I satelliti dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA) inviano raggi radar verso la Terra da un’altitudine di 700 chilometri. Questi vengono diffusi e forniscono immagini della superficie terrestre anche quando il cielo è coperto. Konrad Schindler e il suo team sono particolarmente interessati alle immagini radar dell’Ucraina. "I satelliti sorvolano il Paese ogni pochi giorni, fornendo una sorta di video al rallentatore", spiega il direttore dell’Istituto di geodesia e fotogrammetria del Politecnico di Zurigo. "Il segnale cambia quando le case intatte si trasformano in un campo di macerie". Questo perché i raggi radar si riflettono più fortemente sulle superfici lisce che su quelle ruvide.
Tuttavia, gli esseri umani sarebbero sopraffatti dal compito di analizzare la marea di immagini liberamente accessibili. Un sistema di monitoraggio automatico basato sull’intelligenza artificiale (AI) svolge questo compito. "Ciò significa che il sistema informatico deve riconoscere statisticamente gli schemi tipici dei dati", spiega Schindler. Per questo apprendimento automatico, il sistema AI viene addestrato con immagini campione in cui è sicuro di vedere un edificio distrutto che prima era ancora intatto.
Questi dati di riferimento sono stati forniti dal Centro satellitare delle Nazioni Unite (UNOSAT). Gli esperti del Centro identificano manualmente i danni agli edifici utilizzando immagini ad alta risoluzione fornite da fornitori commerciali per documentare crimini di guerra come il bombardamento di strutture civili. "Il nostro sistema di monitoraggio non sostituisce in alcun modo questi esperti", afferma Schindler. "Ma poiché è in grado di coprire vaste aree, fornisce loro importanti indizi su dove dovrebbero dare un’occhiata più da vicino".
Questo testo è stato pubblicato nel numero 24/04 della rivista Globe dell’ETH.
Mappe per le organizzazioni umanitarie
La mappatura dei danni di guerra è uno dei due progetti realizzati dai ricercatori in collaborazione con il Comitato Internazionale della Croce Rossa (CICR). "Nel secondo, il CICR ha bisogno di dati sulla densità della popolazione per pianificare una campagna di vaccinazione o un’operazione di soccorso in seguito a una catastrofe naturale, ma spesso questi dati mancano nei Paesi meno sviluppati. Questa lacuna viene colmata dalle mappe della popolazione che il gruppo di Schindler crea utilizzando i dati satellitari.I ricercatori utilizzano le osservazioni satellitari in combinazione con l’apprendimento automatico per un’ampia gamma di settori. Ad esempio, in collaborazione con la start-up svizzera ExoLabs, hanno sviluppato un sistema che misura la profondità della neve in modo più rapido e preciso di quanto fosse possibile in precedenza. Le immagini satellitari e le mappe altimetriche digitali hanno fornito le prime stime della copertura nevosa in Svizzera. Grazie al confronto con i dati precisi raccolti da un aereo e dalle stazioni di misurazione al suolo, il sistema ha imparato a migliorare la stima basata sulle immagini satellitari. Ora fornisce mappe dell’altezza della neve aggiornate quotidianamente, che saranno presto lanciate sul mercato.
È già disponibile una mappa globale dell’altezza degli alberi, utilizzata principalmente per scopi ecologici e basata anche su dati satellitari. "Dallo spazio non è possibile vedere dove inizia e finisce un albero, ma il segnale riflesso contiene comunque una quantità sorprendente di informazioni, soprattutto nella gamma degli infrarossi, dove la vegetazione è particolarmente attiva", spiega Schindler. Un programma computerizzato ha appreso il rapporto tra questi schemi di illuminazione locale e l’altezza dell’albero, utilizzando esempi forniti da uno scanner laser a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). A seconda che gli impulsi laser vengano riflessi dalle cime degli alberi o dal suolo, il loro tempo di transito varia minimamente. Da ciò si può dedurre l’altezza della vegetazione.
Un sistema di allerta precoce per le foreste
"La mappatura globale dell’altezza degli alberi è estremamente interessante perché contiene informazioni sull’età dei popolamenti", spiega Verena Griess, responsabile dell’Istituto degli ecosistemi terrestri del Politecnico di Zurigo. Lei e il suo team lavorano anche con dati satellitari per ottenere informazioni sulle condizioni degli alberi. "Con il cambiamento climatico, ci troviamo in un’epoca di rapidi mutamenti, anche per quanto riguarda le nostre foreste, e i problemi causati da infestazioni di parassiti, vento, incendi e stress da siccità stanno diventando sempre più frequenti", afferma la professoressa di Gestione delle risorse forestali.Con l’aiuto dei dati satellitari, i ricercatori vogliono creare un sistema di allerta precoce che sia in grado di far scattare la necessità di intervenire in una foresta sottoposta a stress, anche se i segnali non sono ancora visibili all’occhio umano. Un sistema di questo tipo potrebbe rilevare piccoli incendi in aree scarsamente popolate o indicare dove è necessario intervenire in Svizzera per garantire che la foresta continui a proteggerci dai rischi naturali. I dati satellitari potrebbero anche identificare aree particolarmente adatte alla produzione di legname o aree da proteggere per la loro elevata biodiversità. "Vogliamo assicurarci che venga presa la decisione giusta per ogni luogo", spiega Griess.
I ricercatori stanno attualmente lavorando a un modello in grado di riconoscere automaticamente le specie arboree sulle immagini satellitari. In base alle posizioni verificate di alcune specie come faggio, abete rosso o larice, il modello impara a riconoscere i modelli corrispondenti sulle immagini satellitari. Utilizzando i cosiddetti sensori iperspettrali, i satelliti raccolgono anche informazioni non visibili all’uomo e forniscono informazioni sulla salute degli alberi. Infatti, possono essere utilizzati per misurare il contenuto chimico di alcune sostanze nelle foglie e il modo in cui la loro concentrazione cambia, ad esempio nelle prime fasi di infestazione da parte di parassiti.
Informazioni sulle persone
Verena Griess è docente di Gestione delle risorse forestali presso il Dipartimento di Scienze dei sistemi ambientali del Politecnico di Zurigo.Konrad Schindler è professore di Fotogrammetria e Telerilevamento presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Geomatica del Politecnico di Zurigo.
Benedikt Soja è professore di Geodesia spaziale presso il Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e geomatica del Politecnico di Zurigo. Questa cattedra è stata finanziata dal Dr. Alfred and Flora Spälti Fund.
Le immagini satellitari bidimensionali possono anche essere collegate con dati 3D forniti da scanner laser dallo spazio, da aerei o droni e da terra. Il supercomputer Alps dell’ETH, recentemente entrato in funzione, accelererà le analisi dei dati e migliorerà la formazione dei modelli. "Grazie a questo, agli studenti eccellenti e alla buona collaborazione tra le cattedre e le altre istituzioni del settore dei PF, la Svizzera dispone di competenze che non si trovano in forma così concentrata altrove", afferma Griess.
Riutilizzo della tecnologia GPS
Le condizioni degli alberi forestali possono essere analizzate anche grazie ai segnali emessi dai satelliti GPS. Se si posiziona una stazione ricevente sotto un albero e una seconda più lontana, la differenza dei segnali ricevuti può essere utilizzata per calcolare la quantità di biomassa immagazzinata nell’albero. "È incredibile quello che si può fare con una tecnologia che è stata sviluppata per qualcosa di completamente diverso: la navigazione", afferma Benedikt Soja, professore di geodesia spaziale.In collaborazione con MeteoSvizzera, Soja e il suo team hanno installato stazioni riceventi GPS a basso costo in diverse stazioni meteorologiche situate in tutta la Svizzera. In questo modo è possibile misurare la quantità di vapore acqueo presente nell’atmosfera, che rallenta i segnali radio emessi dai satelliti. In questo modo è possibile calcolare l’umidità al di sopra di una stazione e quindi migliorare le previsioni di pioggia.
L’analisi delle serie di misurazioni su un periodo di tempo più lungo fornisce anche informazioni sui cambiamenti climatici. Se fa più caldo, l’atmosfera può assorbire più umidità, cioè più vapore acqueo. "Questo a sua volta intensifica il cambiamento climatico perché il vapore acqueo è anche un gas serra, anzi il più abbondante", spiega Soja. "Questo rende particolarmente facile determinare l’impatto dei cambiamenti climatici sull’atmosfera a livello locale". Le misurazioni GPS mostrano che il clima è diventato mediamente più umido, ma anche più secco in alcune regioni.
Per seguire lo scioglimento delle calotte glaciali in Groenlandia e in Antartide, i ricercatori utilizzano una tecnica di misurazione diversa. Due satelliti che volano in stretta successione registrano il campo gravitazionale della Terra. Questo varia a seconda della quantità di massa presente in un determinato luogo. "Questo ci permette di misurare gli spostamenti di massa dallo spazio", spiega Soja. Queste misure possono essere ulteriormente perfezionate con l’aiuto di altri satelliti che effettuano misurazioni dell’altitudine. "Possiamo vedere che ogni anno nelle regioni polari si sciolgono enormi quantità di ghiaccio che causano l’innalzamento del livello del mare: centinaia di gigatonnellate, un enorme cubo di ghiaccio grande quanto la città di Zurigo e alto più di 3.000 metri", spiega Soja. "Questa osservazione dallo spazio è la tecnica migliore per monitorare le conseguenze del cambiamento climatico in relazione alle calotte di ghiaccio".
