IDENTIFICAZIONE DI ANOMALIE TERMICHE IN AREE NATURALI ED URBANE ATTRAVERSO SERIE STORICHE DI DATI SATELLITARI NELL’INFRAROSSO TERMICO

Current satellite missions, providing imagery in the Thermal InfraRed (TIR) spectral region at 60-100 meters of spatial resolution, give the possibility to estimate the land surface temperature (LST) and highlight the main surface thermal anomalies, i.e. areas where the surface temperature has a value significantly different from the background. Thermal anomalies are potentially related to the underground energy sources or to land use and coverage variations as urban areas where the urban heat island (UHI) phenomenon can be observed. This work wants to fit in these two fields. Two separate analysis on two case studies were carried out. The first is the detection of thermal anomalies on geothermal active areas (volcanic or not). The second focuses on the detection of UHI. Both the analyses are based on remote sensing LST time series. In the first study, ASTER and TIRS/Landsat 8 time series have been processed using two different methodologies: Temperature and Emissivity Separation (TES) algorithm for ASTER and Single Channel Algorithm for Landsat 8 (SCA). Two LST time series have been obtained and results are cross-compared and validated with ground measurements. TES and SCA are well-known methodologies and have been used to evaluate LST on two different test sites with different geological features: the volcanic area of Campi Flegrei and the geothermal area of Parco delle Biancane. The second case study has been addressed to the characterization of the UHI of the city of Modena. The analysis is based on TIRS/Landsat 8 image time series processed using the SCA methodology. In both the case studies the thermal anomaly detection is based on the principal component analysis (PCA) of the LST time series. In the UHI study a second method, the Normalized Temperature Difference, has been also considered. The results of these studies furnished some important consideration: - The methodologies used to obtain LST produce good temperature estimates also in the very particular case of geothermal anomalies and usable for near ground air temperature trends analysis; - Thermal anomalies detection based on LST time series is often affected by seasonal trends. The PCA method offers a good and easy way to avoid this problem producing very detailed maps of thermal anomalies both in geothermal areas and in urban areas (UHI); - The two case studied represent two more demonstration of the potentiality of satellite observations in TIR for environmental applications.

Le attuali missioni satellitari che forniscono immagini nella regione spettrale dell'infrarosso termico (TIR) e con una risoluzione spaziale di 60-100 metri, permettono la stima della temperatura del suolo (LST) e sono capaci di evidenziare anomalie termiche, aree cioè dove la temperatura superficiale ha un valore significativamente diverso da quella di background. Le anomalie termiche sono potenzialmente legate a fonti di energia presenti nel sottosuolo o ad una modifica dell’uso e della sua copertura come ad esempio le aree urbane dove è possibile osservare il fenomeno delle isole di calore (UHI). Il presente lavoro di dottorato vuole analizzare a questi due campi. Sono stati condotte due tipi di analisi su due casi di studio. La prima è l’individuazione di anomalie termiche su aree geotermicamente attive (vulcaniche e non). La seconda è focalizzata sull’identificazione dell’UHI. Entrambe le analisi sono basate sulle serie storiche di LST ottenute da dati satellitari. Nel primo studio, le serie storiche dei sensori ASTER e TIRS/Landsat 8 sono state elaborate utilizzando due diverse metodologie: l’algoritmo Temperature and Emissivity Separation (TES) per ASTER e il Single Channel Algorithm (SCA) per Landsat 8. Sono state ottenute due serie storiche LST e i risultati sono stati confrontati e validati con misure a terra. TES e SCA sono metodologie note e sono state applicate su due siti con differenti caratteristiche geologiche: l'area vulcanica dei Campi Flegrei e l'area geotermica del Parco delle Biancane. Il secondo caso di studio ha riguardato la caratterizzazione dell’UHI della città di Modena. L'analisi è basata sull’utilizzo delle serie temporali di LST di immagini TIRS / Landsat 8 ottenute tramite la metodologia SCA. In entrambi i casi di studio l’identificazione dell’anomalia termica è basata sull’analisi delle componenti principali (PCA) sulle serie temporali di LST. Nello studio dell’UHI è stato inoltre considerato un secondo metodo, la Differenza Normalizzata delle temperature. I risultati ottenuti da questi studi hanno fornito alcune importanti considerazioni: - Le metodologie usate per ottenere la stima di LST producono una buona stima di temperatura anche in aree molto particolari dove sono presenti anomalie geotermiche e sono utilizzabili per l’analisi dell’andamento di temperatura dell’aria vicino al suolo; - L’individuazione delle anomalie termiche basate sull’analisi delle serie storiche di LST sono spesso affette da un trend stagionale. Il metodo della PCA offre una buona e facile soluzione per evitare questo problema producendo una mappa molto ben dettagliata delle anomalie termiche in entrambe le aree geotermiche e nelle aree urbane (UHI); - I due casi di studio rappresentano due ulteriori dimostrazioni della potenzialità delle osservazioni satellitari nella regione dell’infrarosso termico per applicazioni di tipo ambientale.