I SENSORI MODIS E ASTER

I SENSORI MODIS E ASTER
I sensori MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) e ASTER (Advanced
Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) sono stati lanciati a bordo del veicolo
spaziale della NASA, Terra, nel dicembre 1999. Questo si inserisce nel contesto del progetto EOS
(Earth Observing System) cioè quel programma di ricerche scientifiche interdisciplinari (istituito
nel 1991), il cui scopo generale è quello di capire le dinamiche ambientali su scala globale,
migliorando la conoscenza delle componenti del sistema Terra e delle interazioni in essa coinvolte.
Il satellite Terra
Il satellite Terra, conosciuto formalmente come EOS-AM, è stato il primo satellite della serie EOS
lanciato in orbita. Il lancio avvenne con successo il 18 dicembre 1999, presso la base statunitense
Air Force Vanderberg di Lompoc (California). Terra si pone gli obiettivi principali di:
• fornire le prime misure globali e stagionali del sistema terra, includendo funzioni relative
alla produttività biologica del suolo e degli oceani, neve e ghiaccio, temperatura
superficiale, nuvole e vapore acqueo;
• migliorare l’abilità nell’individuare impatti antropici sul sistema Terra e sul clima,
identificare l’impronta dell’attività umana sul clima e prevedere i cambiamenti climatici
usando nuove osservazioni, su scala globale, nei modelli di studio del clima;
• aiutare a sviluppare le tecnologie per la predizione e la caratterizzazione dei disastri e per la
riduzione dei rischi dovuti a incendi, vulcani, inondazioni e siccità;
• iniziare un monitoraggio a lungo termine del cambiamento globale del clima e
dell’ambiente.
Il satellite Terra è caratterizzato da un’orbita polare (quasi circolare) eliosincrona. Con una distanza
dalla superficie terrestre di 705 Km, circumnaviga il globo 16 volte al giorno dal polo nord al polo
sud,con un tempo di rivoluzione di 98,9 minuti e con un’inclinazione di 98.2 gradi, attraversando
l’equatore alle 10:30 locali.
Diametro 3.5 m
Lunghezza 6.8 m
Peso 5190 Kg
Potenza 2530 W (media)
Invio di dati 18.545 Kbps (media)
Tempo di vita 5 anni
Caratteristiche tecniche di Terra
Strumenti a bordo di Terra
Il satellite Terra trasporta cinque strumenti che misurano la radianza solare riflessa dalla superficie
terrestre e l’energia che essa emette; questa “energia radiante” è raccolta dagli strumenti e
focalizzata all’interno di sensori sensibili a particolari regioni dello spettro elettromagnetico che
vanno dal visibile all’infrarosso termico. Le informazioni così prodotte vengono trasmesse a Terra
dove subiscono alcune prime elaborazione.
Di seguito viene fornito un elenco degli strumenti di cui il satellite Terra è dotato, seguito da una
breve caratterizzazione.
• ASTER, Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer, fornisce le
immagini a più alta risoluzione spaziale per gli strumenti di Terra (15-90 m), nelle bande del
visibile, NIR, SWIR e TIR.

• CERES, Clouds and Earth Radiant Energy System, fornisce misure sul bilancio energetico
terrestre. E’ costituito da due radiometri che misurano l’energia riflessa, la radiazione
termica emessa dalla superficie terrestre e la radiazione totale.
• MODIS, Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer, spettroradiometro a 36 bande
che misura la radiazione nel visibile e nell’infrarosso.
• MOPIT, Measurements of Pollution in the Troposphere, è un radiometro progettato per
misurare il quantitativo di monossido di carbonio e metano nella bassa atmosfera.
• MISR, Multi-Angle Imaging Spectroradiometer, è un nuovo tipo di strumento che serve per
osservare la Terra con strumenti puntati in 9 angoli diversi, ognuno in grado di lavorare su
quattro lunghezze d’onda.
I dati ottenuti da questi strumenti vengono utilizzati per generare prodotti riguardanti vari aspetti del
sistema Terra; ogni strumento ha competenze specifiche per lo studio di un particolare aspetto ma,
come si può notare dalla Tabella sottostante, un qualunque fenomeno misurato può essere studiato
combinando i dati acquisiti da strumenti differenti.
Componente Misura Strumenti usati
Atmosfera Proprietà delle nubi MODIS, MISR, ASTER
Flussi di energia CERES, MODIS, MISR
Chimica della Troposfera MOPITT
Proprietà degli Aerosol MISR, MODIS
Temperatura atmosferica MODIS
Umidità atmosferica MODIS
Suolo Copertura del suolo e variazioni nell’uso del MODIS, MISR, ASTER
suolo
Dinamiche della vegetazione MODIS, MISR, ASTER
Temperature superficiali MODIS, ASTER
Incendi MODIS, ASTER
Fenomeni vulcanici MODIS, MISR, ASTER
Mare Temperature superficiali MODIS
Fitoplancton e Sostanza organica disciolta MODIS, ASTER
Criosfera Cambiamenti dei ghiacci sul suolo ASTER
Ghiaccio marino MODIS, ASTER
Copertura e spessore del manto nevoso MODIS, ASTER
Misure effettuate dal satellite Terra
IL SENSORE MODIS
Il MODIS è uno spettroradiometro a 36 bande che misura la radiazione nel visibile e nell’infrarosso,
dalla quale sono derivati molti prodotti tra i quali la temperatura delle acque marine, il contenuto di
clorofilla, di sostanza gialla e di sostanza solida sospesa.
Le 36 bande coprono un intervallo di lunghezza d’onda che va da 0.4 µm a 14.5 µm; 21 bande sono
poste nell’intervallo 0.4 - 3.0 µm, mentre le restanti 15 tra 3 e 14.5 µm. La risoluzione spaziale
nominale al nadir è di 250 m per le bande 1 e 2, 500 m per le bande 3 – 7 e 1000 m per le bande 8 –
36. Le risposte sono adattate ai bisogni degli utenti e forniscono eccezionalmente poche risposte
fuori banda. In Tabella sono riportate le bande MODIS ad ognuna delle quali viene associato il
principale impiego applicativo.

Principale Impiego
Land / Cloud / Aerosol
Boundaries
Land / Cloud / Aerosol
Properties
Ocean Color / Phytoplankton
/ Biogeochemistry
Banda
MODIS
Banda Spettrale
(nm)
1 620 – 670 250
2 841 – 876 250
3 459 – 479 500
4 545 – 565 500
5 1230 – 1250 500
6 1628 – 1652 500
7 2105 – 2155 500
8 405 – 420 1000
9 438 – 448 1000
10 483 – 493 1000
11 526 – 536 1000
12 546 – 556 1000
13 662 – 672 1000
14 673 – 683 1000
15 743 – 753 1000
16 862 – 877 1000
Atmospheric Water Vapor 17 890 – 920 1000
18 931 – 941 1000
19 915 – 965 1000
Surface / Cloud Temperature 20 3660 – 3840 1000
21 3929 – 3989 1000
22 3929 – 3989 1000
23 4020 – 4080 1000
Atmospheric Temperature 24 4433 – 4498 1000
25 4482 – 4549 1000
Cirrus Clouds Water Vapor 26 1360 – 1390 1000
27 6535 – 6895 1000
28 7175 – 7475 1000
Cloud Properties 29 8400 – 8700 1000
Ozone 30 9580 – 9880 1000
Surface / Cloud Temperature 31 10780 – 11280 1000
32 11770 – 12270 1000
Risoluzione
spaziale (m)

Cloud Top Altitude 33 13185 – 13485 1000
34 13485 – 13785 1000
35 13785 – 14085 1000
36 14085 – 14385 1000
MODIS utilizza un metodo di ripresa a scansione in cui l’osservazione della superficie avviene per
strisciate con un angolo di ± 55 gradi rispetto alla verticale, ricoprendo aree di dimensioni pari a
2330 Km x 10 Km circa, con una velocità di 20.3 rpm. Ciò permette di avere una completa
copertura del globo ogni 1-2 giorni. Le specifiche tecniche del sensore sono illustrate nella tabella
sottostante.
Orbita 705 Km, eliosincrona, quasi polare, circolare
Velocità di scansione 20.3 rpm, per scansione perpendicolare alla
traiettoria
Dimensioni della 2330 Km (lato perpendicolare alla traiettoria)
strisciata
per 10 Km (lato longitudinale alla traiettoria)
Telescopio 17.78 cm diam. Off-axis, afocale
Dimensioni 1.0 x 1.6 x 1.0 m3
Peso 250 Kg
Potenza 225 W (orbitale media)
Velocità dati 11 Mbps (picco giornaliero)
Quantizzazione 12 bits
Risoluzione spaziale 250 m bande 1 e 2 al nadir
500 m bande 3-7
1000 m bande 8-36
Tempo di vita 5 anni
Specifiche tecniche del sensore MODIS
negli esercizi proposti in questo corso si utilizzeranno solamente le prime 7 bande del sensore
MODIS, illustrate nella tabella sottostante:
Banda
MODIS
Banda Spettrale (µm) Regione Risoluzione spaziale (m)
1 0.620 – 0.670 Red 250
2 0.841 – 0.876 Nir 250
3 0.459 – 0.479 Blue 500
4 0.545 – 0.565 Green 500
5 1.230 – 1.250 Ir 500
6 1.628 – 1.652 Ir 500
7 2.105 – 2.155 Mir 500

IL SENSORE ASTER
Il sensore ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) copre una
vasta regione spettrale con 14 bande dal visibile al termico infrarosso con un elevata risoluzione
spaziale, spettrale e radiometrica. La risoluzione spaziale varia con la lunghezza d'onda: 15 m nel
visibile e vicino infrarosso (VNIR), 30 m per le onde corte a infrarossi (SWIR), e 90 m nel termico
infrarosso (TIR). Ogni scena ASTER si estende su una superficie di 60 x 60 km. E’ l'unico
strumento ad alta risoluzione spaziale sul satellite Terra, quindi fa da "zoom" per gli altri strumenti.
ASTER può acquisire i dati per l'intero globo con una media a ciclo dell’ 8% per ogni orbita.
Questo si traduce nell'acquisizione di circa 650 scene al giorno, che vengono elaborate a livello 1A;
di queste, circa 150 sono trattate a livello 1B. Tutte le scene 1A e 1B sono trasferite al EOSDIS
archivio presso il Data Center di EROS (EDC) a fini di stoccaggio, distribuzione e trasformazione
di dati a livello più elevato. Tutti i dati ASTER sono memorizzati in una specifica applicazione
chiamata HDF-EOS.
ASTER si compone di tre diversi sottosistemi: il visibile e vicino infrarosso (VNIR) ha tre bande
con una risoluzione spaziale di 15 m più un’ulteriore banda (backward) con capacità stereoscopica;
per l’infrarosso ad onde corte (SWIR) ci sono 6 bande con un risoluzione spaziale di 30 m;
l'infrarosso termico (TIR) è dotato di 5 bande con una risoluzione spaziale di 90 m. Ogni
sottosistema opera in una diversa regione spettrale, con un proprio telescopio costruito da una
diversa società giapponese. Nella tabella di seguito sono elencate le bande del sensore ASTER con
le relative lunghezze d’onda.
Sottosistema Band No. Range spettrale (µm)
VNIR
SWIR
TIR
1 0.52-0.60
2 0.63-0.69
3N 0.78-0.86
3B 0.78-0.86
4 1.60-1.70
5 2.145-2.185
6 2.185-2.225
7 2.235-2.285
8 2.295-2.365
9 2.360-2.430
10 8.125-8.475
11 8.475-8.825
12 8.925-9.275
13 10.25-10.95
14 10.95-11.65
Formula per il calcolo dell’albedo con ASTER
Risoluzione
spaziale (m)
15
30
90
Livelli di
quantizzazione
8 bits
8 bits
12 bits
αvisible = 0.820α1 + 0.183α2 – 0.034α3 – 0.085α4 – 0.298α5 + 0.352α6 + 0.239α7 + 0 α8 – 0.240α9
– 0.001

IL FORMATO HDF
Nel 1993 la NASA ha scelto il formato HDF (Hierarchical Data Format) come formato standard per
i dati provenienti dalle missioni EOS per le caratteristiche di qualità e flessibilità che lo
contraddistinguono. Tale formato è stato sviluppato dal NCSA (National Center for
Supercomputing Applications), per rispondere alle necessità comuni di ricercatori impegnati in
progetti e campi sperimentali anche molto differenti: scopo principale del formato HDF è proprio
quello di fornire un strumento standard per l’elaborazione e lo scambio di dati grafici e numerici.
Sebbene la qualità del formato HDF sia conosciuta e di dominio pubblico, il successo di tale
formato dipenderà essenzialmente dal suo livello di diffusione. L’ambiente accademico, assieme a
quello della ricerca pubblica e privata, spesso non possiede la conoscenza (o le risorse per ottenerla)
per riuscire a lavorare utilizzando i file HDF; in risposta a questo problema, la NASA, attraverso il
progetto ESDIS, ha finanziato la creazione di tutorial on-line con l’obiettivo di fornire ai non
esperti, ai potenziali utilizzatori futuri e ai produttori di dati EOS, la necessaria conoscenza per
imparare ad utilizzare questi formati.
Proprietà del formato HDF
La versione corrente del formato HDF è la 4.1r3, disponibile dall’estate del 2000. Nonostante il
formato sia soggetto a continue evoluzioni la compatibilità con le versioni precedenti rappresenta
una caratteristica basilare nello sviluppo di nuove release. Recentemente è di fatto stata sviluppata
una nuova versione, HDF 5, che include codice semplificato, maggior consistenza in alcuni modelli
di dati e la capacità di poter lavorare con data set di grandi dimensioni (2 Gbyte). Per entrambi le
versioni del formato HDF, si sintetizzano le principali caratteristiche.
• Versatilità: può immagazzinare, anche nello stesso file, fino a 6 tipi di dato differenti;
• Self describing: senza alcuna informazione esterna, tale formato permette di conoscere la
struttura del file e le proprietà dei dati in esso contenuti (grandezza, dimensione, posizione);
• E’ un formato flessibile: gli oggetti (dati) possono essere raggruppati fra loro e letti
dall’utente come gruppo o come singoli oggetti (dati);
• E’ un formato estensibile: è stato progettato per ospitare nuovi tipi di dato e/o nuovi modelli
di dato;
• Portabile: è sostanzialmente indipendente dalla piattaforma software e hardware che si vuole
impiegare per l’elaborazione dei dati;
• E’ un formato standard, in grado cioè di standardizzare e descrivere i più comuni tipi di dato
(ad esempio: array, immagini);
• E’ un formato disponibile e di pubblico dominio.