L’Hackathon Copernicus è giunto alla sua terza edizione e anche quest’anno si è svolto interamente online. Da venerdì 4 giugno a domenica 6 giugno abbiamo chiamato a raccolta laureati, laureandi, appassionati di analisi dei dati, sviluppatori web/app, graphic designers, marketers e business developers, per creare un’idea di business con i dati satellitari del programma Copernicus in una maratona digitale.

Vediamo con quali mattoncini è possibile divertirsi, giocare e costruire le applicazioni che rispondano alle sfide lanciate dai tanti utenti e stakeholders che hanno voluto dare il loro contributo all’iniziativa.

Il tema del 2021 è il Mare e le Coste, e per salvaguardare e sfruttare al meglio questa preziosa risorsa hanno condiviso la propria testimonianza con noi: Istituto Agronomico Mediterraneo – CIHEAM, International Commission on Irrigation & Drainage — ICID, European Coastal Flood Awareness System — ECFAS, Città Metropolitana di Venezia e altri.

Una premessa importante: per noi è fondamentale che dall’Hackathon Copernicus escano risultati ed applicazioni valide, che creino davvero opportunità di business e sviluppo futuro per i vincitori. Per questo predisponiamo dati e servizi già “pronti all’uso”, in modo che i partecipanti possano dedicarsi a progettare le applicazioni, senza preoccuparsi troppo di come elaborare i dati satellitari per trasformarli in informazioni significative. Senza perdere tempo a ‘spaccare il pixel‘, come ci piace dire in gergo.

Naturalmente la presenza nei team di esperti di analisi geospaziali è importante per capire cosa si può fare con i dati, e come si potrà raffinare l’applicazione dopo l’hackathon, per migliorarla e farla crescere; ma l’obiettivo della maratona di hacking è arrivare, alla fine delle 48 ore filate di lavoro, con un’applicazione dimostrabile e abbastanza funzionante, che lasci intravedere le potenzialità e stimoli la fantasia dei partecipanti e della giuria circa le sue future applicazioni di business.

Quali sono allora i mattoncini con cui poter giocare e costruire la nostra app vincente? Le risorse a disposizione dei partecipanti all’Hackathon sono tante! Vediamole.

Dati e servizi da Copernicus (e non solo)

Partiamo innanzitutto dai dati messi a disposizione dal programma Copernicus, e facciamolo prendendo spunto da questo articolo pubblicato recentemente dal magazine online Copernicus Observer (traduzione a cura di Planetek Italia):
Fonte: https://www.copernicus.eu/en/news/news/observer-what-role-copernicus-programme-coastal-monitoring

Il 71% della superficie totale del nostro pianeta (circa 361 milioni di km quadrati) è costituito di acqua, mentre il restante 29% della superficie del pianeta è terraferma. Le zone costiere costituiscono l’interfaccia tra la terra e il mare e storicamente hanno attratto gli esseri umani grazie ai diversi servizi ecosistemici offerti, oltre per il valore estetico. Oggi quasi 2,4 miliardi di persone, ovvero il 41% della popolazione mondiale, vivono entro 100 km dalla costa. Ventuno delle 33 megalopoli del mondo (con più di 8 milioni di abitanti) si trovano in zone costiere.

Tradizionalmente, il monitoraggio delle coste veniva effettuato in loco, utilizzando metodi fotografici e di raccogliendo misure sul posto. Questo approccio funziona ancora nelle aree più popolate, dove l’impatto dell’erosione costiera è più alto e le misurazioni sono semplici da prendere. Le coste però si estendono per svariate centinaia di migliaia di chilometri, spesso in aree remote, che non possono essere monitorate efficacemente a livello locale. Il telerilevamento diventa così una fonte preziosa di informazioni sui cambiamenti costieri ed è oggi un’area di ricerca in rapido sviluppo, in buona misura grazie ai nuovi dati e prodotti offerti dal programma Copernicus.

Specificità delle zone costiere

Le zone costiere sono esposte a diversi pericoli di origine naturale o antropica. I pericoli naturali possono derivare da condizioni estreme dell’ambiente come le ondate di calore in mare che causano sbiancamento dei coralli e mortalità dei pesci, o grandi mareggiate che possono causare inondazioni costiere, erosione e salinizzazione delle falde acquifere, impoverimento dell’ossigeno e acidificazione che comportano il degrado degli ecosistemi e degli habitat, ecc. I satelliti hanno un enorme potenziale per osservare questi eventi, anche se ancora oggi i loro strumenti non sono del tutto adatti alle condizioni specifiche delle zone costiere.

Ad esempio, inizia ad aumentare oggi la sensibilità ed attenzione di chi vive in prossimità delle coste per l’innalzamento del livello del mare, e così i timori per le possibili conseguenze future di questo fenomeno. L’altimetria satellitare ad alta precisione ha notevolmente migliorato la nostra comprensione delle variazioni del livello del mare su scala globale e regionale, ma per molte aree costiere c’è ancora tanto da fare.
Geoff Smith di Specto Natura, un esperto di osservazione della Terra applicata alle zone costiere, spiega così la complessità di questo monitoraggio: “A causa della sua natura dinamica, la zona costiera ricade in una zona critica a metà tra il monitoraggio marino e quello terrestre. Ci sono ampie aree di costa che si spostano costantemente tra terra e mare, a causa dell’attività delle maree, dell’erosione e della sedimentazione. Questa natura dinamica delle zone costiere richiede che l’osservazione terrestre e marina uniscano le forze, per aiutare a monitorare e proteggere questo importante ecosistema”.
Non sorprende quindi che l’uso dei dati di osservazione della Terra per il monitoraggio costiero sia un ambito applicativo relativamente nuovo.

Osservazione della Terra con dati satellitari ottici e radar

L’altimetria satellitare, ottimizzata per il mare aperto e gli oceani, tradizionalmente fornisce informazioni non particolarmente precise entro 10 km dalla costa, ad esempio perché le terre emerse “contaminano” i dati e le rilevazioni effettuate dallo spazio. I recenti progressi nella rielaborazione delle forme d’onda radar nelle zone costiere e l’uso di nuove tecniche di altimetria, ad esempio utilizzando il radar ad apertura sintetica (SAR), hanno consentito agli esperti di analisi satellitari di sviluppare nuovi set di dati di altimetria costiera. Tuttavia, fino a tempi recenti, la copertura di questi prodotti è rimasta irregolare nello spazio e nel tempo. Gli sforzi per costruire un database di altimetria costiera a griglia coerente con una copertura globale sono in corso ma non sono ancora stati completati.

Un progetto di ricerca del 2019 ha utilizzato i dati SAR Sentinel-1 per studiare l’erosione costiera, mostrando i grandi progressi fatti con i dati radar disponibili nell’ultimo decennio. Alex Ziemba di Deltares, uno dei ricercatori coinvolti, ha evidenziato come “..il satellite Sentinel-1 di Copernicus fornisce una grande quantità di dati, che possono essere trasformati in dati accurati sulle coste per le coste di tutta Europa e del mondo, per seguirne l’evoluzione”. Ziemba continua a sostenere la necessità di utilizzare l’osservazione della Terra per il monitoraggio costiero: “Molte di queste coste non hanno le risorse per attuare programmi attivi di monitoraggio ad alta frequenza; la capacità dei dati satellitari aperti e gratuiti di seguire le evoluzioni di tali aree è quindi un grande vantaggio per la ricerca e la loro gestione”.

Anche il suo collega Arjen Luijendijk, ingegnere costiero, ha messo in evidenza il potenziale dei satelliti Sentinel di Copernicus: “Nel prossimo futuro prevediamo un grande potenziale per le tecniche di telerilevamento e l’analisi dei big data nel monitoraggio operativo della costa e delle spiagge del mondo. […] Negli ultimi anni sono stati lanciati nuovi satelliti (in particolare Sentinel-2a e 2b) che arricchiranno notevolmente le informazioni offerte dalle immagini satellitari in termini di risoluzione sia temporale (grazie ai tempi di rivisita di pochi giorni) che spaziale (inferiore ai 10 metri). […] Ci aspettiamo che questa tendenza metterà maggiore enfasi sugli indicatori e le statistiche derivanti dai big data nel prossimo futuro, per monitorare meglio e da più vicino il modo in cui sta cambiando il pianeta”.

Un altro studio, pubblicato nel 2020, ha mostrato progressi significativi nei prodotti di dati ottici spaziali per il monitoraggio costiero, combinando i dati ottenuti dalla missione Sentinel-2 con quelli del satellite Landsat. I ricercatori hanno concluso che: “la maggiore frequenza di acquisizione nelle recenti missioni satellitari ha consentito l’analisi di eventi a breve termine per dimostrare variazioni significative del litorale. Tali progressi rappresentano un passo in avanti nell’analisi degli effetti delle tempeste sulle variazioni della linea di costa”.

Più recentemente, nel gennaio 2021, è stato lanciato lo sviluppo di un nuovo sistema di controllo delle inondazioni costiere che si candida a far parte della futura suite di servizi Copernicus. Questo nuovo sistema, a cui lavora un importante consorzio internazionale che include il gruppo Planetek, potrebbe contribuire al servizio Copernicus di Gestione delle Emergenze (CEMS) dimostrando la fattibilità di un sistema europeo di allarme delle inondazioni costiere (ECFAS, European Coastal Flood Awareness Systems) che integrerà il framework già esistente per i grandi sistemi fluviali transfrontalieri (EFAS, European Flood Awareness Systems). L’ECFAS svilupperà soluzioni innovative per fornire una mappatura rapida delle inondazioni previste e trarrà vantaggio dall’integrazione della ricerca satellitare con altri domini non spaziali, come la modellazione oceanografica e la valutazione del rischio costiero.

Sentinel-6 — Una nuova risorsa per i rilevamenti nelle aree costiere

Un satellite che migliorerà notevolmente la qualità delle misurazioni spaziali per il monitoraggio costiero è il nuovo Sentinel-6 Michael Freilich. Questo satellite di Copernicus trasporta un radar ad apertura sintetica, in grado di misurare con maggiore precisione e migliore campionamento rispetto alle missioni precedenti. Sentinel-6 raggiungerà una risoluzione spaziale di 300 metri, dove la maggior parte delle precedenti missioni altimetriche avevano una risoluzione di diversi chilometri.

“Sentinel-6 è un punto di svolta che porterà a miglioramenti significativi nella nostra capacità di prevedere i futuri cambiamenti costieri”, ha dichiarato Robert Weiss, membro del progetto Future Earth Coasts, direttore del Centro per gli Studi Costieri dell’Istituto Fralin Life Sciences della Virginia Tech e professore di pericoli naturali. “La nuova piattaforma consente di convalidare metodi di misurazione attraverso diversi componenti del sistema costiero in modo integrato. Mi spingerei addirittura a dire che con questa nuova piattaforma entreremo in un nuovo paradigma scientifico per lo studio dell’evoluzione dei sistemi costieri”.

Craig Donlon, scienziato dell’ESA che ha lavorato alla missione Sentinel-6 ha aggiunto: “Copernicus Sentinel-6 include diversi elementi che lo distinguono come missione a supporto dell’analisi dei cambiamenti climatici. Le tecniche di misurazione dell’altimetro radar ad apertura sintetica consentiranno agli scienziati di recuperare misurazioni significative più vicino alla costa”.

I prodotti costieri di Copernicus Marine

Tradizionalmente il Servizio Copernicus di Monitoraggio dell’Ambiente Marino (CMEMS — Copernicus Marine Environment Monitoring Service) è stato il punto di accesso di riferimento per i dati oceanici e costieri. CMEMS fornisce dati satellitari di livello 3 e 4 per variabili metoceaniche, insieme a osservazioni in situ (ad esempio stati bio-geochimici ecc.).

CMEMS è in continua evoluzione offrendo modelli accoppiati, maggiore risoluzione e algoritmi in continua evoluzione per elaborare le osservazioni satellitari nelle zone costiere. Ad esempio, nel dicembre 2020, Copernicus Marine ha aggiunto un nuovo prodotto along-track per le anomalie del livello altimetrico del mare ad alta risoluzione nei mari del Nord Atlantico ed europeo. Inoltre, a maggio 2021, CMEMS ha rilasciato una nuova serie di prodotti satellitari. Tra questi sono inclusi i prodotti Sentinel 3A e 3B OLCI a piena risoluzione (300 m) nei mari Artico, Atlantico, Mediterraneo, Mar Nero e Global Sea. Maggiori informazioni sulle caratteristiche di questi nuovi servizi possono essere trovate qui https://marine.copernicus.eu/user-corner/user-notification-service/cmems-new-service-release-4th-may-2021-update.

In futuro, per la prossima fase di Copernicus, il CMEMS ed altri servizi di Copernicus (il Land, il Climate Change e l’Emergency) mirano a un’evoluzione coordinata dell’offerta di Copernicus per fornire una migliore caratterizzazione dinamica delle zone costiere e del monitoraggio e previsione della portata dei fiumi.

Molti di questi piani futuri sono stati inclusi nella “Roadmap per l’evoluzione dei servizi marittimi e terrestri di Copernicus per servire meglio gli utenti costieri”, pubblicata nel dicembre 2018, che può essere scaricata qui.

I nuovi prodotti Copernicus Land costieri

Nel 2018, il Copernicus Land Monitoring Service (CLMS), in stretta collaborazione con CMEMS, ha iniziato a lavorare su una nuova soluzione completa di monitoraggio delle zone costiere in grado di affrontare le situazioni complesse e dinamiche che si ritrovano negli ambienti costieri.

Nel febbraio 2021, l’Agenzia Europea dell’Ambiente (EEA), incaricata di implementare la componente paneuropea e locale del CLMS, ha lanciato il suo nuovo prodotto hotspot tematico che monitora le dinamiche del paesaggio nelle zone costiere. I prodotti degli hotspot tematici sono un insieme di mappe di copertura del suolo / uso del suolo (LC / LU) ad altissima risoluzione spaziale e tematica mirate ad aree che devono affrontare sfide e problemi ambientali specifici.

Questo nuovo prodotto per le zone costiere, realizzato da un consorzio internazionale guidato da Planetek Italia, copre tutto il territorio costiero europeo in una fascia di 10 km con un’area totale di circa 730.000 km quadrati. I prodotti iniziali consistono in un layer relativo alla copertura ed uso del suolo nel 2012, un layer relativo al 2018, ed un analisi dei cambiamenti tra il 2012 e il 2018. Come con gli altri prodotti hotspot tematici, il prodotto Coastal Zones fornirà informazioni sullo stato delle coste e sulle modifiche ogni sei anni.
“A causa della complessità degli interessi, delle direttive e delle dinamiche naturali nelle zone costiere, l’EEA ha chiesto a Planetek di condurre questa attività in stretto contatto con le diverse parti interessate negli Stati Membri per l’intera durata del progetto“, ha affermato Hans Dufourmont, dell’EEA.

Giovanni Sylos Labini, CEO di Planetek Italia, a sua volta ha dichiarato: “Siamo fiduciosi che il risultato che abbiamo prodotto fornirà un solido supporto agli utenti costieri nei loro compiti di monitoraggio, analisi e rendicontazione, e supporterà i decisori sull’attuazione delle politiche di governo del territorio e salvaguardia delle aree costiere, in linea con l’obiettivo principale del programma Copernicus”.

La versione finale dei set di dati delle zone costiere che coprono il 100% dell’estensione per gli anni di riferimento 2012 e 2018 insieme alla mappatura delle modifiche di accompagnamento è disponibile a questo link: https://land.copernicus.eu/local/coastal-zones

Conclusioni

Il monitoraggio delle coste è stato a lungo un ambito poco sviluppato per le applicazioni di osservazione della Terra. Ciò era dovuto principalmente alle speciali caratteristiche delle zone costiere, che rendono difficile rilevare i cambiamenti dallo spazio. I recenti sviluppi nella tecnologia di rilevamento remoto, che diventano gradualmente disponibili in nuovi set di dati di osservazione della Terra, hanno notevolmente migliorato la nostra capacità di monitorare queste zone delicate dallo spazio.

I dati delle missioni satellitari Sentinel-1, Sentinel-2, Sentinel-3 e Sentinel-6, combinati con i dati a valore aggiunto e i prodotti dei servizi Copernicus, aiutano la comunità scientifica e di utenti che si occupano di monitoraggio costiero a sviluppare nuovi prodotti e servizi, che ci aiuteranno a comprendere meglio l’impatto dei cambiamenti climatici e, infine, ci aiutano a proteggere la natura e le persone in queste aree così importanti del mondo.

Su richiesta dei partecipanti ed in base alle disponibilità, è possibile mettere a disposizione anche immagini satellitari ad altissima risoluzione, con licenze d’uso dimostrative, acquisite dalle missioni degli operatori privati MAXAR, AIRBUS Defence and Space, PLANET e tanti altri.

Strumenti software e piattaforme su Cloud

Parliamo adesso di quali strumenti software e piattaforme su Cloud saranno a disposizione dei partecipanti.

Planetek Italia offre l’accesso ai servizi esposti dalla sua piattaforma cloud-based per il monitoraggio della Terra Rheticus®. Rheticus rende disponibili una serie di geo-informazioni ‘pronte all’uso’ ottenute da immagini satellitari relative, per esempio, alla qualità delle acque ed allo stato dei campi coltivati.

Queste geo-informazioni sono rappresentate da mappe sotto forma di raster (grigliati) e sono generate appositamente per l’Hackathon tramite l’elaborazione di dati satellitari mediante gli algoritmi ed i servizi messi a disposizione da Rheticus. Per esempio, le mappe di qualità delle acque marine offrono informazioni sulla concentrazione superficiale di clorofilla, la temperatura superficiale, la trasparenza e torbidità dell’acqua, e sono fornite dal servizio Rheticus Marine sia giornalmente che come medie settimanali e mensili. I dati satellitari utilizzati sono Sentinel-3, MODIS e VIIRS, pre-elaborati e messi a disposizione dal Copernicus Marine Environment Monitoring Service — CMEMS e successivamente calibrati sui mari italiani tramite gli algoritmi di Rheticus Marine. Questi prodotti sono caratterizzati da una risoluzione spaziale di 1 km.

Oltre a predisporre questi ed altri servizi pre-cotti, raccogliamo le informazioni su tante altre fonti di dati geografici esistenti e disponibili con accesso “open and free” — tra cui i dati del servizio Coastal Zones del Copernicus Land Monitoring Service — estremamente utili per le tematiche sopra citate.

Creotech garantisce per l’hackathon l’accesso a CreoDIAS, la piattaforma che fornisce uno sportello unico basato su cloud per tutti i dati e le immagini satellitari di Copernicus, nonché le informazioni sui servizi Copernicus, offrendo inoltre accesso a risorse cloud IT efficienti, sofisticati strumenti di elaborazione e dati esterni opzionali.

Sinergise offre l’accesso al Sentinel Hub, una piattaforma GIS basata su cloud per la distribuzione, la gestione e l’analisi dei dati satellitari.

Tanti mattoncini, forse troppi? I partecipanti all’hackathon non sono soli: i coach di Planetek Italia, onData, e Impact Hub accompagnano gli hackers per tutto il tempo, mettendo a disposizione le proprie esperienze diversificate nell’ambito dell’analisi dei dati e dell’accesso alle informazioni geospaziali (e non solo) e dello sviluppo di modelli di business innovativi.

Allora, ti interessa scoprire come è possibile giocare con Copernicus?
Visita il sito dell’Hackathon e scopri tutti i dettagli su questo link.