L`utilizzo dei dati satellitari per il monitoraggio della qualità

Bollettino della Comunità Scientifica in Australasia
Ambasciata d’Italia
Dicembre 2003
CANBERRA
L’utilizzo dei dati satellitari per il monitoraggio della qualità delle acque
del lago di Garda
Vittorio E. Brando, Claudia Giardino
Introduzione
Le tecniche di telerilevamento satellitare offrono un importante strumento
d’integrazione alle metodologie tradizionali nell’analisi delle dinamiche spaziali e
temporali dei parametri di qualità delle acque. Numerosi lavori in letteratura [es. 1-2]
illustrano infatti come l’energia retrodiffusa da un bacino idrico nelle diverse
lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico (principalmente nella parte visibile e
dell’infrarosso vicino, ovvero tra 380 e 900 nm) porti con sé informazioni sulle
concentrazioni di fitoplancton, sedimento solido sospeso e sostanze organiche
disciolte, ossia dei parametri otticamente attivi responsabili della colorazione delle
acque. Al fine di esplicitare le funzioni che legano la radianza misurata dai sensori
satellitari e le concentrazioni dei parametri di qualità dell’acqua si può ricorrere sia a
procedure basate su analisi di tipo statistico, sia ad approcci fisicamente basati. Nel
primo caso si cerca la migliore correlazione tra le osservazioni satellitari e i valori dei
parametri (es. profondità del disco di Secchi), questi ultimi misurati in prossimità del
sorvolo satellitare; nel secondo caso si risolvono le equazioni di trasporto radiativo che
fisicamente relazionano le concentrazioni dei parametri, alla radianza emergente dalla
colonna d’acqua e, propagata attraverso l’atmosfera, misurata dal sensore. La scelta se
applicare un approccio statistico oppure fisicamente basato (e di altre strategie che si
collocano a metà strada) dipende da diversi fattori (es. disponibilità dei valori delle
proprietà ottiche inerenti del bacino oggetto di studio, risoluzione
spettrale/radiometrica del sensore) comunque, in entrambi i casi, il risultato si traduce
in una mappa dei parametri di qualità oggetto di studio (dalla concentrazioni di
clorofilla-a alle profondità del disco di Secchi).
In questo contesto, l’articolo qui proposto descrive la campagna di misura svolta nel
luglio 2003 sulle acque del lago di Garda nell’ambito dell’attività di ricerca prevista dai
progetti NINFA, finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e MELINOS,
finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), entrambi coordinati dal CNR-IREA.
Le attività di campo, svolte da un gruppo di ricerca con rappresentanze italiane,
australiane e del Centro Comune di Ricerca di Ispra, erano in particolare finalizzate
alla raccolta e analisi dei dati necessari alla stima dei parametri di qualità dell’acqua
mediante un approccio fisicamente basato.
Area di studio
Il lago di Garda, con i suoi 368 km2 di estensione superficiale e 49 km3 di invaso
rappresenta una risorsa ambientale di estrema im portanza per svariati scopi,
dall’irrigazione, alla navigazione all’approvvigionamento d’acqua ad uso potabile. In
questi ultimi anni però la qualità delle sue acque, unitamente alla crescita della
vegetazione sommersa, soprattutto nella porzione meridionale del bacino, sono
divenuti problemi sempre più significativi, specialmente nel periodo estivo. Per queste
ragioni il lago, accogliendo ogni anno più di 16 milioni di turisti da tutta Europa, che
costituiscono una fondamentale risorsa economica per Lombardia, Veneto e Trentino
Alto Adige, necessita di un estesa e continua gestione della qualità delle acque, atta ad
evitare il progressivo deterioramento delle stesse che comprometterebbe non solo
l’attività turistica ma soprattutto lo sfruttamento per usi potabili e irrigui.
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I dati sperimentali
In data 22 e 23 luglio 2003, si è svolta la campagna di misura volta alla raccolta di tutte
le informazioni necessarie per la mappatura dei parametri di qualità della acque del
bacino gardesano. Il rilievo ha visto coinvolto diversi gruppi di ricerca le cui
competenze hanno permesso di eseguire le misurazioni elencate di seguito al fine di
caratterizzare le proprietà ottiche delle acque del Benaco:
−CNR-IREA: misure delle proprietà ottiche apparenti in superficie,
campionamenti in continuo di fluorescenza, attenuazione e temperatura, misura
dello spessore ottico dell’ aerosol presente in atmosfera, firme spettrali della
vegetazione sommersa (Fig. 1).
−CNR-ISMAR: misure delle proprietà ottiche apparenti in superficie e lungo la
colonna d’acqua, misure delle proprietà ottiche inerenti lungo la colonna d’acqua
(attenuazione e assorbimento).
−JRC: misure delle proprietà ottiche inerenti lungo la colonna d’acqua
(retrodiffusione).
−CSIRO: misure delle proprietà ottiche apparenti lungo la colonna d’acqua e in
acque basse.
Parallelamente a questi rilievi le autorità locali preposte al monitoraggio del Garda e
partner di progetto, ovvero l’Agenzia Provinciale per la Protezione dell’Ambiente
(APPA) di Trento e l’Agenzia Regionale per la Protezione dell’Ambiente del Veneto
(ARPAV) hanno svolto i campionamenti e le analisi di laboratorio per il calcolo della
concentrazione di clorofilla, sedimento solido e assorbimento spettrale delle
componenti otticamente attive.
Le immagini da satellite
Le attività di ricerca dei progetti NINFA e MELINOS hanno come obiettivo l’uso
quantitativo dei dati telerilevati per il monitoraggio della acque lacustri, in particolare
del Garda, ad integrazione delle misurazioni eseguite con tecniche tradizionali. A tale
scopo si stanno elaborando i dati acquisiti dall’ultima generazione dei sensori satellitari
le cui caratteristiche radiometriche, spettrali e geometriche ben si prestano a tale
scopo. In particolare, il 22 luglio, contemporaneamente ai rilievi in situ sono state
acquisite tre immagini, due dai sensori Hyperion (Fig 2) ed ALI a bordo del satellite
della NASA Earth Observing One (EO-1) e una dal sensore MERIS a bordo del
vettore europeo Envisat-1. Questi dati saranno analizzati mediante una procedura [3]
sviluppata per le acque costiere di Moreton Bay (Queensland, Australia) e applicata a
dati Hyperion con buoni risultati, che verrà trasferita e testata sulle acque dolci del
Garda, al fine di mapparne il contenuto di clorofilla, di sedimento solido, di sostanze
organiche disciolte e del disco di Secchi. Tali stime saranno valutate sia in base ai
risultati delle analisi idrobiologiche eseguite il giorno stesso dei rilevi che all’analisi dei
dati di fluorescenza e torbidità campionati in continuo la cui risoluzione spaziale
meglio si presta al confronto con i prodotti spazialmente distribuiti e sinottici ottenuti
da satellite. Infine, una volta valutata l’affidabilità, la metodologia verrà applicata ai
tutti i dati satellitari acquisiti sul lago al fine di valutare la dinamica temporale dei
parametri di qualità, in modo spazialmente distribuito.
Riferimenti bibliografici
[1] Lindell, T., Pierson, D., Premazzi, G., Zilioli, E., 1999. Manual of lake monitoring in
Europe by means of the remote sensing techniques. Luxembourg: Office for Official
Publications of the European Communities, EUR Report n. 18665 EN, 164 .
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[2] Dekker A. G., Brando V. E., Anstee J. M., Pinnel N., Kutser T., Hoogenboom H. J.,
Pasterkamp R., Peters S. W. M., Vos R. J., Olbert C., Malthus T. J., 2001. Imaging
spectrometry of water, in Imaging Spectrometry: Basic principles and prospective applications,
vol. IV, Remote Sensing and Digital Image Processing. Dordrecht: Kluwer Academic
Publishers, 2001, pp. 307-359.
[3] Brando V. E. and Dekker G. A., 2003. Satellite hyperspectral remote sensing for estimating
estuarine and coastal water quality, IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing,
Vol. 41, N. 6, pp. 1-10.
Dr Vittorio E. Brando,
CSIRO-Land and Water,
Environmental Remote Sensing Group,
Canberra, Australia
Email: [email protected]
Dr Claudia Giardino
CNR-IREA, Remote Sensing Dept.,
Milan, Italy
Fig. 1: Firma spettrale di Vallisneria, campionata il 23 luglio 2003 nelle acque basse del
Garda
Fig. 1 : Spectral signature of Vallisneria, sampled on 23 July 2003 in the shallow waters of Lake
Garda
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Fig. 2: Traccia del transetto e localizzazione delle stazioni sull'immagine Hyperion del
22 luglio 2003 del lago di Garda.
Fig. 2: Transect path and stations location on the Hyperion image of 22 July 2003 of Lake Garda.
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Employing satellite data to monitor water quality in Lake Garda
Vittorio E. Brando, Claudia Giardino
Introduction
Satellite remote sensing provides an m
i portant integrative tool in addition to traditional
methods of spatial and temporal analysis of water quality parameters. Several scientific works
[e.g. 1-2] illustrate how energy which is backscattered by a water basin in the various
wavelengths of the electromagnetic spectrum (mainly in the visible near infrared range, i.e.
between 380 and 900 nm) carries with it information on the concentrations of the optically
active parameters responsible for water colour, i.e. phytoplankton, suspended sediments, and
dissolved organic substances. In order to explain the functions linking the radiance measured
by satellite sensor systems and the concentration of water quality parameters, it is possible to
use either procedures based on statistic analysis or physically-based approaches. In the case
of the former, by looking for the best correlation between satellite observations and the
values of parameters (e.g. Secchi Disk depth) measured by the satellite overflight; in the latter
case, by solving the equations of radiative transport, which physically link the concentration
of the parameters to the radiance emerging from the water column and, propagated through
the atmosphere, measured by the sensing system. The choice whether to apply a statistic or a
physical approach (and other strategies in between) depends on different factors (e.g. the
availability of information on the values of optical properties concerning the studied basin,
the sensor’s spectral/radiometric resolution etc.). However, in both cases, the result is the
production of a map of the studied quality parameters (from the concentration of
chlorophyll-a to the depths of the Secchi Disk). In such a context, this article describes the
measurement research carried out in July 2003 on the waters of Lake Garda in the research
activity included in the NINFA projects, funded by the Italian Spatial Agency (ASI) and
MELINOS, funded by the European Spatial Agency (ESA), both coordinated by CNRIREA. Field activities, carried out by a research group comprising researchers from Italy
(CNR-IREA and CNR-ISMAR), the European Joint Research Centre of Ispra, and from
Australia (CSIRO Land & Water), were mainly aimed at the collection and analysis of data
necessary to estimate the quality parameters through a physically-based approach.
Area of study
Lake Garda, with a surface area of 368 km 2 and a water volume of 49 km 3 represents an
extremely important environmental resource for a variety of purposes such as irrigation,
navigation, water supply and drinking water. Moreover, the lake welcomes every year more
than 16 million tourists from all over Europe, representing a fundamental economical
resource for the Lombardia, Veneto and Trentino Alto Adige regions. In the last few years
however, the water quality, together with the growth of submerged vegetation, especially in
the southern part of the basin, have become increasingly significant problems, particularly in
the summer season. For these reasons the lake requires extensive and continuous water
quality management, aimed at avoiding its progressive deterioration, which would affect not
only tourism, but above all, its function for drinking and irrigation purposes.
Experimental data
On 22 and 23 July, a measurement programme took place, designed for the collection of all
the information necessary for the mapping of water quality parameters of the Garda basin.
The study saw the participation of different research groups to carry out the measurements
listed below in order to define the optical properties of Lake Garda:
−CNR-IREA: measurement of optical properties above the surface, continuous
sampling of fluorescence, attenuation and temperature, measurement of the optical
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