I dati satellitari sono diventati uno strumento indispensabile per il monitoraggio della desertificazione e del degrado del suolo a livello globale, regionale e locale. Fornendo osservazioni coerenti, sinottiche e ripetibili della superficie terrestre, i sensori satellitari consentono a scienziati, politici e gestori del territorio di monitorare i cambiamenti nella copertura del suolo, nella produttività della vegetazione, nell'umidità del suolo e in altri indicatori critici5.3 nel tempo.

Comprendere la desertificazione e la degradazione della terra

La desertificazione è definita dalla Convenzione delle Nazioni Unite per combattere la desertificazione (UNCCD) come degradazione del suolo nelle aree aride, semiaride e aride sub-umidi, che derivano da vari fattori, tra cui variazioni climatiche e attività umane.

Questi processi hanno conseguenze profonde: riduzione della sicurezza alimentare, perdita di biodiversità, aumento della povertà, migrazione forzata e maggiore vulnerabilità al cambiamento climatico. Secondo l'UNCCD, fino al 40% della superficie terrestre del mondo è degradato, direttamente che colpisce la vita di oltre 3,2 miliardi di persone.

Tecnologie satellitari per il monitoraggio del territorio

Una varietà di sensori satellitari, ciascuno con capacità distinte, sono utilizzati per monitorare le condizioni della superficie terrestre. Queste tecnologie possono essere ampiamente classificate in sistemi passivi (ottici, termici) e attivi (radar, lidar). La scelta del sensore dipende dall'indicatore specifico misurato (ad esempio, verde della vegetazione, umidità del suolo, rugosità superficiale) e dalla risoluzione spaziale e temporale richiesta.

Satelliti ottici

I sensori ottici di Sentiper catturano la luce solare riflessa in bande spettrali visibili, quasi infrarate (NIR), e a onde corte (SWIR) sono stati ampiamente utilizzati dagli anni '70 per valutare la salute, la densità e l'attività fotosintetica.

Altri sensori ottici includono lo Spettroradiometro Moderato di Risoluzione Imaging (MODIS) sui satelliti Terra e Aqua della NASA, che offre una copertura globale giornaliera a risoluzione di 250–1000 m, adatto per tracciare tendenze su larga scala e satelliti commerciali ad alta risoluzione come WorldView-3 e la costellazione di Planet Dove che possono risolvere i cambiamenti a scale sotto-metrali a 3 metri per le valutazioni locali.

Satelliti radar

I sensori Radar (Synthetic Aperture Radar, SAR) emettono microonde e misurano il segnale retroscena dalla superficie terrestre. A differenza dei sensori ottici, il radar può penetrare nelle nuvole, nel fumo e nelle tenebre, rendendolo inestimabile nelle regioni persistentimente nuvolose e per osservare i cambiamenti rapidi dopo gli eventi di precipitazioni.

Sensori termici e iperspettivi

I sensori termici misurano la temperatura superficiale, che può indicare lo stress dell'umidità del suolo, i tassi di evapotraspirazione e gli effetti dell'isola di calore urbano relativi al cambiamento di copertura del suolo. Lo strumento ECOSTRESS sulla Stazione Spaziale Internazionale fornisce dati termici ad alta risoluzione. I sensori iperspectral catturano decine di centinaia di bande spettrali strette, permettendo l'identificazione di minerali specifici, tipi di suolo e firme di stress vegetale.

Applicazioni chiave dei dati satellitari

Il monitoraggio basato su satellite supporta un'ampia gamma di applicazioni nella valutazione della desertificazione e del degrado del suolo, che aiutano a rilevare i segnali di allarme precoce, a quantificare i tassi di degrado e a informare le pratiche di gestione del territorio sostenibili.

Monitoraggio della copertura e della salute della vegetazione

Le variazioni della copertura vegetativa sono tra gli indicatori più diretti del degrado del suolo. Serie di tempo a lungo termine di NDVI da AVHRR e MODIS, combinata con i dati Landsat e Sentinel-2, consentono di rilevare le tendenze di greening o brunatura, i cambiamenti nella fenologia della vegetazione e bruschi cambiamenti dovuti alla siccità o all'attività umana.

Valutazione dell'erosione del suolo e del trasporto di sedimenti

L'erosione del suolo, una forma primaria di degrado del suolo, può essere monitorata attraverso cambiamenti nella rugosità delle superfici terrestri, nella formazione delle gole e nel trasporto dei sedimenti nei sistemi fluviali. Le immagini ottiche e radar ad alta risoluzione possono rilevare caratteristiche di erosione attive come rill, gullies e erosione dei fogli.

Rilevamento delle variazioni nell'uso del suolo e della copertura del terreno

Il cambiamento di utilizzo del terreno, come la deforestazione, l'espansione agricola e l'urbanizzazione, spinge il degrado della terra. La classificazione della copertura terrestre basata sul satellite, utilizzando la classificazione di apprendimento automatico delle immagini multi-spettrali, fornisce mappe di foresta, praterie, terreni coltivati e aree di accumulo a varie scale.

Mapping Aree e zone di rischio colpite

I dati satellitari consentono la generazione di mappe di rischio di desertificazione e degrado del suolo integrando indici di vegetazione, umidità del suolo, copertura del suolo e variabili topografiche. Il Global Land Degradation Information System (GLADIS) prodotto dall'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'Alimentazione e l'Agricoltura (FAO) utilizza dati satellitari per creare indicatori di stato e tendenze di degrado del suolo.

Studi sui casi e Iniziative globali

Esempi reali illustrano come i dati satellitari vengano applicati per combattere la desertificazione e il degrado terrestre sul terreno.

Monitoraggio della Regione di Sahel

La regione di Sahel dell'Africa, che si estende dal Senegal all'Etiopia, ha vissuto decenni di siccità e desertificazione. Le serie di tempo satellitare degli anni '80 mostrano un quadro complesso: alcune aree (come il Sahel centrale) stanno verdeggiando a causa di una maggiore piovosità, mentre altre rimangono degradate a causa di una sovrapposizione e di un'agricoltura insostenibile. Il Copernicus Global Land Service fornisce informazioni sulla vegetazione a tempo quasi reale per supportare i sistemi di allarme rapido.

Plateau Loess della Cina

L'altopiano di Loess nella Cina centrale, storicamente uno dei paesaggi più erosi della Terra, ha subito un programma di restauro ecologico massiccio a partire dagli anni '90. Le immagini satellitari (Landsat) hanno documentato il passaggio dalla vegetazione rada alla copertura forestale e prateria, con tendenze NDVI che mostrano un notevole schema di brunatura-allora-verde.

Rapporto globale per la neutralità della degradazione del territorio

Indicatore 15.3.1 degli obiettivi di sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite misura “Proporzione di terra che è degradato su superficie totale.” Il quadro di indicatori globale si basa su tre sottoindicatori: cambiamento di copertura del suolo, produttività del terreno (derivato da serie di tempo satellite NDVI), e il suolo organico di carbonio (modellato utilizzando dati satellitari).

Sfide e limitazioni

Nonostante il suo potenziale trasformativo, il monitoraggio satellitare della desertificazione e del degrado terrestre affronta diverse sfide tecniche e operative.

Constraints di risoluzione spaziale e temporale

I sensori di risoluzione grossolana (ad esempio MODIS, 250 m–1 km) possono perdere i processi di degradazione su piccola scala che si verificano a livello di campo o villaggio. I satelliti ad alta risoluzione (sotto-metraggio a 10 m) forniscono dettagli ma hanno una larghezza limitata e tempi di rivisitazione più lunghi, rendendo difficile catturare rapidi cambiamenti.

Coppia di Nuvole e Gaps persistenti

Le immagini ottiche sono ostruite da nuvole, che sono prevalenti in molte regioni della terraferma durante le stagioni delle piogge, in grado di creare lacune di dati che disturbano le analisi delle serie temporali. I sensori radar non sono influenzati dalle nuvole, ma la loro interpretazione è più complessa e non sono disponibili nella stessa risoluzione spaziale dei sensori ottici per molti record storici.

Interpretazione e convalida

I segnali satellitari rispondono a molteplici fattori ambientali; ad esempio, un calo del NDVI potrebbe essere dovuto alla siccità, alla malattia, al fuoco o alla compensazione del suolo, o a una risposta di gestione diversa. I dati della struttura a terra (sondaggi, campioni di suolo, misurazioni della biomassa vegetale) sono essenziali per la calibrazione e la convalida di indicatori derivati dal satellite.

Accesso ai dati e costruzione delle capacità

Mentre molti archivi di dati satellitari (ad esempio, Landsat, Sentinel) sono liberi e aperti, l'elaborazione e l'analisi di grandi volumi di immagini richiede risorse computazionali, competenze tecniche e strumenti software.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Il prossimo decennio promette significativi progressi nel monitoraggio satellitare della desertificazione e del degrado del suolo, guidato da nuove missioni, algoritmi migliorati e piattaforme di dati collaborativi.

Intelligenza artificiale e apprendimento automatico

Le tecniche di apprendimento approfondito vengono sempre più applicate alle immagini satellitari per la classificazione automatica delle copertine, il rilevamento dei cambiamenti e l'estrazione delle caratteristiche (ad esempio, mappatura di singoli gulli o alberi).

Constellazioni ad alta risoluzione e monitoraggio a tempo pieno

Le costellazioni di piccoli satelliti (ad esempio, Doves di Planet, o la prossima missione di copertura di terra ad alta risoluzione di ESA Copernicus) forniscono immagini giornaliere o sub-periali a risoluzione di 3-5 metri, consentendo un rilevamento quasi reale dei cambiamenti di copertura del suolo, come la nuova disboscazione o l'espansione delle colture.

Integrazione con i dati In-Situ e Model

I progressi nell'assimilazione dei dati satellitari nei modelli di sistema terrestre consentono una migliore stima dell'umidità del suolo, delle scorte di carbonio e dei flussi di superficie terrestre. La missione [NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar (NISAR)[], prevista per il lancio nel 2024, mapparà i cambiamenti della superficie terrestre a livello globale ogni 12 giorni con alta risoluzione, misurando umidità del suolo e degrado e deformazione degli impatti.

Cubes e piattaforme collaborative

I cubetti di dati, organizzati in serie multidimensionali di serie temporali satellitari, stanno abbassando le barriere all'analisi. Piattaforme come l'Osservazione e la Scienza delle risorse terrestri (EROS) Landsat data cube e l'iniziativa Open Data Cube consentono agli utenti di interrogare e analizzare grandi archivi senza scaricare file di massa.

Conclusioni

I dati satellitari hanno trasformato fondamentalmente la nostra capacità di osservare, comprendere e rispondere alla desertificazione e alla degradazione del suolo. Dai primi giorni di AVHRR NDVI ai sistemi integrati di copernico, Landsat e costellazioni commerciali, la tecnologia continua a migliorare nella risoluzione spaziale, temporale e spettrale.