ad una migliore caratterizzazione del fenomeno, sia in termini di change detection che di monitoraggio post-evento.

Development and implementation of a S/W platform to automatically receive and share satellite data

Relazione del lavoro di creazione e implementazione della piattaforma software che sviluppa l’archivio del progetto SATNET. I satelliti universitari hanno un tempo di vista della propria Stazione di Terra di pochi minuti al giorno: SATNET risponde all’esigenza di comunicare con un satellite universitario in orbita bassa per più dei pochi minuti al giorno che una singola Stazione di Terra permette. Questo avviene grazie a una rete di Stazioni di Terra Satellitari collegate da specifiche missioni comuni che mettono in condivisione dati ricevuti da uno o più satelliti, aumentando il rendimento dati/giorno di questi e permettendo una migliore fruizione delle Stazioni di Terra stesse. Il network sfrutta Internet come canale di connessione, e prevede la presenza di un archivio nel quale memorizzare i dati ricevuti, per poi renderne possibile la consultazione e il recupero. Oggetto di questo lavoro di tesi è stato lo sviluppo e l’implementazione di tale archivio: utilizzando un sito web dinamico, il software risponde a tutte le richieste evidenziate nel paragrafo precedente, permettendo a utenti autenticati di inserire dati e ad altri di poterne avere accesso. Il software è completo e funzionante ma non finito, in quanto manca la formulazione di alcune richieste; per esempio non è stato specificato il tipo di informazioni che è possibile caricare in upload, né il tipo di campi richiesti nel modulo di registrazione dei vari utenti. In questi casi sono stati inseriti campi generici, lasciando all’utente la possibilità di modificarli in seguito. Il software è stato dunque concepito come facilmente personalizzabile e modificabile anche da utenti inesperti grazie alla sola lettura della tesi, che rappresenta quindi una vera e propria guida per l’utilizzo, l’installazione, la personalizzazione e la manutenzione della piattaforma software. La tesi evidenzia gli obiettivi e le richieste, mostrando l’aspetto del sito web e le sue funzionalità, e spiega passo per passo il procedimento per la modifica dell’aspetto delle pagine e di alcuni parametri di configurazione. Inoltre, qualora siano necessarie modifiche sostanziali al progetto, introduce i vari linguaggi di programmazione necessari allo sviluppo e alla programmazione web e aiuta l’utente nella comprensione della struttura del software. Si conclude con alcuni suggerimenti su eventuali modifiche, attuabili solo a seguito di un lavoro di definizione degli obiettivi e delle specifiche richieste. In futuro ci si aspetta l’implementazione e la personalizzazione del software, nonché l’integrazione dell’archivio all’interno del progetto SATNET, con l’obiettivo di migliorare e favorire la diffusione e la condivisione di progetti comuni tra diverse Università Europee ed Extra-Europee.

Coded slotted aloha with multipacket reception over block fading channels (for satellite networks)

Random access (RA) protocols are normally used in a satellite networks for initial terminal access and are particularly effective since no coordination is required. On the other hand, contention resolution diversity slotted Aloha (CRDSA), irregular repetition slotted Aloha (IRSA) and coded slotted Aloha (CSA) has shown to be more efficient than classic RA schemes as slotted Aloha, and can be exploited also when short packets transmissions are done over a shared medium. In particular, they relies on burst repetition and on successive interference cancellation (SIC) applied at the receiver. The SIC process can be well described using a bipartite graph representation and exploiting tools used for analyze iterative decoding. The scope of my Master Thesis has been to described the performance of such RA protocols when the Rayleigh fading is taken into account. In this context, each user has the ability to correctly decode a packet also in presence of collision and when SIC is considered this may result in multi-packet reception. Analysis of the SIC procedure under Rayleigh fading has been analytically derived for the asymptotic case (infinite frame length), helping the analysis of both throughput and packet loss rates. An upper bound of the achievable performance has been analytically obtained. It can be show that in particular channel conditions the throughput of the system can be greater than one packets per slot which is the theoretical limit of the Collision Channel case.

An inter-comparison between a VIS/IR and a MW satellite-based methods for cloud detection and classification

This thesis is aimed to assess similarities and mismatches between the outputs from two independent methods for the cloud cover quantification and classification based on quite different physical basis. One of them is the SAFNWC software package designed to process radiance data acquired by the SEVIRI sensor in the VIS/IR. The other is the MWCC algorithm, which uses the brightness temperatures acquired by the AMSU-B and MHS sensors in their channels centered in the MW water vapour absorption band. At a first stage their cloud detection capability has been tested, by comparing the Cloud Masks they produced. These showed a good agreement between two methods, although some critical situations stand out. The MWCC, in effect, fails to reveal clouds which according to SAFNWC are fractional, cirrus, very low and high opaque clouds. In the second stage of the inter-comparison the pixels classified as cloudy according to both softwares have been. The overall observed tendency of the MWCC method, is an overestimation of the lower cloud classes. Viceversa, the more the cloud top height grows up, the more the MWCC not reveal a certain cloud portion, rather detected by means of the SAFNWC tool. This is what also emerges from a series of tests carried out by using the cloud top height information in order to evaluate the height ranges in which each MWCC category is defined. Therefore, although the involved methods intend to provide the same kind of information, in reality they return quite different details on the same atmospheric column. The SAFNWC retrieval being very sensitive to the top temperature of a cloud, brings the actual level reached by this. The MWCC, by exploiting the capability of the microwaves, is able to give an information about the levels that are located more deeply within the atmospheric column.

Sea level trends in the Mediterranean from tide gauges and satellite altimetry

Sea level variation is one of the parameters directly related to climate change. Monitoring sea level rise is an important scientific issue since many populated areas of the world and megacities are located in low-lying regions. At present, sea level is measured by means of two techniques: the tide gauges and the satellite radar altimetry. Tide gauges measure sea-level relatively to a ground benchmark, hence, their measurements are directly affected by vertical ground motions. Satellite radar altimetry measures sea-level relative to a geocentric reference and are not affected by vertical land motions. In this study, the linear relative sea level trends of 35 tide gauge stations distributed across the Mediterranean Sea have been computed over the period 1993-2014. In order to extract the real sea-level variation, the vertical land motion has been estimated using the observations of available GPS stations and removed from the tide gauges records. These GPS-corrected trends have then been compared with satellite altimetry measurements over the same time interval (AVISO data set). A further comparison has been performed, over the period 1993-2013, using the CCI satellite altimetry data set which has been generated using an updated modeling. The absolute sea level trends obtained from satellite altimetry and GPS-corrected tide gauge data are mostly consistent, meaning that GPS data have provided reliable corrections for most of the sites. The trend values range between +2.5 and +4 mm/yr almost everywhere in the Mediterranean area, the largest trends were found in the Northern Adriatic Sea and in the Aegean. These results are in agreement with estimates of the global mean sea level rise over the last two decades. Where GPS data were not available, information on the vertical land motion deduced from the differences between absolute and relative trends are in agreement with the results of other studies.