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World of Science | Review ISSW2018: Telerilevamento operativo

Cosa succede nella scienza della neve?

28/11/2019

I ricercatori viaggiano in Giappone con telecamere e radar. Tra le misurazioni vengono tracciate numerose — I ricercatori viaggiano in Giappone con telecamere e radar. Numerose "linee di calibrazione" sono tracciate sulla neve tra una misurazione e l'altra.

BFW

Ogni due anni, l'International Snow Science Workshop (ISSW) riunisce scienziati e professionisti provenienti da una vasta gamma di aree tematiche diverse, ma sempre legate alla neve. Le nuove scoperte e i risultati della ricerca vengono presentati in diversi blocchi tematici - le cosiddette sessioni. Noi suddividiamo il tutto in bocconi più o meno digeribili e riassumiamo per voi le sessioni dell'ISSW2018 ogni quindici giorni.

Questa volta: Telerilevamento operativo - applicazione per la neve e le valanghe (Sessione 4).

Rilevamento a distanza significa che qualcosa viene esplorato a distanza: il telerilevamento pratico per gli sciatori sarebbe, ad esempio, individuare una possibile linea e osservare le condizioni della neve in essa con un binocolo. Si potrebbe anche rimuovere il filtro per l'infrarosso vicino della propria fotocamera digitale e utilizzare il canale rosso delle immagini per interpretare lo spettro per l'infrarosso vicino della superficie della neve per determinarne la composizione (vedi immagine, P4.4). O semplicemente contare le tracce nelle immagini, come ha fatto un team di ricerca osservando un pendio per mostrare le preferenze dei freerider in base al livello di pericolo di valanghe (P4.5). Un risultato interessante è la preferenza per lo sci da soli a seconda del livello di pericolo: il 66% delle discese a livello di pericolo 3, l'85% a livello 2 e solo il 93% a livello 1 sono avvenute in gruppo - dire "niente amici nei giorni di neve fresca" non è vero...

Il telerilevamento comprende però molto di più: ad esempio, può essere classificato in base alla "distanza" - la distanza dall'oggetto - o in base al metodo di misurazione. Nella presente sessione sono rappresentate applicazioni di telerilevamento che si basano su dati e osservazioni registrati da terra (scansione laser terrestre, fotografia time-lapse), da aerei (attualmente droni, tradizionalmente voli aerei con equipaggio) e soprattutto - sempre più importante - da satelliti. I metodi ottici sono sempre utilizzati come metodi di misurazione, ma ottico non significa solo radiazioni nello spettro visibile: laser, vicino infrarosso, lunghezze d'onda visibili e radar sono utilizzati dalle lunghezze d'onda corte a quelle lunghe. Inoltre, qualsiasi metodo di misura può essere utilizzato in modo attivo o passivo: Attivo significa che un oggetto viene illuminato e poi vengono misurate le riflessioni. Passivo significa che viene registrata solo la radiazione emessa passivamente.

Immagine a infrarossi della superficie nevosa — Immagine all'infrarosso della superficie nevosa

ISSW2018, P4.4

Alcuni prodotti di telerilevamento terrestre, aereo e satellitare sono diventati parte integrante della nostra vita quotidiana e, soprattutto, del lavoro quotidiano dei servizi di avviso valanghe. I dati satellitari forniscono una panoramica della situazione meteorologica attuale e delle tempeste in arrivo. I dati di un radar meteorologico mostrano lo stato attuale di una tempesta di neve. E dopo la caduta della neve, usciamo a godercela, ma i servizi di avviso valanghe spesso chiamano un elicottero per valutare l'entità delle valanghe. Non sarebbe auspicabile estrarre tutte queste informazioni sull'altezza della neve e sulle caratteristiche della superficie nevosa distribuite su un'ampia area, sul numero e sulle dimensioni delle valanghe per periodo di tempesta, sulla quantità d'acqua immagazzinata nel manto nevoso invernale in attesa di alimentare le centrali idroelettriche in estate, unicamente dalle osservazioni satellitari?

Manderò dallo spazio...

Uno dei più notevoli programmi di ricerca satellitare per la ricerca sulla neve e sulle valanghe è la serie di satelliti Sentinel del programma di osservazione della Terra Copernicus dell'UE. L'ESA ha mandato in orbita un totale di tre satelliti Sentinel. Sono dotati di diversi sensori e i dati sono liberamente accessibili a tutti . Sentinel 1 è dotato di un radar che reagisce in modo sensibile allo scioglimento della neve. Sentinel 2 e 3 hanno sensori nella gamma di lunghezze d'onda dal vicino infrarosso al visibile, ma entrambi i satelliti forniscono i loro dati con risoluzioni spaziali e temporali diverse. Oltre alla serie Sentinel, esistono altri satelliti di rilievo, ad esempio la serie LandSat, EnviSat, RadarSat ecc.

I possibili problemi con i dati satellitari derivano dalla risoluzione spaziale e temporale. Sentinel 3, ad esempio, può fornire dati giornalieri, ma solo con una risoluzione in pixel di diverse centinaia di metri. Sentinel 2, invece, riesce a sorvolare la stessa area con una risoluzione di almeno alcune decine di metri ogni 6 giorni. Ciononostante, i sensori ottici e, soprattutto, quelli radar possono fornire parametri come la profondità della neve, la densità e i tassi di fusione su scala regionale (O4.1).

Molti degli interventi della sessione riguardano l'analisi dei dati satellitari. In alcuni casi, vengono presentati prodotti operativi generati regolarmente dai dati. Un'azienda di Innsbruck, ad esempio, offre mappe della copertura nevosa o mappe di fusione (O4.12). Un gruppo di ricerca norvegese rileva operativamente i depositi di valanghe (O4.9). Altri articoli sui dati satellitari tendono a essere più cauti e a discutere come documenti scientifici ciò che non è ancora realmente possibile, ma che naturalmente ha un grande potenziale.

Riassunto della sessione grafica — Riassunto grafico della sessione

ISSW 2018

I depositi di valanghe hanno un aspetto diverso dalla polvere

La previsione delle valanghe si basa su diverse informazioni spaziali, come i cambiamenti spaziali e temporali del manto nevoso, ad esempio la quantità di neve (nuova) o la distribuzione dei cicli di fusione e congelamento primaverili. D'altra parte, il numero di valanghe durante una tempesta è una grande incognita e il rilevamento delle valanghe ha un proprio blocco tematico all'ISSW (vedi Sessione 7: "Rilevamento delle valanghe: industria e ricerca").

Le misure radar basate su satelliti come disciplina del telerilevamento possono, in linea di principio, rilevare il contrasto tra la neve intatta e i depositi grossolani, ad esempio, delle valanghe di neve bagnata (P4.9). Tuttavia, solo i depositi di valanghe sufficientemente grandi producono un segnale radar diverso da quello già molto rumoroso delle microonde. Le valanghe piccole e secche, quelle più importanti per gli sciatori, non possono quindi (ancora) essere rilevate dal radar.

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Un modello ve lo dice subito

Un secondo argomento importante è l'assimilazione dei dati. Assimilazione di cosa? Si tratta del modo in cui le informazioni spaziali provenienti dalle missioni satellitari possono essere incorporate nei modelli spaziali (del manto nevoso) e utilizzate per reinizializzare le condizioni iniziali e al contorno. Tradizionalmente, tali modelli di manto nevoso sono alimentati con i risultati dei modelli meteorologici e con i dati puntuali delle meteostation. La variabilità e l'eterogeneità del manto nevoso devono essere aggiunte dai dati di telerilevamento.

I modelli possono quindi essere riavviati più volte sulla base dei dati, riducendo gli errori continui.

In questo modo, le informazioni possono essere modellate in modo quasi fisico e corretto a partire dal manto nevoso esistente, dalle condizioni meteorologiche attuali e dalle informazioni spaziali aggiuntive provenienti dai dati satellitari. Tali catene di modelli non solo hanno il potenziale di generare informazioni migliori per la previsione delle valanghe (O4.10), ma sono anche utili per l'idrologia, dove spesso è necessario quantificare il contenuto d'acqua dell'intero manto nevoso (O4.5). Il contenuto d'acqua (profondità x densità della neve), la sua variazione nel tempo e il corrispondente deflusso di fusione sono spesso variabili di previsione basate su indici, cioè la situazione attuale viene estrapolata da eventi comparabili su un'area più ampia. L'articolo (O4.3) si chiede se tali stime da "eventi storici" siano ancora corrette e sufficienti per le situazioni future nel corso del cambiamento climatico.

Il progetto www.mysnowmaps.com, presentato nell'articolo (O4.7), è un prodotto combinato di dati di telerilevamento, dati e osservazioni locali e modelli di copertura nevosa. Oltre alla mappa dettagliata dell'altezza della neve in tutta l'area alpina (vedi immagine), il sito web contiene anche un portale in cui gli utenti possono inserire le proprie misurazioni. L'obiettivo è quello di calcolare la mappa dell'altezza della neve in modo tanto migliore e più accurato quanto più si conoscono i valori assoluti locali. A quanto vedo, ci sono pochi buoni premi in palio e solo pochi utenti che forniscono dati - i loro valori attuali sono più o meno complementari ai valori previsti nel nostro gioco di previsione della profondità della neve. Non posso dire esattamente in che modo la mappa differisca dai dati SnowGRID forniti su PowderGuide (ISSW 2013), ma con le informazioni di entrambe le mappe si dovrebbe avere una buona base per la pianificazione.

"Laser e droni" sembra un film di fantascienza di serie B

Un ultimo importante blocco di argomenti della sessione sul telerilevamento ha riguardato l'uso della scansione laser terrestre - una misurazione della distanza basata sul laser come quella utilizzata nei cantieri - e della fotogrammetria con i droni, ovvero la mappatura di strutture spaziali da foto scattate da diverse direzioni di osservazione ("struttura dal movimento"). Entrambi i metodi sono quasi un telerilevamento locale. I laser possono essere utilizzati fino a una distanza di circa 5 chilometri, mentre i droni possono volare solo entro il raggio visivo. Dopo un'elaborazione dei dati, entrambi i metodi producono un modello digitale del terreno, ovvero un valore di altezza per ogni coordinata. Sottraendo direttamente la condizione di assenza di neve si ottiene l'altezza assoluta del terreno con una precisione dell'ordine del centimetro. Un confronto tra la misurazione dell'altezza della neve effettuata con un drone, una scansione laser, un satellite e misure manuali interpolate è discusso nell'articolo (P4.15). Altri contributi sono di natura più metodologica e analizzano l'elaborazione dei dati (P4.14) o discutono la dipendenza dalle condizioni meteorologiche delle misure laser.

Mappa dell'altezza della neve da mysnowmaps — Mappa di profondità della neve da mysnowmaps

ISSW2019, O4.7

Una visione del futuro, che non è stata esplicitamente menzionata nella sessione, ma che potrebbe non essere troppo lontana, è che i droni che portiamo con noi nel tempo libero potrebbero fornirci proprio queste mappe della neve in tempo reale. Potremmo così visualizzare ogni piccolo squalo sul nostro head-up display nelle nostre maschere da sci. Se le maschere fossero dotate anche di lenti al vicino infrarosso, saremmo in grado di distinguere anche i più piccoli residui di neve fresca dal vento e dalle croste di fusione - il freeride con la fantascienza, sarebbe qualcosa...

Conclusione

In conclusione, si può dire che il telerilevamento è un importante metodo di misurazione e analisi interdisciplinare. Il telerilevamento è sempre stato parte integrante della geografia, ma anche molte altre scienze ne utilizzano da tempo le tecniche. Lo stato della ricerca sulla neve e sulle valanghe dimostra chiaramente che il telerilevamento è importante sotto molti aspetti e che la sua importanza non potrà che aumentare in futuro. I dati satellitari, in particolare, ci forniranno nei prossimi anni molte utili indicazioni sul manto nevoso.

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Nota

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All'originale (Tedesco)