il Programma NASA “FIRES”
Forest fIRes imaging Experimental System
come nasce una tecnologia
Ing. Franco Di Stadio (Telespazio S.p.A.)
Dr. Evaristo Cisbani (Istituto Superiore di Sanità)
Convegno associato al
Premio Nazionale “Meteorite d’Oro”, IV Edizione
Secinaro (AQ), 15-16 Novembre 2008
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Telespazio S.p.A.
Telespazio, una Joint Venture tra Finmeccanica (67%) e Thales
(33%), è tra i principali operatori mondiali nella gestione dei satelliti e
nei servizi di osservazione della Terra, di navigazione satellitare, di
connettività integrata e a valore aggiunto.
Telespazio gioca un ruolo da protagonista nei mercati di riferimento
facendo leva sulle competenze tecnologiche acquisite, le proprie
infrastrutture, la partecipazione ai grandi programmi europei: Galileo,
EGNOS, GMES e COSMO-SkyMed.
Satellite operations, Difesa, Network & Connectivity, Osservazione della Terra, Navigation and Infomobility
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
come nasce una tecnologia…
• il background tecnico di Telespazio
•
•
•
•
•
•
le attività di “sviluppo del business” negli USA
la definizione del team statunitense ed italiano
l’indicazione “innovativa” della NASA
le attività tecniche e i risultati raggiunti
TuttoScienze & l’Interrogazione Parlamentare
l’intervento dell’ESA per il Programma FUEGOSAT
• la normativa attuale: Legge 353/2000, O.P.C.M. 3606/2007 e
3624/2007 e @@@ Direttiva 2008
• @@@ “Ecosistema Incendi 2008” (Legambiente)
• il Brevetto Nazionale ed Internazionale di Telespazio SpA
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
le mappe di rischio (1/2)
La Protezione Civile aveva ed ha bisogno di indicazioni affidabili circa
le aree a massimo rischio di incendio. Fino alla seconda metà degli
anni ‘90 le sole indicazioni possedute erano fornite da un indice di
rischio basato su variabili climatiche misurate solamente in alcune
località, ma per calcolare un indice di rischio più preciso erano e sono
necessarie informazioni più accurate e con maggiore dettaglio
spaziale sullo stato della vegetazione.
Solo il telerilevamento satellitare si presenta, allora come ora, come
una tecnologia efficace se si vogliono ottenere informazioni frequenti,
omogenee ed esatte su vaste aree circa lo stato della vegetazione,
cioè uno dei principali fattori che determina gli incendi.
Il calcolo, la diffusione e l’utilizzazione dell'indice di rischio di
incendio boschivo in tempo reale mediante mappe di rischio, è
stato ricavato dai dati giornalieri del sensore AVHRR installato sui
satelliti NOAA.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
le mappe di rischio (2/2)
Carta dell'indice di rischio giornaliero di incendio boschivo di un'area dell'Italia meridionale.
I colori rosso e viola indicano un rischio più elevato.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
sviluppo del business negli USA
contratto di consulenza (già attivo) con la Cassidy & Associates
http://www.cassidy.com/
indicazione del Congresso USA
(Agosto 1999):
“EARTH SCIENCES - 8. An
increase of $ 2,500,000 for a joint
U.S./Italian space-based research
initiative for the study and
detection of forest fires.” (pag.80)
Il Programma FIRES è stato un
programma varato senza
scambio di fondi !
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Definizione del team USA ed italiano
Congresso USA 

http://www.rit.edu/
Rochester Institute of Technology (RIT)
Rochester, NY - USA
Cayuga Community College (CCC)
Syracuse, NY - USA
Telespazio (TPZ)
Roma, I - EU
University of Genoa (UG)
Genoa, I - EU
* ora Rheinmetall Italia S.p.A.
Contraves Spazio* (CSR)
Rome, I - EU
InterSpace (INS)
Rome, I - EU
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
l’indicazione “innovativa” della NASA
Il 24 Settembre 1999, prima dell’apposizione della firma del Presidente
Clinton sul budget della NASA per il 2000 (20 Ottobre 1999), ha avuto
luogo la riunione di presentazione del Programma FIRES.
La soluzione proposta da Telespazio S.p.A. per il segmento spaziale
del sistema era costituita da una costellazione di 12 satelliti su tre
diversi piani orbitali a circa 45° di inclinazione, ad una quota di circa
750 km.
Questa architettura avrebbe consentito di servire aree geografiche
rilevanti tra i 25 ed i 50 gradi di latitudine con un “revisit time” di
circa 20 minuti.
In considerazione della scarsità dei fondi a disposizione, la NASA
indicò, quale unica via per proseguire gli studi, il riorientamento degli
sforzi per trovare una soluzione che consentisse di dimostrare la
valenza delle soluzioni di bordo e di terra proposte con l’utilizzo di
soli sistemi spaziali esistenti !
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
La problematica Incendi
@@@ Qualche statistica
sugli incendi boschivi ?
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
catena di strumenti di supporto
nella lotta agli incendi boschivi
Stato: Consolidato
Fornisce
statistica
Indice di
Rischio
Mappa aree
bruciate
Punto di
partenza per la
classificazione
Rivelazione
tempestiva
Monitoraggio
Detezione
fumi e nubi
tossiche
22/12/2015
Definisce
aree di
rischio
Identifica
Zona di
interesse
Stato: Prototipo
All rights reserved © 2007, Telespazio
Programma
Fires
gli ingredienti del metodo
di rivelazione tempestiva
GOES / IMAGER
MSG / SEVIRI
TERRA, AQUA / MODIS
Emissività a terra
Trasmittanza Atmosferica
Dati
Satellitari
Modello
Radiativo
Parametri
Ancillari
Algoritmo
di rivelazione
Temperatura del suolo
Incendio:
Temperatura,
Posizione e
dimensione
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
I satelliti disponibili
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Requisiti e
Sensori Satellitari disponibili
Requisiti Cruciali
Sensori
Polari
Prontezza: 15-30 min
Localizzazione:
< 1km
 Non esiste
il satellite ottimale!
 Necessarie informazioni da più satelliti
 Vista importanza del tempo di rivisita,
Efficienza di
inevitabile l’uso dei satelliti geostazionari
rivelazione: > 90%
Falsi Allarmi: < 10%
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Sensori
Geostazionari
Ottimale
l’importanza del tempo di rivisita
15 min
Geostazionario
Terra
Aqua
>= 2 ore
In qualche ora, l’incendio può raggiungere dimensioni che non lo rendono
più controllabile.
Il tempo di rivisita è essenziale per una pronta rivelazione
Questo impone l’uso di satelliti geostazionari 
• GOES per il continente americano
• MSG (Meteosat 2nd generation) per Europa e Africa.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
le bande disponibili in MSG e GOES
SEVIRI Finestre Atmosferiche nello
SWIR/TIR (mm):
 1.50-1.78
 3.48-4.36 (sat. 330-340 K)
 8.30-9.10
 9.80-11.80
 11.00-13.00
 Tempo di rivisita:
15 minuti (operazione normale)
5 minuti (modo speciale)
 Dimensione Pixel:
3x3 km (nadir)
Approx. 5x(3-4) km (Europa)
In blu la trasparenza dell’atmosfera
SEVIRI: operativo da 29/Jan/04
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Satelliti GOES
The GOES 10 (WEST) and GOES 8 (EAST) fields of view
GOES/IMAGER pixel (al Nadir) = 1 km (visibile), 4 km (infrarosso)
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
MSG IR 4, 0.8 e 0.6
Una delle primi immagini
ricevute da Telespazio/Roma
12/06/2003
Red = 3.9 mm
Green = 0.8 mm
Blue = 0.6 mm
3712 x 3712 pixels
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
le bande del SEVIRI / MSG
0.6
0.8
1.6
3.9
6.2
7.3
8.7
9.7
10.8
22/12/2015
All rights
reserved © 2007, Telespazio 13.4
12.0
HRV
MSG/SEVIRI Ground Resolution
3.1 km
4 km
5 km
Global Fire Map / Aug 2001-2002
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Il modello Radiativo
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Il modello radiativo utilizzato
R :radiance at TOA
 :earth emissivity
 :atmospheric transmissivity
B :Planck emission law
TE :earth surface temperature
TA :effective atm. temperature
E,S :solar irradiance
S :solar azimuth angle
zED :earth-detector distance
zTOA :atmosphere altitude
zSE :sun/TOA-earth distance
1 
R     ( z ED ) B (TE )  (1    )  ( z ED )1   ( zTOA )  1   ( z ED )B (TA )  E , S cos(S )  ( z SE )
  ( z ED )
 




surface pixel
up - and down - welling atmosphere
solar reflected
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Caratteristiche del metodo
 Uso delle finestre termiche del Geostazionario MSG
 4, 8, 11, 12 (e SWIR a 1.6) micron
 Modello Radiativo ‘consistente’
 emissività del terreno, trasmittanza atmosferica
 termine solare, atmosferico e terrestre
 Equazione sub-pixel (a la Dozier)
 aumenta sensibilità spaziale
 Sistema multi-temporale (o di contrasto)
 migliora falsi allarmi ed efficienza
 Criteri di identificazione basati su quantità fisiche
 energia sviluppata
 temperatura incendio-ambiente
 dimensione potenziale
 Supporto dei sensori polari (a maggiore risoluzione)
 MODIS
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Equazione Fondamentale
(sub-pixel equation)
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
L’equazione sub-pixel per l’incendio
Incendio
Fondo
(t+Dt)
=
Frazione di pixel
con variazione
(t)


DR  R (t  Dt )  R (t)  Df     B (T fire)     B (Tbck )  Atm  Sol
Temperatura Incendio
Temperatura del fondo
Variazioni atmosferiche e del sole (trascurabili, ad eccezione dello SWIR)
 Una equazione per ciascuna finestra atmosferica
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Il processamento
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
l’implementazione del modello
Radianze
Geostaz.
Calcola geometria
di acquisizione
Emissività
Terreno
Minimizza
sistema di
equazioni
dell’incendio
Maschera
terra/mare
Stima temperatura
di background
Stima “umidità
atmosfera” (TPW)
Valuta il termine
solare
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Seleziona sulla base di:
- bontà minimizzazione
- temperatura incendio
- dimensione incendio
- potenza incendio
Fornisce
coordinate incendi
rivelati e
caratteristiche
selezione dell’incendio
Radianze al
tempo t
Radianze al
tempo t +Dt
Coregistrazione / Fusione
4 mm
4 mm
DR > N
yes
11 mm
11 mm
12 mm
12 mm
Mappa emissività
del suolo
Rumore intrinseco
del sensore
Risolve equazione sub-pixel
Tbck > T0
Temperatura del
suolo
yes
6.7 mm
Residue < S
Trasmittanza
Dati del geostazionario
Possibile
Incendio
(Allarme)
22/12/2015
yes
Tfire-Tbck > DT
yes
Post Processamento
loop sui pixel dell’immagine
All rights reserved © 2007, Telespazio
Convergenza del
minimizzatore del
sistema
Condizione di
incendio
la catena di processamento
MSG Data
Acquisition
Pre-Processing
Acquisition
Quick-Look
Ingestion and
Region Selection
Emissivity
Images
Processing
Gross Segment
Selection
Geo/Polar
Coregistration
MSG
Level 1.5
Products
Wavelet
Decompression
22/12/2015
Frames
Coregistration
Region, Bands
and Frames
Selection
Cloud
Masking
All rights reserved © 2007, Telespazio
Transmission
over TCP/IP
TCP/IP
Server
Configuration
Data
Detection
Procedure
Generate data,
if fire detected
Fire
Detection
Product
Risultati
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
un caso reale:
autunno 2001 / West Coast / USA
Saturazione e
Problemi di calibrazione
83k pixel/frame
24 frame GOES consecutivi
High sun irradiance
Cloud perturbation
detail
Documented Fire
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Band 4 mm
filmato GOES / California
Filmino GOES/California
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Un caso reale:
Penisola Iberica, Agosto 2003
11:00
11:15
11:30
11:45
12:00
12:15
12:30
12:45
04/Aug/03 12:03
BIRD/MIR
Giallo=incendio
identificato nei
frame precedenti
Rosso=nuovo pixel
incendiato
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
immagine BIRD e
risultati SEVIRI / MODIS
ROSSO:
BIRD (Satellite Alta Risoluzione)
GIALLO:
MODIS (Satellite polare media
risoluzione)
VERDE:
SEVIRI (Satellite Geostazionario, bassa
risoluzione, alta frequenza di rivisita)
Il numero corrisponde al giorno di Agosto in
cui è avvenuta la rivelazione dai dati SEVIRI
con il metodo FIRES.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
SEVIRI: 01-05/Aug/03
filmato MSG / Penisola Iberica
Filmino Penisola Iberica
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Final Presentation
Il 17 Settembre 2002, presso il R.I.T. ha avuto luogo la riunione finale del
progetto con la piena soddisfazione del Cliente.
Michael Richardson, il Program Manager del R.I.T., (mi) ha scritto:
“… We felt your work was very
informative and will be an important
contribution to the FIRES program.
We believe you have completed all
elements within the Statement of Work
with no open actions. … We would
also like to extend a special thanks to
your technical team. It was obvious
they put considerable effort into this
project and did a fine job of presenting
their results in the final briefing. We
look forward for the opportunity to
Il team italiano al… Red Lobster
work together again….”
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
la pubblicazione su TuttoScienze
L’11 Settembre 2002 veniva pubblicato su “TuttoScienze” (l’inserto
scientifico del quotidiano “La Stampa” di Torino) un articolo che
presentava il lavoro svolto nell’ambito del Progetto FIRES dal team
italiano.
In particolare, si metteva in evidenza
che gli sviluppi avevano condotto
alla realizzazione di un algoritmo
che poteva distinguere, di giorno,
un fiammifero acceso in una
fotografia scattata da una distanza
di diversi chilometri!...
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
l’Interrogazione Parlamentare (1/2)
A seguito dell’articolo apparso su TuttoScienze, il 18 Settembre 2002
fu presentata alla Camera dei Deputati un’Interrogazione
Parlamentare (Atto Camera n.3/01381) dove si riconosceva la
tecnologia satellitare messa a punto da Telespazio come una
tecnologia efficace alla prevenzione degli incendi boschivi e dove si
chiedeva se il Ministero delle Politiche Agricole e Forestali intendeva
aver parte, anche con risorse finanziarie proprie, al completamento del
Progetto FIRES.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
l’Interrogazione Parlamentare (2/2)
Nella seduta n.238 dell’11 Dicembre 2002 il Sottosegretario di Stato
competente, pur sollevando delle riserve per la tecnologia proposta
dovute, essenzialmente, alla forte antropizzazione del territorio
italiano, non escludeva che, “con il presupposto di un interesse da
parte della Telespazio e di un accertamento della validità delle attività
già realizzate, basato su dati certi e provati, si possa finanziare in parte
il programma, quale sostegno a una iniziativa tecnico-scientifica nata
in Italia e che ha trovato apprezzamento negli Stati Uniti”.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
interesse / intervento ESA
• Il programma FIRES/NASA ha avuto un importante proseguimento
nell’ambito delle attività ESA sulla prevenzione degli incendi
(programma FUEGO-SAT), contribuendo a definire le scelte in
questo ambito.
• Nelle intenzioni originali infatti il programma FUEOGO-SAT
prevedeva l’uso di una costellazione di satelliti dedicati, con elevato
tempo di rivisita
– L’ottimale sfruttamento dei satelliti geostazionari proposto da FIRES,
eventualmente combinato con informazioni di satelliti a lungo periodo di
rivista
– La disponibilità del nuovo satellite stazionario METEOSAT
– Gli costi elevati di una costellazione dedicata
hanno indotto ESA a promuovere e finanziare nuove iniziative con
le quali sono state sviluppate le potenzialità del metodo ideato in
FIRES.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Iniziative ESA dopo FIRES
• FiresMed (2002-2003): “Study for
monitoring of fires in the mediterranean
aera by geostationary and polar satellites”
dove i processori sviluppati per i satelliti
GOES sono stati adattati ed ottimizzati per
il nuovo METEOSAT/SEVIRI
• CDMC-Fuegosat (2003-2004): “Fire Observability and
Demonstration”. Progetto che ha coinvolto gruppi Italiani,
Spagnoli e Francesi rivolto ad una dimostrazione di
funzionalità del sistema di rilevamento degli incendi
• CDMC2-ETIV (2004-2005): Rivolto, al perfezionamento
dell’algoritmo di rivelazione e allo sviluppo del sistema di
processamento dei dati ancillari
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
Brevetto Telespazio SpA
In questi ultimi anni Telespazio SpA ha portato avanti i propri sviluppi
per il perfezionamento dell’algoritmo di rilevamento di incendi boschivi.
Il 28 Luglio 2006 Telespazio ha depositato una domanda di Brevetto
Nazionale (n.06118137.6) / Internazionale (n.PCT/EP2007/057802)
dal titolo “Automatic detection of fires on earth’s surface and of
atmospheric phenomena such as clouds, veils, fog or the like, by
means of a satellite system.”
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
normativa attuale
• Legge Quadro in materia di Incendi Boschivi (Legge n.353/2000);
• Gli Incendi Boschivi e il Catasto delle Aree Bruciate (O.P.C.M.
3606/2007 e 3624/2007);
• Direttiva sugli indirizzi operativi per la campagna estiva 2008:
la direttiva è incentrata sull’attività di prevenzione. Tale attività era
stata avviata fin dal 2000 con la legge quadro del 21 novembre -la
n. 353- che imponeva l’introduzione del catasto delle aree
incendiate, con l’obbligo di non modificare la preesistente
destinazione d’uso dei terreni bruciati per almeno 15 anni;
l’attuazione del catasto era stata poi ribadita lo scorso anno con le
ordinanze n. 3606 del 28 agosto 2007 e n. 3624 del 22 ottobre
2007.
• @@@ “Ecosistema Incendi 2008” (Legambiente)
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
la nostra dedica…
da “la Repubblica” del 23 Luglio 2007:
“… E in Abruzzo, nella zona di Acciano, in provincia de L'Aquila, è
precipitato proprio un Canadair della Protezione Civile, impegnato
nelle operazioni di spegnimento di un incendio all'Eremo di
Sant'Erasmo: il pilota, Andrea Golfera, è morto; il copilota, Daniele
Ret, è stato trasportato in gravi condizioni all'ospedale de L'Aquila. …”
gli autori della presentazione desiderano dedicare questo loro lavoro
alla memoria del pilota Andrea Golfera che ha sacrificato la sua vita
nello svolgimento del suo dovere, per il bene di noi tutti e dell’ambiente
nel quale viviamo ogni giorno.
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
grazie per l’attenzione!
Ing. Franco Di Stadio
Business Development
Telespazio S.p.A.
965, Via Tiburtina
00156 Rome - Italy
www.telespazio.com
www.telespazio.it
tel. +39 06 4079 3236
fax: +39 06 40999 345
mob. +39 335 1853969
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio
bozza di sommario
•
Pregresso background tecnico Telespazio; mappe di rischio (vedi anche l’articolo “Il Rischio Incendi Boschivi e le possibili contromisure”) (Evaristo /
Franco).
•
Attività di sviluppo del business (contratto con la Cassidy&Associates  indicazione del Congresso USA “8. An increase of $2,500,000 for a joint
U.S./Italian space-based research initiative for the study and detection of forest fires”) (Franco);
•
Definizione del team di sviluppo: N.A.S.A.  R.I.T. (Rochester, NY - USA), Cayuga Community College (poi R.A.C.N.E./N.A.S.A., ora I.A.G.T.;
Auburn, NY – USA), Telespazio S.p.A. (Roma, Italia – UE) con Oerlikon Contraves (ora Rheinmetall Italia S.p.A.), Università di Genova e InterSpace
(spin-off dell’Università di Roma “La Sapienza”) (Franco);
•
La riunione di presentazione del Programma del 24 Settembre 1999 (Syracuse, NY – USA); costellazione di 12 satelliti  forte indicazione del
Program Manager del N.A.S.A. Langley Research Center (utilizzare sistemi spaziali esistenti) (Franco);
•
L’algoritmo e i risultati (taglio divulgativo): nota tecnica “Band Selection Study and Processing Algorithm” e relativa presentazione finale
(vedi anche gli articoli “Il Programma FIRES ed il Satellite FIRESAT” e “Il Rischio Incendi Boschivi e le possibili contromisure”) (Evaristo);
•
Interrogazione parlamentare del 18.09.2002 e Risposta dell’11.12.2002 (Franco);
•
Interesse / Intervento ESA: sviluppi successivi al Programma NASA FIRES e abbandono dell’architettura spaziale del sistema FUEGOSAT
[http://esamultimedia.esa.int/docs/GMES/RISK_S10%5B1%5D.2_Ph2_V1.0_11_01_05_SpaceInfrastructureRequirements_Astrium_Validated.pdf]
(Evaristo).
•
L’audizione, al Senato della Repubblica (13ª Commissione Permanente – Territorio, Ambiente, Beni Ambientali), del Direttore del Dipartimento di
Protezione Civile Guido Bertolaso (10 Ottobre 2007); tragedia del canadair del 23 Luglio 2007 (Franco);
•
Gli Incendi Boschivi e il Catasto delle Aree bruciate (O.P.C.M. 3606/2007 e 3624/2007)
[http://www.protezionecivile.it/minisite/index.php?dir_pk=795&cms_pk=14021] (Franco)
•
Il 28 Luglio 2006 Telespazio ha depositato una domanda di Brevetto Nazionale (n.06118137.6) / Internazionale (n.PCT/EP2007/057802) dal titolo
“Automatic detection of fires on earth’s surface and of atmospheric phenomena such as clouds, veils, fog or the like, by means of a satellite system.”
(Franco)
22/12/2015
All rights reserved © 2007, Telespazio