Riassunto analitico
Il telerilevamento ambientale è uno strumento utilizzato sempre maggiormente per lo studio di ampie aree ma anche di aree urbane grazie ai sensori ad elevata risoluzione spaziale. Questi ultimi, se dotati anche di una buona risoluzione spettrale, sono in grado di identificare superfici di piccole dimensioni, quali tetti e pavimenti urbani. Questo ne permette l’utilizzo in diversi studi relativi, per esempio, alla caratterizzazione delle superfici urbane per correlarle allo sviluppo del fenomeno dell’isola di calore urbana. Le aree cittadine giocano un ruolo fondamentale nel fenomeno, trattenendo gran parte della radiazione solare. I materiali cool rappresentano un esempio di tecnologia da applicare in area urbana per mitigare il fenomeno dell’UHI tramite l’aumento della riflettanza solare dei materiali. D’altra parte, sono soggetti ad invecchiamento e le loro proprietà variano negli anni seguenti all’installazione. I produttori di questi materiali devono quindi testare con misure in laboratorio le proprietà dei materiali stessi per comprendere la diminuzione della riflettanza solare nel tempo. E se fosse possibile osservare “da remoto” le superfici cool (e non) presenti in area urbana? Se fosse possibile verificarne “da remoto” le proprietà e l’invecchiamento? Gli strumenti da laboratorio sono gli unici al momento riconosciuti in grado di certificare un materiale. Pertanto in questo studio sono state studiate le potenzialità delle immagini satellitari ad alta risoluzione per essere utilizzate quali sostituti delle misure di laboratorio. Per tale scopo è stata acquisita un’immagine dal sensore Worldview3 e sono stati misurati numerosi spettri di superfici urbane (tetti, strade, parcheggi..) tramite lo spettrofotometro da laboratorio Jasco V-670 UV-Vis-NIR con una sfera integrativa di 150mm (300 – 2500 nm) e lo spettroradiometro da campo ASD FieldSpec 4 (350– 2500 nm). L’area di studio su cui si è concentrata l’analisi è il distretto ceramico di Sassuolo situato nella provincia di Modena, nel Nord dell’Italia. Quest’area è densamente urbanizzata, e presenta un’ampia zona industriale sulla quale si sta sviluppando sempre più il fenomeno dell’isola di calore urbana. Gli spettri acquisiti da misure in campo e in laboratorio sono stati ricampionati per simulare lo spettro acquisito dall’immagine WV3, dotata di 8 bande spettrali nella regione del Vis-NIR con una risoluzione spaziale di 1.20 m e 8 nello SWIR, con una risoluzione spaziale di 7.50 m. In questo modo è stato possibile studiare le corrispondenze tra le misure banda per banda, valutare l’influenza delle diverse regioni dello spettro elettromagnetico, ottenere non solo un dato puntuale sul campione di materiale ma anche statistiche quali valori massimo minimo ecc.. Parametri statistici come la correlazione e l’indice RMSE sono stati utilizzati per valutare le differenze tra gli spettri acquisiti e il grado di accuratezza dell’immagine satellitare nella caratterizzazione delle superfici urbane. L’ albedo è stato calcolato sulle diverse superfici tramite gli spettri di laboratorio/in situ e l’immagine satellitare. I risultati ottenuti sono incoraggianti: per le superfici urbane alto assorbenti si riscontrano valori estremamente bassi di RMSE, quindi sarebbe possibile sostituire i dati ricavati da remoto con quelli ottenuti da terra. Le immagini satellitari dimostrano grandi potenzialità in questo campo. Esse rendono possibile lo studio di ampie superfici, dove sono installate magari diverse coperture. Grazie alla presenza di immagini passate negli archivi, permettono inoltre uno studio “all’indietro nel tempo”, per andare a verificare ad esempio il decadimento delle proprietà di una superficie urbana. L’utilizzo di immagini satellitari ad alta risoluzione spaziale risulta quindi un ottimo modo per caratterizzare le superfici urbane.
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Abstract
Environmental remote sensing is an increasingly used tool for the study of large areas as well as urban areas thanks to high spatial resolution sensors. The latter, if also equipped with good spectral resolution, are able to identify small surfaces such as roofs and urban floors. This allows them to be used in various studies concerning, for example, the characterisation of urban surfaces to correlate them with the development of the urban heat island phenomenon. Urban areas play a key role in this phenomenon, retaining a large part of solar radiation. Cool materials are an example of technology that can be applied in urban areas to mitigate the UHI phenomenon by increasing the solar reflectance of materials. On the other hand, they are subject to ageing and their properties change in the years following installation. The manufacturers of these materials must therefore test the properties of the materials themselves with laboratory measurements to understand the decrease in solar reflectance over time. What if was it possible to 'remotely' observe cool (and non-cool) surfaces in urban areas? What if was it possible to 'remotely' verify their properties and ageing? Laboratory instruments are the only ones currently recognised as being able to certify a material. Therefore, the potential of high-resolution satellite images to be used as a substitute for laboratory measurements was investigated in this study. For this purpose, an image was acquired from the Worldview3 sensor and several spectra of urban surfaces (roofs, streets, car parks, etc.) were measured using the Jasco V-670 UV-Vis-NIR laboratory spectrophotometer with a 150 mm integrating sphere and the ASD FieldSpec 4 field spectroradiometer (350- 2500 nm). The study area on which the analysis focused was the Sassuolo ceramic district located in the province of Modena in northern Italy. Spectra acquired from field and laboratory measurements were resampled to simulate the spectrum acquired by the WV3 image, which has 8 spectral bands in the Vis-NIR region with a spatial resolution of 1.20 m and 8 in the SWIR, with a spatial resolution of 7.50 m. This made it possible to study the correspondences between the measurements band by band, to assess the influence of the different regions of the electromagnetic spectrum, and to obtain not only a point data on the material sample but also statistics such as maximum minimum values etc.. Statistical parameters such as correlation and the RMSE index were used to assess the differences between the acquired spectra and the degree of accuracy of the satellite image in the characterisation of urban surfaces. The albedo index was calculated on the different surfaces using the laboratory/in situ spectra and the satellite image. The results obtained are encouraging: extremely low RMSE values are found for highly absorbent urban surfaces, so it would be possible to replace remotely obtained data with ground-based data. Satellite images show great potential in this field. They make it possible to study large areas, where several roofs are installed. Thanks to the presence of past images in the archives, they also make it possible to study 'backwards in time', to check the decay of the properties of an urban surface, for example. The use of high spatial resolution satellite images is therefore an excellent way to characterise urban surfaces.
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