COPERNICUS a servizio dell'ambiente e dell'agricoltura

Copernicus è il programma di osservazione della Terra dell'Unione Europea dedicato a monitorare il nostro pianeta e il suo ambiente a beneficio di tutti i cittadini europei. Il programma utilizza un'enorme mole di dati globali provenienti da satelliti (dati spaziali) e da sistemi di misurazione terrestri, aerei e marittimi (dati in situ non spaziali)[1].

Multidisciplinare e innovativo, Copernicus mette insieme diverse comunità, dal mondo della geoinformazione a quello scientifico-ambientale. È coordinato e gestito dalla Commissione europea ed è attuato in collaborazione con gli Stati membri, l'Agenzia Spaziale Europea (ESA), l'Organizzazione Europea per l'Esercizio dei Satelliti Meteorologici (EUMETSAT), il Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio termine (ECMWF), le agenzie dell'UE e Mercator Océan.

Copernicus fornisce dati con una copertura globale in tempo quasi reale, che possono essere utilizzati dalle autorità pubbliche e di governo e da organizzazioni internazionali per monitorare il territorio e creare servizi. Tali dati possono essere impiegati per rispondere alle esigenze mondiali così come a quelle locali, fornendo una visione d'insieme per una migliore comprensione del nostro pianeta e una più sostenibile gestione dell'ambiente, garantendo al tempo stesso ai cittadini preparazione e protezione in caso di crisi e catastrofi naturali o provocate dall'uomo. I servizi Copernicus supportano una vasta gamma di applicazioni ambientali e di sicurezza, tra cui il monitoraggio del cambiamento climatico, lo sviluppo sostenibile, i trasporti e la mobilità, la pianificazione regionale e locale, la sorveglianza marittima, l'agricoltura e la salute. Questa notevole quantità di informazioni è a disposizione di tutti gli utenti del programma, dai cittadini agli imprenditori, alle autorità pubbliche, in maniera completa, libera e gratuita.

Copernicus sostiene il ruolo dell'UE come attore globale e contribuisce a trovare soluzioni alle sfide mondiali comuni, permettendo ai Paesi membri di acquisire in modo indipendente informazioni sull'impatto delle proprie politiche e su come esse interagiscano con altri paesi e regioni del mondo, utili per partecipare a iniziative internazionali sia bilaterali che multilaterali, come i negoziati sul clima, l'ambiente e la biodiversità.

La politica sui dati del programma, che offre accesso libero, completo e gratuito a tutte le informazioni del programma, è in linea con i principi di cooperazione internazionale sulla condivisione dei dati di osservazione della Terra e rappresenta il contributo europeo al Sistema di Sistemi per l'Osservazione Globale della Terra (GEOSS).

Lo sviluppo dell'infrastruttura di osservazione avviene sotto l'egida dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) per la componente spaziale, mentre i referenti per la componente in situ sono l'Agenzia Europea dell'Ambiente (EEA) e gli Stati membri. Con il lancio nel 2014 del primo satellite, Sentinel-1A, l'UE ha inaugurato la messa in orbita di una costellazione di poco più di una dozzina di satelliti nel corso dei prossimi dieci anni.  Attualmente sono operativi i satelliti Sentinel S1, S2, S5p e S3 (missione terrestre) gestiti dall'ESA e S3 (missione marina), S4, S5 e S6, gestiti dall'EUMETSAT. A questi si affiancano quelli di altre missioni gestite da organizzazioni nazionali, europee o internazionali. Il coordinamento della trasmissione dei dati da parte degli oltre 30 satelliti delle missioni partecipanti è affidato all'ESA e all'EUMETSAT.

La componente spaziale è inoltre integrata da un segmento terrestre, con reti di monitoraggio in situ (ad es. stazioni meteorologiche a terra, boe oceaniche e reti di monitoraggio della qualità dell'aria) che sono una parte essenziale di Copernicus. Infatti, i dati puntuali forniscono solide informazioni, anche utili a calibrare e convalidare i dati satellitari, al fine di realizzare prodotti e offrire i servizi richiesti dagli utenti finali. Le reti in situ sono gestite dagli Stati membri e da organismi internazionali i quali, su richiesta, mettono a disposizione i loro dati.

L'EEA coordina la catalogazione dei servizi di Copernicus e definisce il quadro normativo per garantire l'accesso ai dati in modo tempestivo e sostenibile.

Ad oggi, nell'ambito di Copernicus sono operativi 6 servizi, relativi al 

Questi servizi trasformano i dati raccolti da satelliti e in situ in informazioni a valore aggiunto, analizzandoli ed elaborandoli, integrando gli stessi con altre fonti e infine convalidando i risultati ottenuti. Le serie di dati acquisite nel corso di anni e decenni sono indicizzate e rese comparabili, garantendo così il monitoraggio dei cambiamenti; i modelli strutturali sono esaminati e utilizzati per aumentare la capacità di previsione, ad esempio, nell'analisi degli oceani e dell'atmosfera. Dalle immagini satellitari sono derivate mappe, identificate caratteristiche e anomalie per estrapolare informazioni statistiche. 

I benefici economici, sociali e ambientali del programma Copernicus sono stati oggetto di numerosi studi. Secondo un rapporto dell'Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE), il settore spaziale ha un ruolo sempre più centrale nel funzionamento delle società moderne e nel loro sviluppo economico, grazie all'uso della tecnologia satellitare che dà origine a nuove applicazioni, impieghi e mercati. L'OCSE stima che i servizi per i consumatori rappresentino il 58% dell'economia basata su attività spaziali e includano attori che, pur non facendo parte della comunità spaziale, svolgono attività economiche basate su dati e segnali satellitari. Oltre a facilitare la tutela dell'ambiente e la sicurezza dei cittadini, Copernicus consente alle imprese europee di esplorare nuove opportunità di crescita e sviluppo, favorendo la creazione di posti di lavoro.

Il settore agricolo è stato uno dei primi ad aver utilizzato i prodotti ricavati dall'osservazione della Terra. In questo settore, le politiche UE mirano a promuovere lo sviluppo di pratiche che sostengano la produttività e al contempo preservino l'ambiente. Il Programma Copernicus contribuisce a monitorare lo sviluppo delle coltivazioni su scala regionale e globale, valutare la sicurezza alimentare, stimare i raccolti, favorendo pratiche agricole sostenibili. La sua applicazione si estende dai molteplici utilizzi nell'agricoltura di precisione, alla mappatura stagionale delle aree coltivate, alla gestione idrica, al monitoraggio della siccità e al controllo delle aree interessate da sussidi.

Nel settore ambientale, invece, i servizi Copernicus vengono adoperati per il monitoraggio della composizione atmosferica e della biodiversità, la valutazione dei parametri del ciclo dell'acqua, il monitoraggio delle foreste e la valutazione del grado di desertificazione, il monitoraggio periodico del suolo e la valutazione delle superfici impermeabilizzate, il monitoraggio dell'ambiente marino e costiero e della qualità delle acque.

I seguenti servizi Copernicus sono particolarmente rilevanti per il settore agricolo e ambientale [2]:

I prodotti informativi e i dati processati dei diversi servizi principali sono messi a disposizione e operativamente accessibili a tutti i cittadini attraverso i rispettivi portali web.

L'osservazione dallo spazio del nostro pianeta ha assunto un potenziale crescente nel corso degli ultimi anni, tanto da rendere possibile lo sviluppo di sistemi di osservazione della copertura del suolo e delle modifiche nel suo uso. Il telerilevamento del suolo ha permesso lo sviluppo di servizi di monitoraggio che spaziano dalla gestione della Rete Natura 2000 alla tutela e valorizzazione delle risorse forestali, al controllo delle superfici agricole nell'ottica della Politica Agricola Comune (PAC), fino alle applicazioni al mondo della consulenza agricola e al supporto alle decisioni.

Il progetto COP4N2K [3], di durata biennale e conclusosi nel 2021, aveva l'obiettivo di sviluppare un sistema di monitoraggio dei cambiamenti della copertura e dell'uso del suolo nei siti Natura 2000 europei per valutarne lo stato di preservazione basato sull'acquisizione di diverse tipologie di immagini satellitari. Per ottenere informazioni sulla composizione chimico-fisica del suolo sono state utilizzate le immagini del sensore ottico di Sentinel-2, in combinazione con quelle dell'US Landsat per colmare le zone d'ombra dovute alla presenza delle nubi. Il sistema radar SAR di Sentinel-1 ha permesso invece di ottenere informazioni riguardo alle irregolarità del terreno, in modo da poter discriminare il suolo nudo dai terreni agricoli con diverse colture e dalle aree forestali. La georeferenziazione dei dati ricavati dalle operazioni di telerilevamento è stata eseguita agganciando i dati satellitari ad un oggetto vettoriale, chiamato N2K [4] e sviluppato dal CLMS, capace di distinguere tra 55 diverse classi di copertura/uso del suolo (Land Cover / Land Use).

Particolare attenzione è stata rivolta alle aree ricoperte da prati e pascoli e al loro stato di abbandono o intensificazione nel tempo, dal momento che i cambiamenti nella struttura e nell'estensione della vegetazione derivanti dall'intervento umano (lo sfalcio dei prati e dei pascoli), oppure dovuti alla sua assenza prolungata (presenza di cespugli, alberi e a lungo termine del bosco), sono strettamente legati al contenuto di biodiversità dei siti protetti e consentono quindi di monitorare lo stato di salute delle aree protette. 

Gli indicatori sulla copertura erbosa scaturiti da questa analisi hanno infine permesso di sviluppare un webtool semplice e intuitivo chiamato EU Grassland Watch che ha consentito di veicolare i risultati ad una vasta gamma di interlocutori, spaziando dalle autorità europee e nazionali, alle organizzazioni non governative fino a raggiungere i singoli cittadini e di fornire un supporto agli stati membri europei nell'adozione delle misure di gestione più appropriate per i siti Natura 2000 e nella prevenzione del deterioramento delle specie e degli habitat [5].

Il settore forestale è sicuramente uno dei più importanti nell'ottica di mitigazione e adattamento al cambiamento climatico [6]. Nonostante la vastissima estensione delle foreste europee, che ricoprono il 43% dell'intero suolo dell'Unione [7], la degradazione forestale continua ad avanzare a ritmi preoccupanti. Per monitorare lo stato delle foreste e il loro cambiamento e per indirizzare le politiche europee di conservazione della risorsa forestale, il servizio di Land Monitoring risulta ancora una volta fondamentale. Nel corso degli anni, il servizio ha reso possibile lo sviluppo di una lunghissima serie di prodotti, tra i quali citiamo la cartografia multitemporale Corine Land Cover (CLC) oppure le mappe della densità della copertura arborea e quelle dei tipi forestali (conifere/latifoglie), o ancora la campagna di acquisizione di dati in situ sulla variazione di uso e copertura del suolo ad una risoluzione di 2 km denominata LUCAS (Land Use and Cover Area frame Survey).

Grazie all'utilizzo di dati Sentinel-1 e Sentinel-2, le Nazioni Unite hanno sviluppato un servizio per monitorare ad alta risoluzione la deforestazione, consentendo l'individuazione dei tagli illegali e sostenendo le aziende del comparto agroalimentare. Ad esempio, nelle zone di produzione dell'olio di palma, è stato sviluppato lo strumento Starling, che monitora in tempo reale i cambiamenti nella copertura forestale confrontando una mappa di uso del suolo di riferimento con le immagini di Sentinel-2 acquisite nel corso dell'anno. Una gestione ponderata delle foreste risulta quindi di primaria importanza per una gestione più sostenibile delle risorse naturali [8].

I controlli delle superfici agricole, nell'ambito della PAC, sono attualmente effettuati a campione tramite fotointerpretazione e verifiche in campo. Nei prossimi anni si prevede una progressiva sostituzione dei metodi correnti attraverso procedure automatiche incentrate sull'utilizzo di immagini satellitari Copernicus. Il nuovo sistema di gestione e controllo della PAC, oltre a consentire la riduzione dei costi, offre la possibilità di monitorare tutti gli agricoltori e non solo un campione di essi. Il nuovo approccio consente di comunicare tempestivamente con l'agricoltore nel caso siano presenti potenziali difformità nel corso del periodo vegetativo, dando loro la possibilità di rettificare tempestivamente le domande presentate [5]. 

Il monitoraggio satellitare è oggetto di attività di ricerca e sperimentazione in tutta l'UE da parte di vari soggetti pubblici e privati (JRC, ESA, Agenzie di pagamento) per sfruttare in campo agricolo le potenzialità offerte dal programma Copernicus. La priorità data dalla Commissione Europea all'utilizzo del sistema di monitoraggio nell'ambito dei regimi di pagamento diretto della PAC, ha portato negli ultimi anni progressi costanti, ma ancora lenti, per quel che riguarda il monitoraggio ambientale e del clima.

In Italia, l'Agenzia per le Erogazioni in Agricoltura (AGEA) svolge, nel quadro della PAC, la funzione di Organismo di coordinamento con il compito principale di promuovere l'applicazione armonizzata della normativa comunitaria e delle relative procedure di autorizzazione, erogazione e contabilizzazione degli aiuti comunitari da parte degli Organismi pagatori, monitorando le relative attività. Inoltre, AGEA è responsabile del coordinamento e della gestione del Sistema Informativo Agricolo Nazionale (SIAN), che gestisce a livello nazionale l'anagrafe unica delle aziende agricole. Nel nuovo scenario di monitoraggio satellitare AGEA svolge un ruolo protagonista partecipando al Progetto SEN4CAP, avviato nel 2018 con l'obiettivo di applicare il monitoraggio alla provincia di Foggia per il Pagamento di Base (BPS).

Gli obiettivi della PAC e quelli di Copernicus sono coniugati da ISMEA (Istituto di Servizi per il Mercato Agricolo Alimentare) attraverso il progetto "Open school" che diffonde consapevolezza, conoscenza e addestramento [9]. Gli incontri di formazione, finalizzati alla conoscenza del programma Copernicus e dei suoi servizi sono rivolti alla consulenza per le imprese agricole in ambito regionale ed incentrati su tematiche chiave per la modernizzazione del settore. Queste attività sono promosse dalla Copernicus Academy, la rete europea che connette gli istituti universitari e di ricerca con le autorità e i prestatori di servizi.

I sistemi di supporto alle decisioni (Decision Support System - DSS) vengono definiti come dei sistemi si supporto computerizzati finalizzati all'aumento della qualità delle decisioni. Raccolgono, organizzano, interpretano ed elaborano dati per assistere l'utilizzatore finale nella gestione di una determinata situazione. Essi vengono adottati nei diversi interventi agronomici come la concimazione, l'irrigazione e i trattamenti fitosanitari, permettendo di ottimizzare l'uso delle risorse, anche in un contesto di agricoltura di precisione.

I DSS derivati da telerilevamento utilizzano, in combinazione con dati ambientali e colturali, le immagini satellitari per coprire una porzione dei dati provenienti da remote sensing. Le immagini satellitari, acquisite dalla piattaforma Copernicus, vengono elaborate per estrapolare importanti indici di vegetazione come il "Normalized Difference Vegetation index" (NDVI) e il "Normalized Difference Red Edge" (NDRE) per descrivere il livello di vigoria, e indici idrici come il "Normalized Difference Water Index" (NDWI), lo "Standardized Precipitation Index" (SPI) e il "Soil Water Index" (SWI) per il monitoraggio della siccità [10]. 

Un esempio di applicazione dei servizi Copernicus nel settore agricolo consiste nel recente sviluppo di DSS di supporto ai produttori di patate in Europa [11].

L'UE è il secondo più grande produttore di patate a livello mondiale, con 53 milioni di tonnellate raccolte ogni anno che rappresentano il 3,1% del valore totale della produzione agricola dell'UE.

In un contesto di cambiamento climatico, i produttori agricoli devono far fronte sempre più spesso a numerose avversità per garantire una continuità nella produzione pataticola. Sfruttando tutto il potenziale del telerilevamento, i fornitori di servizi e gli sviluppatori hanno messo a punto con successo vari DSS con l'obiettivo di supportare i produttori di patate nel monitoraggio dei loro campi.

VITO Remote Sensing è un fornitore di servizi su misura per un'ampia gamma di applicazioni tra cui: agricoltura, infrastrutture, vegetazione, risorse idriche, clima, sicurezza e contabilità del capitale naturale. WatchITgrow (WIG) è il servizio di monitoraggio agricolo che VITO ha sviluppato per il settore pataticolo belga con l'obiettivo di stimare e aumentare la resa delle patate in modo sostenibile. Attraverso le immagini satellitari acquisite dal sensore ottico di Sentinel-2, in combinazione con modelli fenologici, è possibile ottenere dalla piattaforma informazioni sullo stato della coltura fornendo agli agricoltori indicazioni tempestive per migliorare il raccolto e ridurre le perdite di produzione e qualità. La tecnologia di elaborazione delle immagini di VITO, chiamata CropSar, permette di mantenere attivo il monitoraggio delle colture anche durante le giornate nuvolose grazie alla combinazione delle immagini ottiche con quelle radar di Sentinel-1.

GEO4A fornisce ai clienti del settore agricolo servizi di monitoraggio della coltura di patata nell'area del Benelux. La sua piattaforma HARVIC combina dati satellitari del CLMS con quelli in situ del Land Use and Land Cover Area Survey (LUCAS) per ottenere misurazioni del campo e delle parcelle, per il monitoraggio del raccolto quasi in tempo reale, per l'analisi e la previsione di resa e qualità. HARVIC si basa sul modello WOFOST (World Food Studies) sviluppato all'Università di Wageningen, che descrive la crescita della coltura, con risoluzione giornaliera, attraverso la simulazione di tutti i processi ad essa legati come la fotosintesi, la respirazione e il consumo d'acqua. Particolarmente rilevanti sono gli sviluppi del progetto Stargate che combina i dati Sentinel-2 con dati meteorologici al fine di dare raccomandazioni agli agricoltori per un'applicazione sostenibile dei concimi azotati dei campi di patate.

Giulia Maria Bellucci, Fausto Carbonari
CREA - Centro Agricoltura e Ambiente
Osservatorio di Agro-Meteo-Climatologia