23/02/2014All rights reserved © 2007, Telespazio il Programma NASA FIRES Forest fIRes imaging...

11/04/23 All rights reserved © 2007, Telespazio

il Programma NASA “FIRES”Forest fIRes imaging Experimental System

come nasce una tecnologia

Ing. Franco Di Stadio (Telespazio S.p.A.)

Dr. Evaristo Cisbani (Istituto Superiore di Sanità)

Convegno associato al

Premio Nazionale “Meteorite d’Oro”, IV Edizione

Secinaro (AQ), 15-16 Novembre 2008


Telespazio S.p.A.

Telespazio, una Joint Venture tra Finmeccanica (67%) e Thales (33%), è tra i principali operatori mondiali nella gestione dei satelliti e nei servizi di osservazione della Terra, di navigazione satellitare, di connettività integrata e a valore aggiunto.

Telespazio gioca un ruolo da protagonista nei mercati di riferimento facendo leva sulle competenze tecnologiche acquisite, le proprie infrastrutture, la partecipazione ai grandi programmi europei: Galileo, EGNOS, GMES e COSMO-SkyMed.

Satellite operations, Difesa, Network & Connectivity, Osservazione della Terra, Navigation and Infomobility


come nasce una tecnologia…

• il background tecnico di Telespazio

• le attività di “sviluppo del business” negli USA• la definizione del team statunitense ed italiano• l’indicazione “innovativa” della NASA• le attività tecniche e i risultati raggiunti• TuttoScienze & l’Interrogazione Parlamentare• l’intervento dell’ESA per il Programma FUEGOSAT

• la normativa attuale: Legge 353/2000, O.P.C.M. 3606/2007 e 3624/2007 e @@@ Direttiva 2008

• @@@ “Ecosistema Incendi 2008” (Legambiente)

• il Brevetto Nazionale ed Internazionale di Telespazio SpA


le mappe di rischio (1/2)

La Protezione Civile aveva ed ha bisogno di indicazioni affidabili circa le aree a massimo rischio di incendio. Fino alla seconda metà degli anni ‘90 le sole indicazioni possedute erano fornite da un indice di rischio basato su variabili climatiche misurate solamente in alcune località, ma per calcolare un indice di rischio più preciso erano e sono necessarie informazioni più accurate e con maggiore dettaglio spaziale sullo stato della vegetazione.

Solo il telerilevamento satellitare si presenta, allora come ora, come una tecnologia efficace se si vogliono ottenere informazioni frequenti, omogenee ed esatte su vaste aree circa lo stato della vegetazione, cioè uno dei principali fattori che determina gli incendi.

Il calcolo, la diffusione e l’utilizzazione dell'indice di rischio di incendio boschivo in tempo reale mediante mappe di rischio, è stato ricavato dai dati giornalieri del sensore AVHRR installato sui satelliti NOAA.


le mappe di rischio (2/2)

Carta dell'indice di rischio giornaliero di incendio boschivo di un'area dell'Italia meridionale. I colori rosso e viola indicano un rischio più elevato.


sviluppo del business negli USA

contratto di consulenza (già attivo) con la Cassidy & Associates

http://www.cassidy.com/

indicazione del Congresso USA (Agosto 1999):“EARTH SCIENCES - 8. An increase of $ 2,500,000 for a joint U.S./Italian space-based research initiative for the study and detection of forest fires.” (pag.80)

Il Programma FIRES è stato un programma varato senza scambio di fondi !

http://www.cassidy.com/


Definizione del team USA ed italiano

Congresso USA

http://www.rit.edu/

Rochester Institute of Technology (RIT)Rochester, NY - USA

Cayuga Community College (CCC)Syracuse, NY - USA

Telespazio (TPZ)Roma, I - EU

University of Genoa (UG)Genoa, I - EU

InterSpace (INS)Rome, I - EU

Contraves Spazio* (CSR)Rome, I - EU* ora Rheinmetall Italia S.p.A.

http://www.rit.edu/


l’indicazione “innovativa” della NASA

Il 24 Settembre 1999, prima dell’apposizione della firma del Presidente Clinton sul budget della NASA per il 2000 (20 Ottobre 1999), ha avuto luogo la riunione di presentazione del Programma FIRES.

La soluzione proposta da Telespazio S.p.A. per il segmento spaziale del sistema era costituita da una costellazione di 12 satelliti su tre diversi piani orbitali a circa 45° di inclinazione, ad una quota di circa 750 km.Questa architettura avrebbe consentito di servire aree geografiche rilevanti tra i 25 ed i 50 gradi di latitudine con un “revisit time” di circa 20 minuti.

In considerazione della scarsità dei fondi a disposizione, la NASA indicò, quale unica via per proseguire gli studi, il riorientamento degli sforzi per trovare una soluzione che consentisse di dimostrare la valenza delle soluzioni di bordo e di terra proposte con l’utilizzo di soli sistemi spaziali esistenti !


La problematica Incendi@@@ Qualche statistica sugli incendi boschivi ?


catena di strumenti di supportonella lotta agli incendi boschivi

Indice di Rischio

Monito-raggio

Rivelazionetempestiva

Mappa areebruciate

Definiscearee di rischio

IdentificaZona di

interesse

Punto di partenza per la classificazione

Forniscestatistica

Stato: Consolidato

Stato: Prototipo

Detezionefumi e nubi

tossiche

ProgrammaFires


gli ingredienti del metododi rivelazione tempestiva

ParametriAncillari

ModelloRadiativo

DatiSatellitari

Algoritmodi rivelazione

GOES / IMAGERMSG / SEVIRI

TERRA, AQUA / MODIS

Emissività a terra

Temperatura del suolo

Incendio:Temperatura,Posizione edimensione

Trasmittanza Atmosferica


I satelliti disponibili


Requisiti eSensori Satellitari disponibili

Prontezza: 15-30 minProntezza: 15-30 min

Localizzazione: < 1kmLocalizzazione: < 1km

Efficienza di Efficienza di

rivelazione: > 90%rivelazione: > 90%

Falsi Allarmi: < 10%Falsi Allarmi: < 10%

SensoriGeostazionari

SensoriPolari

Requisiti Cruciali

Ottimale

Non esiste il satellite ottimale! Necessarie informazioni da più satelliti Vista importanza del tempo di rivisita,

inevitabile l’uso dei satelliti geostazionari


l’importanza del tempo di rivisita

Terra Aqua

Il tempo di rivisita è essenziale per una pronta rivelazioneQuesto impone l’uso di satelliti geostazionari • GOES per il continente americano• MSG (Meteosat 2nd generation) per Europa e Africa.

15 min

>= 2 ore

Geostazionario

In qualche ora, l’incendio può raggiungere dimensioni che non lo rendonopiù controllabile.


le bande disponibili in MSG e GOES

SEVIRI Finestre Atmosferiche nello SWIR/TIR (m):

1.50-1.78 3.48-4.36 (sat. 330-340 K) 8.30-9.10 9.80-11.80 11.00-13.00

SEVIRI: operativo da 29/Jan/04

Tempo di rivisita:15 minuti (operazione normale)5 minuti (modo speciale)

Dimensione Pixel:3x3 km (nadir)Approx. 5x(3-4) km (Europa)

In blu la trasparenza dell’atmosfera


Satelliti GOES

The GOES 10 (WEST) and GOES 8 (EAST) fields of view

GOES/IMAGER pixel (al Nadir) = 1 km (visibile), 4 km (infrarosso)


MSG IR 4, 0.8 e 0.6

Una delle primi immagini ricevute da Telespazio/Roma 12/06/2003

Red = 3.9 mGreen = 0.8 mBlue = 0.6 m

3712 x 3712 pixels


le bande del SEVIRI / MSG

0.6 0.8 1.6 3.9

6.2 7.3 8.7 9.7

10.8 12.0 13.4 HRV

MSG/SEVIRI Ground Resolution


Global Fire Map / Aug 2001-2002

5 km

4 km

3.1 km


Il modello Radiativo


reflectedsolar

)(1

)()cos(

atmosphere welling-down and -up

)()(1)(1)()1(

pixel surface

)()( , EDSESSAEDTOAEDEED zzETBzzzTBzR

R:radiance at TOA

:earth emissivity

:atmospheric transmissivity

B:Planck emission law

TE :earth surface temperature

TA :effective atm. temperature

E,S :solar irradiance

S :solar azimuth angle

zED :earth-detector distance

zTOA :atmosphere altitude

zSE :sun/TOA-earth distance

Il modello radiativo utilizzato


Caratteristiche del metodo

Uso delle finestre termiche del Geostazionario MSG 4, 8, 11, 12 (e SWIR a 1.6) micron

Equazione sub-pixel (a la Dozier) aumenta sensibilità spaziale

Modello Radiativo ‘consistente’ emissività del terreno, trasmittanza atmosferica termine solare, atmosferico e terrestre

Criteri di identificazione basati su quantità fisiche energia sviluppata temperatura incendio-ambiente dimensione potenziale

Supporto dei sensori polari (a maggiore risoluzione) MODIS

Sistema multi-temporale (o di contrasto) migliora falsi allarmi ed efficienza


Equazione Fondamentale(sub-pixel equation)


L’equazione sub-pixel per l’incendio

(t+t)

- =

SolAtm)()()()( bckfire TBTBftRttRR

Frazione di pixelcon variazione

Temperatura Incendio

Temperatura del fondo

Variazioni atmosferiche e del sole (trascurabili, ad eccezione dello SWIR)

Una equazione per ciascuna finestra atmosferica

(t)

Incendio Fondo


Il processamento


l’implementazione del modello

RadianzeGeostaz.

Maschera terra/mare

Stima temperaturadi background

Stima “umiditàatmosfera” (TPW)

Calcola geometria di acquisizione

Valuta il termine solare

Minimizza sistema di equazioni

dell’incendio

EmissivitàTerreno

Fornisce coordinate incendi

rivelati e caratteristiche

Seleziona sulla base di: - bontà minimizzazione - temperatura incendio - dimensione incendio - potenza incendio


selezione dell’incendio

Coregistrazione / Fusione

Tbck > T0

Risolve equazione sub-pixel

loop sui pixel dell’immagine

yes

Residue < S

R > N

yes

yes

yes

Tfire-Tbck > T

Post Processamento

PossibileIncendio(Allarme)

Mappa emissivitàdel suolo

Dati del geostazionario

4 m

11 m

12 m

Radianze al tempo t +t

6.7 m Trasmittanza

4 m

11 m

12 m

Radianze al tempo t

Rumore intrinseco del sensore

Condizione di incendio

Convergenza del minimizzatore del sistema

Temperatura del suolo


la catena di processamento

Acquisition

WaveletDecompression

Gross SegmentSelection

MSGLevel 1.5Products

Region, Bandsand Frames

Selection

Quick-Look

MSG Data Acquisition

CloudMasking

Transmissionover TCP/IP

FramesCoregistration

Geo/PolarCoregistration

EmissivityImages

Ingestion andRegion Selection

Pre-Processing

TCP/IPServer

ConfigurationData

DetectionProcedure

FireDetectionProduct

Generate data,if fire detected

Processing


Risultati


un caso reale:autunno 2001 / West Coast / USA

Documented Fire

Saturazione eProblemi di calibrazione

detail

Band 4 m

Cloud perturbation High sun irradiance

83k pixel/frame24 frame GOES consecutivi


filmato GOES / California

Filmino GOES/California


Un caso reale:Penisola Iberica, Agosto 2003

11:00 11:15 11:30 11:45

12:00 12:4512:15 12:30

04/Aug/03 12:03BIRD/MIR

Giallo=incendio identificato nei frame precedenti

Rosso=nuovo pixel incendiato


immagine BIRD erisultati SEVIRI / MODIS

SEVIRI: 01-05/Aug/03

ROSSO:BIRD (Satellite Alta Risoluzione)

GIALLO:MODIS (Satellite polare media risoluzione)

VERDE: SEVIRI (Satellite Geostazionario, bassa risoluzione, alta frequenza di rivisita)

Il numero corrisponde al giorno di Agosto in cui è avvenuta la rivelazione dai dati SEVIRI

con il metodo FIRES.


filmato MSG / Penisola Iberica

Filmino Penisola Iberica


Final Presentation

Il 17 Settembre 2002, presso il R.I.T. ha avuto luogo la riunione finale del progetto con la piena soddisfazione del Cliente.

Michael Richardson, il Program Manager del R.I.T., (mi) ha scritto:“… We felt your work was very informative and will be an important contribution to the FIRES program. We believe you have completed all elements within the Statement of Work with no open actions. … We would also like to extend a special thanks to your technical team. It was obvious they put considerable effort into this project and did a fine job of presenting their results in the final briefing. We look forward for the opportunity to work together again….”

Il team italiano al… Red Lobster


la pubblicazione su TuttoScienze

L’11 Settembre 2002 veniva pubblicato su “TuttoScienze” (l’inserto scientifico del quotidiano “La Stampa” di Torino) un articolo che presentava il lavoro svolto nell’ambito del Progetto FIRES dal team italiano.

In particolare, si metteva in evidenza che gli sviluppi avevano condotto alla realizzazione di un algoritmo che poteva distinguere, di giorno, un fiammifero acceso in una fotografia scattata da una distanza di diversi chilometri!...


l’Interrogazione Parlamentare (1/2)

A seguito dell’articolo apparso su TuttoScienze, il 18 Settembre 2002 fu presentata alla Camera dei Deputati un’Interrogazione Parlamentare (Atto Camera n.3/01381) dove si riconosceva la tecnologia satellitare messa a punto da Telespazio come una tecnologia efficace alla prevenzione degli incendi boschivi e dove si chiedeva se il Ministero delle Politiche Agricole e Forestali intendeva aver parte, anche con risorse finanziarie proprie, al completamento del Progetto FIRES.


l’Interrogazione Parlamentare (2/2)

Nella seduta n.238 dell’11 Dicembre 2002 il Sottosegretario di Stato competente, pur sollevando delle riserve per la tecnologia proposta dovute, essenzialmente, alla forte antropizzazione del territorio italiano, non escludeva che, “con il presupposto di un interesse da parte della Telespazio e di un accertamento della validità delle attività già realizzate, basato su dati certi e provati, si possa finanziare in parte il programma, quale sostegno a una iniziativa tecnico-scientifica nata in Italia e che ha trovato apprezzamento negli Stati Uniti”.


interesse / intervento ESA

• Il programma FIRES/NASA ha avuto un importante proseguimento nell’ambito delle attività ESA sulla prevenzione degli incendi (programma FUEGO-SAT), contribuendo a definire le scelte in questo ambito.

• Nelle intenzioni originali infatti il programma FUEOGO-SAT prevedeva l’uso di una costellazione di satelliti dedicati, con elevato tempo di rivisita– L’ottimale sfruttamento dei satelliti geostazionari proposto da FIRES,

eventualmente combinato con informazioni di satelliti a lungo periodo di rivista

– La disponibilità del nuovo satellite stazionario METEOSAT

– Gli costi elevati di una costellazione dedicata

hanno indotto ESA a promuovere e finanziare nuove iniziative con le quali sono state sviluppate le potenzialità del metodo ideato in FIRES.

Iniziative ESA dopo FIRES

• FiresMed (2002-2003): “Study for monitoring of fires in the mediterranean aera by geostationary and polar satellites” dove i processori sviluppati per i satelliti GOES sono stati adattati ed ottimizzati per il nuovo METEOSAT/SEVIRI


• CDMC-Fuegosat (2003-2004): “Fire Observability and Demonstration”. Progetto che ha coinvolto gruppi Italiani, Spagnoli e Francesi rivolto ad una dimostrazione di funzionalità del sistema di rilevamento degli incendi

• CDMC2-ETIV (2004-2005): Rivolto, al perfezionamento dell’algoritmo di rivelazione e allo sviluppo del sistema di processamento dei dati ancillari


Brevetto Telespazio SpA

In questi ultimi anni Telespazio SpA ha portato avanti i propri sviluppi per il perfezionamento dell’algoritmo di rilevamento di incendi boschivi.

Il 28 Luglio 2006 Telespazio ha depositato una domanda di Brevetto Nazionale (n.06118137.6) / Internazionale (n.PCT/EP2007/057802) dal titolo “Automatic detection of fires on earth’s surface and of atmospheric phenomena such as clouds, veils, fog or the like, by means of a satellite system.”


normativa attuale

• Legge Quadro in materia di Incendi Boschivi (Legge n.353/2000);• Gli Incendi Boschivi e il Catasto delle Aree Bruciate (O.P.C.M.

3606/2007 e 3624/2007);• Direttiva sugli indirizzi operativi per la campagna estiva 2008:

la direttiva è incentrata sull’attività di prevenzione. Tale attività era stata avviata fin dal 2000 con la legge quadro del 21 novembre -la n. 353- che imponeva l’introduzione del catasto delle aree incendiate, con l’obbligo di non modificare la preesistente destinazione d’uso dei terreni bruciati per almeno 15 anni; l’attuazione del catasto era stata poi ribadita lo scorso anno con le ordinanze n. 3606 del 28 agosto 2007 e n. 3624 del 22 ottobre 2007.

• @@@ “Ecosistema Incendi 2008” (Legambiente)


la nostra dedica…

da “la Repubblica” del 23 Luglio 2007:

“… E in Abruzzo, nella zona di Acciano, in provincia de L'Aquila, è precipitato proprio un Canadair della Protezione Civile, impegnato nelle operazioni di spegnimento di un incendio all'Eremo di Sant'Erasmo: il pilota, Andrea Golfera, è morto; il copilota, Daniele Ret, è stato trasportato in gravi condizioni all'ospedale de L'Aquila. …”

gli autori della presentazione desiderano dedicare questo loro lavoro alla memoria del pilota Andrea Golfera che ha sacrificato la sua vita nello svolgimento del suo dovere, per il bene di noi tutti e dell’ambiente nel quale viviamo ogni giorno.


grazie per l’attenzione!

Ing. Franco Di Stadio

Business Development

Telespazio S.p.A.

965, Via Tiburtina

00156 Rome - Italy

www.telespazio.com

www.telespazio.it

tel. +39 06 4079 3236

fax: +39 06 40999 345

mob. +39 335 1853969

http://www.telespazio.com/

http://www.telespazio.it/


bozza di sommario

• Pregresso background tecnico Telespazio; mappe di rischio (vedi anche l’articolo “Il Rischio Incendi Boschivi e le possibili contromisure”) (Evaristo / Franco).

• Attività di sviluppo del business (contratto con la Cassidy&Associates indicazione del Congresso USA “8. An increase of $2,500,000 for a joint U.S./Italian space-based research initiative for the study and detection of forest fires”) (Franco);

• Definizione del team di sviluppo: N.A.S.A. R.I.T. (Rochester, NY - USA), Cayuga Community College (poi R.A.C.N.E./N.A.S.A., ora I.A.G.T.; Auburn, NY – USA), Telespazio S.p.A. (Roma, Italia – UE) con Oerlikon Contraves (ora Rheinmetall Italia S.p.A.), Università di Genova e InterSpace (spin-off dell’Università di Roma “La Sapienza”) (Franco);

• La riunione di presentazione del Programma del 24 Settembre 1999 (Syracuse, NY – USA); costellazione di 12 satelliti forte indicazione del Program Manager del N.A.S.A. Langley Research Center (utilizzare sistemi spaziali esistenti) (Franco);

• L’algoritmo e i risultati (taglio divulgativo): nota tecnica “Band Selection Study and Processing Algorithm” e relativa presentazione finale (vedi anche gli articoli “Il Programma FIRES ed il Satellite FIRESAT” e “Il Rischio Incendi Boschivi e le possibili contromisure”) (Evaristo);

• Interrogazione parlamentare del 18.09.2002 e Risposta dell’11.12.2002 (Franco);

• Interesse / Intervento ESA: sviluppi successivi al Programma NASA FIRES e abbandono dell’architettura spaziale del sistema FUEGOSAT [http://esamultimedia.esa.int/docs/GMES/RISK_S10%5B1%5D.2_Ph2_V1.0_11_01_05_SpaceInfrastructureRequirements_Astrium_Validated.pdf] (Evaristo).

• L’audizione, al Senato della Repubblica (13ª Commissione Permanente – Territorio, Ambiente, Beni Ambientali), del Direttore del Dipartimento di Protezione Civile Guido Bertolaso (10 Ottobre 2007); tragedia del canadair del 23 Luglio 2007 (Franco);

• Gli Incendi Boschivi e il Catasto delle Aree bruciate (O.P.C.M. 3606/2007 e 3624/2007) [http://www.protezionecivile.it/minisite/index.php?dir_pk=795&cms_pk=14021] (Franco)

• Il 28 Luglio 2006 Telespazio ha depositato una domanda di Brevetto Nazionale (n.06118137.6) / Internazionale (n.PCT/EP2007/057802) dal titolo “Automatic detection of fires on earth’s surface and of atmospheric phenomena such as clouds, veils, fog or the like, by means of a satellite system.” (Franco)

http://esamultimedia.esa.int/docs/GMES/RISK_S10%5B1%5D.2_Ph2_V1.0_11_01_05_SpaceInfrastructureRequirements_Astrium_Validated.pdf

http://www.protezionecivile.it/minisite/index.php?dir_pk=795&cms_pk=14021

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