Dati Landsat e analisi multitemporale
Dal 2008 l'U.S.G.S (United State Geological Survey) ha reso disponibili gratuitamente le immagini Landsat (http://landsat.usgs.gov/products_data_at_no_charge.php); si tratta di un vasto archivio di immagini satellitari la cui acquisizione è cominciata negli anni '70 per cui risultano di notevole interesse per lo studio dei cambiamenti ambientali degli ultimi 40 anni.
>>> dati Landsat
Per ottenere le immagini è sufficiente andare al sito http://glovis.usgs.gov/, alla voce "Collection" selezionare "Landsat Archive", scegliere il satellite/sensore (Landsat 1...8 indica il satellite; MSS, TM, ETM+, OLI sono i diversi tipi di sensore; SLC-off sono immagini "guaste") e cliccare sulla mappa nel punto di interesse. A questo punto dovrebbero comparire le anteprime delle immagini disponibili. L'uso dei comandi è abbastanza intuitivo; è utile sapere che se l'immagine selezionata è subito disponibile compare la scritta "Downloadable" in alto a sinistra, in tal caso si preme su "Add" (in basso a sinistra) e "Send to chart". In questo modo si accede al proprio "cestino della spesa" per il quale occorre avere un account (se non lo si è ancora fatto bisogna registrarsi; comunque è gratis).
Nel "cestino" possiamo vedere la lista dei nostri prodotti; a destra di ciascuno ci sono due icone dall'ovvio significato: una serve per il download del prodotto, l'altra per cancellarlo. Cliccando per il download ci viene data la possibilità di scegliere la "qualità" del prodotto (il dato completo con tutte le bande è "Level 1 GeoTIFF Data Product").
Ottenuti i dati occorre poi analizzarli: il metodo più semplice consiste nell'aprire i file con un programma di GIS in modo che le immagini si sovrappongano correttamente, quindi visualizzarle alternativamente per cercare le differenze.
Se si confrontano le singole bande è meglio che abbiano le stesse caratteristiche spettrali. Nella tabella sottostante sono riportate le bande utili a tele scopo: le più idonee sono quelle corrispondenti al verde, al rosso ed al vicino infrarosso (ho riportato i dati per le immagini Landsat che sono le più diffuse ma si possono considerare anche le immagini ASTER e ALI che hanno caratteristiche simili).
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| Risoluzione |
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| Verde |
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| Rosso |
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| Vicino infrarosso |
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Un modo per evidenziare meglio i cambiamenti, ma solo su tre bande per volta, è la composizione in falsi colori. Si opera esattamente come per le immagini multispettrali ma invece di unire bande con diverso range spettrale si usano immagini con diversa data di acquisizione (come detto sopra è importante usare bande con le stesse caratteristiche spettrali). Si dovrebbe ottenere un'immagine a colori in cui le aree immutate appaiono con tonalità di grigio (bianco e nero compresi) mentre le zone in cui sono avvenuti cambiamenti mostrano colori più o meno vivaci. In teoria servirebbero dati calibrati tuttavia la maggior parte dei software offrono opzioni di stretching automatico che in genere danno buoni risultati; eventualmente si può ritoccare manualmente la curva di frequenza dei valori DN per tarare su toni di grigio le aree stabili.
Se vogliamo evidenziare maggiormente le aree mutate possiamo rendere anche la luminosità dell'immagine proporzionale ai cambiamenti. Per fare questo dobbiamo trasformare la nostra immagine da RGB a canali HSI (Hue, Saturation, Intensity), quindi riconvertirla in RGB usando la saturazione anche come intensità (attenzione: in questo modo si perde l'informazione sulla luminosità media delle aree in esame).
In pratica:
>>> Composizione multitemporale in falsi colori con OSSIM
>>> Composizione multitemporale in falsi colori con Hypercube
A proposito di software, l'operazione di composizione in falsi colori può essere eseguita con tutti i programmi dedicati al remote-sensing, molti di GIS ed alcuni comuni elaboratori di immagine (come Photoshop o GIMP; in questo caso non si parla di bande ma di channels o canali).
Esempi
La vegetazione ha in genere una bassa riflettanza (a parte nel vicino-infrarosso) per cui al sua comparsa/scomparsa è evidenziata dall'intenso colore dato delle bande in cui essa è assente.
Nella prima figura qui sotto, la combinazione di scene Landsat del 1972, 1987 e 2000 (banda corrispondente al verde) mostra la crisi delle coltivazioni presso Tahala (Libia sud-occidentale): osserviamo in blu la vegetazione ancora presente nel 2000 mentre il colore viola (blu + rosso) indica le aree coltivate nel 1987 e successivamente abbandonate.
La seconda immagine raffigura i dintorni dell'oasi di di Barkat (Libia sud-occidentale) ottenuta combinando tre bande corrispondenti al verde acquisite nel 1988, nel 2001 e nel 2003 (per il 2003 è stata usata una scena ASTER). Le differenza principali sono date dalla presenza/assenza di vegetazione: il colore blu indica le aree di oasi vegetate nel 2001 e nel 2003 ma non nel 1988 mentre in ciano (blu + verde) sono evidenziate le piantagioni presenti nel solo 2003 ed in giallo/marrone (verde + rosso) quelle del 1988 successivamente abbandonate. Il colore azzurro caratterizza aree con vegetazione erbacea presente nel 2001 e nel 2003: si tratta di vegetazione temporanea che cresce occasionalmente lungo il corso d'acqua effimero recente del Tanezzuft. Zone di ruscellamento recentemente attive sono indicate dalla colorazione rosa dovuta all'elevata riflettanza dei sedimenti fini recenti nel 2003. Il colore rosso marca le aree interessate da recenti prospezioni petrolifere dove, tra il 2001 ed il 2003, è stata rimossa la copertura di clasti scuri facendo aumentare la riflettanza nelle più recenti immagini ASTER.
Terzo esempio: nelle aree più esterne del conoide del Murghab (Turkmenistan) è ben visibile l'aumento delle aree coltivate da metà anni '70 (in blu) e dal 1988 (in ciano). Nella parte centrale, dove le coltivazioni sono sempre state presenti, i colori dipendono dalla normale variazione stagionale delle colture, non da cambiamenti ambientali.
Qui sotto vengono riportate immagini ottenute dopo una conversione-riconversione RGB<-->HSI con OSSIM Image Linker.
Nel primo caso, in entrambe le immagini, sono ben evidenziate le tracce di ruscellamento (che in questo caso hanno bassa riflettanza): esse erano presenti nel 1972 (bassa riflettanza, quindi prevelgono il verde ed il blu delle altre bande che danno il colore ciano) poi scompaiono e si riattivano nel 2003 (ancora bassa riflettanza, quindi prevelgono il rosso ed il verde delle altre bande che danno il giallo).
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Verde: Landsat MSS del 19-08-1983 Blu: Landsat TM del 12-06-1990 |
Verde: Landsat ETM+ del 18-08-2000 Blu: Landsat ETM+ del 23-05-2003 |
Nel conoide raffigurato nelle immagini sottostanti possiamo riconoscere, in nero, le aree stabili nel corso degli ultimi 30 anni, mentre le aree colorate sono zone interessate di recente da alluvioni (a sinistra) e coltivazioni (a destra)
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Verde: Landsat MSS del 19-08-1983 Blu: Landsat TM del 12-06-1990 |
Verde: Landsat ETM+ del 18-08-2000 Blu: Landsat ETM+ del 23-05-2003 |
Considerazioni
Innanzitutto occorre tenere presente che il metodo qui discusso evidenzia le aree in cui le immagini utilizzate presentano luminosità diversa, per cui permette di riconoscere quei cambiamenti che hanno effetti sulla riflettanza nel range spettrale delle banda considerata.
Nelle zone su cui ho lavorato personalmente (zone aride o semiaride) il metodo si è rivelato utile in particolare per evidenziare le tracce recenti di ruscellamento e alluvione e quindi per riconoscere le forme geomorfologicamente attive (anche se con frequenza sporadica).
A volte è utile anche per evidenziare l'espansione o la crisi delle coltivazioni, tuttavia in questo caso è particolarmente importante avere sott'occhio le immagini originali per riconoscere l'effettiva presenza o assenza di aree coltivate; esse infatti subiscono cambiamenti dovuti alla normale rotazione delle colture o ad una maggiore o minore rigogliosità dovuta alla disponibilità idrica del momento, per cui risultano quasi sempre intensamente evidenziate anche se non c'è un cambiamento ambientale vero e proprio.
Anche la vegetazione spontanea può essere influenzata dal proprio ciclo stagionale e dalle condizioni di umidità del momento.
Altro fattore da considerare: in corrispondenza dei rilievi conta molto l'effetto illuminazione/ombreggiatura per cui si dovrebbe operare con immagini acquisite con la stessa posizione del sole (quindi stesso mese e stesso orario), altrimenti verrebbero evidenziate le differenze nell'illuminazione dei versanti più che i reali cambiamenti ambientali.
Usando la trasformazione RGB<-->HSI si può dare maggiore evidenza alle aree mutate ma per contro elimina l'informazione sulla luminosità media che invece può essere utile per discriminare alcune forme, come nel caso della seconda immagine di questa pagina: le tracce di ruscellamento recente e le aree di sbancamenti per prospezioni geologiche hanno la stessa tinta (hue e saturation simili) ma sono differenziate da una diversa luminosità.
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