Quello dell’inquinamento atmosferico e del suo impatto sulla salute umana è uno dei problemi più importanti che la società contemporanea deve affrontare. Il principale obiettivo del progetto è infatti lo sviluppo e il test di nuove metodologie per la fornitura di prodotti satellitari avanzati per la valutazione della qualità dell’aria dallo spazio. In particolare, il progetto si propone di capitalizzare l’informazione contenuta nei dati iperspettrali acquisiti da PRISMA per ricavare informazioni qualitative e quantitative sul carico di particolato atmosferico e sulla sua tipologia (composizione chimica) in area urbana, discriminando quindi il particolato ‘inquinante’ di origine antropica da quello invece di origine naturale. Questa informazione è chiave per comprendere l’impatto della composizione chimica del particolato atmosferico su ambiente e salute.
Gli algoritmi di rete neurale, o più in generale di intelligenza artificiale, hanno delle potenzialità enormi nel telerilevamento satellitare perché riescono a individuare nei dati delle relazioni tra ingresso (misure radiometriche) e uscita (quantità chimico-fisiche) anche molto deboli e fortemente non lineari. D’altra parte questi modelli matematici non vanno utilizzati, come a volte succede, con un approccio black-box, senza avere cioè consapevolezza dei meccanismi fisici che ne determinano i parametri caratteristici. Per questo la loro progettazione deve essere affiancata all’utilizzo di modelli chimico-fisici che possano guidare nella scelta delle architetture e nella corretta esecuzione delle fasi di addestramento. A tal fine, quindi, il progetto proposto utilizzerà una serie di modelli chimico-fisici e database allo stato dell’arte nel settore. In particolare verranno collezionate e archiviate simulazioni dei campi di aerosol con speciazione chimica fornita dal servizio Europeo Copernicus Atmospheric Monitorng Service (CAMS). A valle della simulazione dei campi di aerosol, si provvederà all’applicazione di un pacchetto software di post-processamento (FlexAOD) utile al calcolo delle proprietà ottiche del particolato a partire da singoli profili di aerosol simulati. Infine un modello di trasferimento radiativo (per es. Libradtran o 6S) utilizzerà i parametri ottici dei costituenti dell’aerosol ottenuti in precedenza per simulare le radianze e riflettanze misurate da PRISMA alla sommità dell’atmosfera e corrispondenti alle specifiche ‘scene’ generate dalle simulazioni modellistiche nei passi precedenti. È da osservare che il database generato avrà copertura globale, garantendo l’applicabilità degli algoritmi che verranno sviluppati anche al di fuori delle aree di test previste nel progetto.
Le tipologie di aerosol che si intende riuscire a identificare e quantificare negli algoritmi del progetto sono: particolato inorganico, particolato organico, carbonio elementare, polveri minerali, sale marino. Tale lista preliminare potrà essere rivista e arricchita in fase di realizzazione. Le specie chimiche elencate corrispondono a quelle che vengono normalmente simulate nei modelli di chimica e trasporto e/o stimate attraverso analisi chimiche dei campioni di particolato. Una differenza marcata con gli algoritmi satellitari attualmente disponibili risiede proprio nella tipologia di specie chimiche di aerosol che si andranno a classificare. Nei prodotti disponibili per le varie piattaforme satellitari gli aerosol vengono infatti solitamente distinti in ‘miscele’ predefinite delle specie chimiche suddette (es. aerosol continentale, marino, desertico, urbano, ecc.), rendendo difficoltoso il confronto diretto con i modelli e con le stime da campioni in-situ.
TEAM DI PROGETTO
Il gruppo di Osservazione della Terra dell’Università di Roma “Tor Vergata” nasce nel 1982 ad opera del Prof. Domenico Solimini, tra i fondatori della stessa Università e pioniere a livello nazionale della didattica e della ricerca nel campo dell’Osservazione della Terra, nonché responsabile di numerosi progetti scientifici internazionali. Il gruppo, che attualmente consiste in 3 Professori di ruolo, 2 assegnisti di ricerca, 8 dottorandi e un tecnico di laboratorio, si occupa sin da subito di telerilevamento dell’atmosfera, soprattutto nel campo della radiometria a microonde, sviluppando poi sempre più nel tempo una particolare competenza nei problemi di inversione, non solo con dati a microonde, ma anche con quelli provenienti dalla banda del visibile e dell’infrarosso. Dalla fine degli anni 90 il gruppo comincia in particolare a sviluppare metodologie di inversione del dato telerilevato basate su reti neurali.
Nel frattempo, nel 2006, il gruppo fonda GEO-K, il primo spin-off dell’Università “Tor Vergata”, che usa tecniche “Knowledge based” per estrarre informazione applicativa dai dati di osservazione della terra. Sul fronte della ricerca in questo periodo si cominciano a considerare le tecniche neurali anche per l’elaborazione dei dati ipespettrali, in particolare quelli provenienti dalla missione satellitare CHRIS PROBA, e dalle piattaforme AHS e AVIRIS. I risultati ottenuti vengono pubblicati sulle più importanti riviste internazionali di settore e presentati a diverse conferenze, ben 7 articoli presentati all’ESA Hyperspectral Workshop 2010 più 2 al Workshop on Hyperspectral Image and Signal Processing (WHISPERS) nello stesso anno.
Riguardo alle collaborazioni con ESA, il gruppo supporta attualmente il Phi-Lab, la struttura di ricerca che ESA ha recentemente costituito per sviluppare tecnologie basate su intelligenza artificiale in applicazioni di OT. Il laboratorio OT di “Tor Vergata” è stato poi uno dei primi membri della Copernicus Academy (https://www.copernicus.eu/it/opportunita/il-settore-dellistruzione/copernicus-academy). Alle attività descritte si affiancano quelle di ricerca su altri settori dell’OT, quali modellistica elettromagnetica a microonde, riflettometria radar, rilevamento sversamenti petroliferi in mare da immagini SAR, applicazioni di interferometria SAR, algoritmi di rilevamento automatico di cambiamenti, e quelle di trasferimento tecnologico. In particolare il gruppo ha recentemente concluso un progetto sviluppato nel’ambito del programma Horizon 2020 per la realizzazione in-house di un Fablab dedicato ad applicazioni spaziali con un finanzamento ricevuto di 260000 Euro. In generale il gruppo vanta un numero rilevante di partecipazioni, anche con ruolo di leadership, a progetti scientifici internazionali e oltre 800 lavori su riviste, libri o atti di convegni internazionali.
2. Università degli Studi dell’Aquila
Il CETEMPS (Center of Excellence for Telesensing of Environment and Model Prediction of Severe events, http://cetemps.aquila.infn.it) nasce presso l’Università degli Studi dell’Aquila nel 2001 da una selezione del MIUR per i Centri di eccellenza, che ne finanzia le attività per tre anni. Negli anni successivi il CETEMPS riesce ad autofinanziarsi grazie alla stretta collaborazione con enti pubblici nazionali come il Dipartimento di Protezione Civile, la Regione Abruzzo, l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e internazionali come l’European Space Agency (ESA) e la European Science Fundation (ESF).
Il CETEMPS comprende circa 40 persone dedite ad un’intensa attività scientifica, che ha portato a numerose pubblicazioni su riviste di rilievo. Le attività scientifiche del Centro sono in origine principalmente rivolte alle osservazioni e alle previsioni meteorologiche ed idrologiche. Gli interessi del CETEMPS si sono più recentemente ampliati alla modellistica climatica, la misura e la modellistica della composizione atmosferica. L’inaugurazione di quest’ultima attività è dovuta in larga misura al contributo del coordinatore scientifico dell’unità subcontraente e si estende dalla scala globale alla scala regionale e locale. Le attività pertinenti alla presente proposta, sono in particolare state sostenute grazie ai finanziamenti derivanti da 3 progetti dell’Agenzia Spaziale Italiana negli anni 2006-2015 e da 2 progetti nazionali negli anni 2015-2017.
Gli interessi della linea di ricerca in Modellistica Ambientale, di cui il responsabile scientifico in PRIMARY è coordinatore, sono focalizzati sullo studio della Chimica e Fisica Atmosferica, in particolare la comprensione dei processi che controllano il bilancio atmosferico delle specie chimiche che ricoprono un ruolo importante sia nel contesto dei cambiamenti climatici globali che in quello della qualità dell’aria regionale. I principali strumenti di indagine sono: (1) modelli di chimica e trasporto di tipo euleriano (CTM), sia a scala globale che a scala regionale; (2) osservazioni telerilevate da satellite e in-situ da strumentazione al suolo e su aereo. L’ottima esperienza è maturata grazie anche alla collaborazione diretta con i gruppi di ricerca internazionali di riferimento, e comprende la piena padronanza degli strumenti informatici necessari per la produzione e l’analisi dei risultati. Il CETEMPS utilizza e contribuisce direttamente allo sviluppo di tre modelli comunitari internazionali quali i modelli di chimica e trasporto CHIMERE e GEOS-Chem e il modello accoppiato meteo-chimica-radiazione WRF/Chem.
3. CNR – ISAC
L’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC) è il principale Istituto del CNR per la ricerca nelle Scienze dell’Atmosfera. Le attività scientifiche condotte dall’Istituto mirano ad una comprensione integrata dei processi che coinvolgono l’atmosfera, terrestre e non, tramite un approccio multidisciplinare che combina capacità scientifiche e tecnologiche nei settori della meteorologia, della climatologia, della dinamica dell’atmosfera, della composizione chimica, e dell’osservazione della terra. L’ISAC è organizzato in 7 unità territoriali, 7 osservatori permanenti, che comprendono anche 3 Stazioni Globali del Programma Global Atmosphere Watch della World Meteorological Organization e 2 supersiti atmosferici a Roma (CIRAS) e in Val Padana (San Pietro Capofiume). L’ISAC è riconosciuto internazionalmente attraverso le sue collaborazioni con numerosi laboratori europei e centri di ricerca mondiali. Una parte importante dell’ISAC, per lo più riconducibile ad una delle tre maroaree in cui si struttura l’istituto (CAFCA, Composizione dell’Atmosfera, Forzanti Climatiche e qualità dell’Aria), conduce da decenni ricerche all’avanguardia sul particolato atmosferico e relativi impatti su clima, ambiente e salute alla base delle quali c’è sempre una marcata attenzione alla parte sperimentale. In particolare, all’interno dell’ISAC, tema di studio del gruppo di ricerca partecipante alla proposta PRIMARY è la caratterizzazione fisico-chimica dell’aerosol atmosferico, dalla scala locale alla scala regionale, attraverso l’uso di osservazioni di remote sensing attivo e passivo, da terra e dallo spazio accoppiate a misure in situ multi-sensore e a modellistica numerica.
4. CNR – IIA
L’Istituto sull’Inquinamento Atmosferico del CNR-IIA è articolato in quattro Sedi che comprendono la Sede principale situata nell’Area della Ricerca Roma-1 a Monterotondo (Roma) e tre Sedi Secondarie. L’istituto, a supporto di ampi settori pubblici e privati fornisce servizi di alta consulenza nel settore dell’inquinamento atmosferico in aree urbane e industriali. In particolare sull’emissione, trasformazione, trasporto, deposizione e circolazione degli inquinanti atmosferici ed ambientali in aree urbane e industriali nonché supporta lo sviluppo di strategie di tipo osservativo e legislative per valutare l’impatto dell’inquinamento atmosferico e ambientale sui vari ecosistemi e a diverse scale spaziali. Promuove lo sviluppo di sistemi e standard internazionali per lo sharing di dati ambientali e l’interoperabilità di sistemi e infrastrutture. L’Istituto è impegnato nello sviluppo di sistemi integrati di analisi ambientali che prevedono l’integrazione di sistemi osservativi con modelli numerici di qualità dell’aria al fine di sviluppare analisi socio-economiche utili all’implementazione delle direttive europee e dei trattati internazionali sia per la scala nazionale che internazionale. Le principali linee di ricerca legate al progetto PRIMARY sono:
- Integrazione delle componenti osservative space e ground (ground-based ed in situ) per lo studio dell’atmosfera e della qualità dell’aria.
- Acquisizione di dati in-situ, ai fini delle della calibrazione e validazione dei dati telerilevati e dei prodotti derivati (core and downstream services).
- Sviluppo di algoritmi per la correzione atmosferica delle immagini e per lo studio del trasferimento radiativo in atmosfera.
- Monitoraggio della qualità dell’aria in contesti urbani e rurali attraverso l’uso di dati OT ground-based e satellitari.
5. SERCO
Serco è una società di servizi internazionale che combina know-how tecnico e commerciale con profondo spirito d’interesse per il servizio pubblico. Supporta, con i suoi oltre 45.000 impiegati, i governi, leorganizzazioni internazionali, le agenzie e le compagnie di oltre 35 Paesi nel mondo, che ricercano partner qualificati con una solida storia in grado di fornire soluzioni efficaci per assicurare la fornitura di servizi ad elevati standard qualitativi. Serco ha maturato esperienze e competenze nei vari settori dell’IT coprendo tutte le aree di mercato dove Serco va ad operare seguendo una sola politica quella della Qualità. I nostri Servizi IT Serco vengono forniti alle Pubbliche Amministrazioni, Organizzazioni Internazionali, Società di telecomunicazioni, Organizzazioni che operano in campo aereospaziale, settore sicurezza urbana, telerilevamento.
I servizi offerti nell’ambito dell’IT coprono la quasi totalità delle esigenze dei nostri clienti e si distinguono in:
• Servizi di amministrazione dei sistemi
• Servizi di Help Desk
• Supporto Desktop/Laptop/Printers/Hardware
• Servizi di integrazione dei sistemi
• Supporto Office Automation
• Servizi di sviluppo
• Amministrazione Reti LAN e WAN
• Servizi di Sicurezza
La Serco Italia SpA fornisce servizi nel settore Remote Sensing all’Agenzia Spaziale Europea (ESA) da più di 25 anni.
RISULTATI
M. Di Giacomo et al.,”Prisma-Like Data Simulation using Radiative Transfer Model and Copernicus CAMS”, https://drive.google.com/file/d/13bXD1pYRa8xXziHZFyQshRSZ77BmuhZW/view?usp=sharing
Pubblicazioni su rivista scientifica
- (Pubblicato) Ana Carolina Amarillo, Gabriele Curci, Davide De Santis, Cristiana Bassani, Francesca Barnaba, Samuel Rémy, Luca Di Liberto, Christopher R. Oxford, Eli Windwer, Fabio Del Frate; Validation of aerosol chemical composition and optical properties provided by Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) using ground-based global data, Atmospheric Environment, Volume 334, 2024, 120683, ISSN 1352-2310, https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2024.120683.
Pubblicazioni su atti di conferenze
- D. De Santis et al., “Air Quality Monitoring at Urban Scale using Prisma Hyperspectral Data: The ‘Primary’ Project”, IGARSS 2024 – 2024 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Atene.
- Sarathchandrakumar T. Sasidharan, Davide De Santis et al., “AI Feature Extraction for Prisma Hyperspectral Data”, IGARSS 2024 – 2024 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Atene.
- De Santis, D., Sasidharan, S. T., Di Giacomo, M., Bencivenni, G., Del Frate, F., Curci, G., Amarillo, A. C., Barnaba, F., Di Liberto, L., Pasqualini, F., Bassani, C., Scifoni, S., Casadio, S., Cofano, A., Cardaci, M., and Licciardi, G.: AI and physical models for air quality monitoring at urban scale with PRISMA hyperspectral data, EGU General Assembly 2024, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-19760, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-19760, 2024.
- D. De Santis et al., “The ‘Primary’ Project: Air Quality Monitoring at Urban Scale with Prisma Hyperspectral Data,” IGARSS 2023 – 2023 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Pasadena, CA, USA, 2023, pp. 2576-2579, https://doi.org/10.1109/IGARSS52108.2023.10282391 .