MOnitoraggio delle acque del mar MEditerraneo mediante DAti Satellitari (MOMEDAS)

In questo periodo, della durata di quattro mesi, le attività si sono concentrate sulla formazione scientifica del personale selezionato. L’acquisizione delle conoscenze fondamentali necessarie per poter affrontare le problematiche oggetto del progetto è avvenuta principalmente attraverso una ricerca bibliografica e di consultazione e studio di articoli scientifici e pubblicazioni tecniche inerenti alle potenzialità dei dati satellitari nel fornire informazioni utili relativamente ai diversi processi in atto sulla superficie del mare. Nel dettaglio, l’obiettivo raggiunto è stato quello di maturare conoscenze specifiche nel campo dell’Ocean Color (OC), la branca del telerilevamento che si occupa di sfruttare le variazioni del colore del mare per estrarre informazioni sui processi biologici, geochimici e fisici che avvengono nell’ambiente marino e costiero.
Parallelamente all’indagine bibliografica è stata svolta una ricerca dei software open source disponibili in rete per il trattamento e l’analisi dei prodotti OC, con particolare attenzione a quelli messi a disposizione dalle agenzie spaziali che hanno in orbita sensori utili ai fini dell’OC, quali la National Aeronautics and Space Administration (NASA) e l’European Space Agency (ESA).

In questa fase, della durata di otto mesi, la formazione teorico-pratica è stata ulteriormente approfondita. A partire dalle conoscenze basilari maturate nella fase precedente, maggiore attenzione è stata rivolta ai seguenti aspetti:

1. identificazione dei dati/prodotti satellitari utili per gli scopi del progetto;
2. identificazione del software open source migliore nella gestione dei dati di cui sopra;
3. metodologia di analisi dei dati.

Relativamente alla ricerca preliminare dei dati più utili per il raggiungimento degli scopi del progetto, gli studi condotti hanno permesso di identificare il portale dei dati OC della NASA (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/) quale archivio storico di riferimento per i prodotti satellitari da utilizzare nel prosieguo del progetto. In particolare, tra i dati/prodotti distribuiti, quelli generati a partire da acquisizioni MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) sono stati identificati come i più utili per gli scopi del progetto. Il sensore MODIS, infatti, ha caratteristiche, in termini di risoluzioni spettrali/spaziali/temporali, adeguate per monitorare le superfici marine. Il dato MODIS OC Level 2 è distribuito dalla NASA ad una risoluzione spaziale di 1km in formato HDF (Hierarchical Data Format), così come quello relativo alla Sea Surface Temperature (SST). Tra i prodotti forniti nel dato OC, la concentrazione di clorofilla-a (Chl-a) è stata selezionata come quella più rappresentativa dello stato di salute delle acque del mar Mediterraneo. Essa è direttamente collegabile alla quantità di plancton presente nel mare e pertanto fornisce un’indicazione circa la produzione primaria marina. Un aumento eccessivo di Chl-a può essere indicativo dell’instaurarsi di situazioni critiche, variabili da eutrofiche ad anossiche, che possono causare la morte degli organismi viventi presenti in quelle acque. L’informazione sulle variazioni di SST, oltre che direttamente influenzate dai processi di cui sopra, sono inoltre rappresentative degli effetti che i cambiamenti climatici hanno sulle acque del bacini del Mediterraneo. Per i motivi suddetti, nell’ambito di MOMEDAS, le analisi e gli studi condotti sono stati focalizzati sui parametri concentrazione di Chl-a e SST.

Una volta identificati i dati/prodotti da analizzare, gli studi successivi hanno riguardato l’analisi delle possibili soluzioni software per il trattamento e l’analisi di tali prodotti. Due sono risultate le possibili soluzioni: da un lato HDFLook, un tool di visualizzazione e processamento di qualsiasi dato di alto livello su base MODIS, dall’altro SeaDAS, un applicativo completo per l’analisi di dati OC, originariamente sviluppato per dati SeaWiFS e successivamente adattato anche a quelli MODIS. Entrambi i software, open source, sono stati installati e testati per verificarne funzionalità e potenzialità, anche in relazione alle catene di elaborazione di dati satellitari già operative presso il CNR-IMAA, nonché alle disponibilità hardware e software di GeoSpazio Italia srl. I test condotti hanno identificato in SeaDAS la soluzione migliore, grazie alla sua maggiore facilità di interazione con i dati MODIS OC/SST rispetto ad HDFLook. Pertanto, in collaborazione anche con i rappresentanti di GeoSpazio Italia srl, se ne sono vagliate dettagliatamente le possibilità di utilizzo in versione grafica e soprattutto in modalità “Command-line Interface”. Quest’ultima operazione ha richiesto lo studio anche del framework BEAM, piattaforma di sviluppo software alla base di SeaDAS. In particolare sono state implementate diverse routine per l’esecuzione delle seguenti operazioni:

1. eseguire un subset spaziale del dato OC/SST specificando un poligono di interesse (i.e., area del mar Mediterraneo);
2. eseguire un subset spettrale del dato OC per estrarre un parametro geofisico di interesse;
3. ri-proiettare il dato OC/SST in uno specifico sistema di riferimento geografico.

Nella fase finale di questa attività, il personale selezionato si è concentrato sulla sperimentazione di tecniche di letteratura e/o originali per l’analisi di tali dati, al fine di sviluppare prodotti innovativi utili per il monitoraggio delle aree marino-costiere. La metodologia di analisi dati satellitari alla base delle attività del gruppo di ricerca cui loro afferiscono è la Robust Satellite Techniques (RST, Tramutoli 2007 ), una tecnica consolidata per il processamento e l’analisi multi-temporale di serie pluriennali di immagini satellitari. RST si configura come un algoritmo di change-detection, basato sull’analisi, a livello di pixel, di serie storiche (pluriennali) omogenee (nel dominio spazio-temporale) di dati satellitari. L’analisi di tali dataset permette una caratterizzazione preliminare del segnale investigato in termini di valore atteso e normale variabilità, espressi normalmente attraverso la media temporale e la deviazione standard, che vengono infine comparati con il segnale misurato al fine di identificarne, in maniera automatica, la presenza di anomalie statisticamente significative. Terminata la conoscenza della metodologia RST, ne sono state valutate le potenzialità, nonché le problematiche connesse all’implementazione, analizzando serie storiche di dati MODIS Level 1, quali quelli acquisiti e archiviati presso il CNR-IMAA, per la ricerca di eventuali sversamenti di idrocarburi in mare. Lo sversamento illegale verificatosi a Sud delle coste Cipriote il 18 giugno 2007 e segnalato dall’Agenzia Europea per la Sicurezza Marittima (European Maritime Safety Agency, EMSA) è stato scelto come caso test, fornendo risultati soddisfacenti sia in termini di affidabilità che di sensibilità nel riconoscimento dello stesso usando dati acquisiti nel visibile. Terminata questa ulteriore fase di training, il passaggio successivo ha riguardato l’implementazione di RST su serie storiche di prodotti MODIS OC/SST, a partire dalla generazione delle serie storiche di prodotti OC/SST.
Quest’ultima fase, della durata di quattro mesi, è stata realizzata a partire da marzo 2015 ed ha visto il coinvolgimento diretto della GeoSpazio Italia srl.
Nello specifico, nel periodo considerato, prima di tutto si è conclusa la fase di popolamento degli archivi storici relativi ai prodotti MODIS OC/SST. Lavorando a scala mensile, sono state scaricate e processate circa 60.000 immagini, relative al periodo Gennaio 2002 - Dicembre 2014, per un totale di spazio disco di circa 1.6TB. I dati in oggetto sono stati successivamente analizzati seguendo i dettami della metodologia RST. In particolare, si è proceduto al calcolo dei campi di riferimento (i.e, media e deviazione standard), per ciascun mese dell’anno, per l’area del Mediterraneo, integrando le routine di SeaDAS già sviluppate con dei tools implementati ad hoc in linguaggio C++. Alla fine di questa fase, per ognuno dei parametri investigati (i.e, Chl-a e SST) sono stati prodotti 24 campi di riferimento (1 media+1 deviazione standard x 12 mesi).

Le attività di disseminazione sono state realizzate lungo tutto l’arco temporale del progetto attraverso:

1. sottomissione di abstract presso convegni nazionali/internazionali di interesse;
2. partecipazione a convegni nazionali/internazionali di interesse;
3. presentazione risultati evento conclusivo del 15 Luglio 2015;
4. realizzazione e aggiornamento sito web.

Nella tabella sottostante è riportato l’elenco degli abstract sottomessi in cui era presente, anche solo parzialmente il progetto MOMEDAS, nonché l’eventuale partecipazione di almeno uno dei membri dello staff del progetto a convegni specifici sulla tematica dello stesso.

Meeting	Abstract	Partecipazione
International Geoscience and Remote Sensing Symposium 2015, Milano (Italia), Luglio 2015	SI	-
Safe Chania, Chania, Creta (Grecia) Giugno 2015	SI	SI
47th Liege Colloquium, Liegi (Belgio) Maggio 2015	SI	SI
European Geoscience Union General Assembly 2015, Vienna (Austria) Aprile 2015	SI	SI
CSPP and IMAPP Users’ Group Meeting, Darmstadt (Germania) Aprile 2015	-	SI
American Geophysical Union Fall Meeting, San Francisco (USA) Dicembre 2014	SI	SI
IOSMOS Final Meeting, Novembre 2014, Tito Scalo, Italia	-	SI
EUMETSAT Meteorological Satellite Conference, Ginevra (Svizzera) Settembre 2014	SI	SI
European Geoscience Union General Assembly 2014, Vienna (Austria) Aprile-Maggio 2014	SI	SI

I risultati del progetto sono stati presentati in occasione dell’evento conclusivo dei progetti FSE 2007-2013 in cui il CNR-IMAA era beneficiario, svoltosi il 15 luglio 2015 presso la sede di Marsico Nuovo (PZ). Le attività e i risultati del progetto saranno inseriti in diversi articoli scientifici la cui stesura è attualmente in corso.