A study of the social and environmental contribution of multi-satellite earth observation missions towards the 2030 sustainable development goals

With the introduction of the United Nations’ 2030 agenda comprising 17 Sustainable De- velopment Goals spanning the three pillars of sustainability, Earth observations increased importance in tracking the progress of SDGs targets and filling data gaps for indica- tors, particularly those requiring frequent and precise spatial measurements. Economic revenues and the contribution to a country’s economy are insufficient to evaluate the hu- manitarian benefits. However, social and environmental values of remote sensing data are crucial in determining the well-being of humans and our planet. In this manner, several qualitative studies and investigations have been conducted. Nevertheless, a quantitative approach is required. This thesis aims at developing a quantitative framework for evalu- ating the EO mission’s social and environmental value. Adopting the method developed by Scalera, Santoro, Zuliani for single-satellite missions, this work is extended to multi- satellite (i.e., constellation, formation flying) missions to study the enhancements brought to supporting the SDGs. The procedure starts with the identification of nine EO services (Mapping, Agriculture, Natural terrain, Disaster Monitoring, Limnology, Oceanography, Geology, Meteorology and Air Quality). Then, the contribution of an EO mission is de- termined by the answers to four critical questions regarding the type of data required for each service: how precise are the required data, what is the required frequency, can the mission detect the required features, and does it cover the surface regions where these features are present? Four performance indices are therefore modeled: spatial resolution, temporal resolution, spectral efficiency and coverage. Only satellites in Sun synchronous low Earth orbits and passive optical and active synthetic aperture radar payloads are considered by this method. The application of the tool to multiple missions (Rapid Eye, FFLAS, and the Copernicus program) yielded significant improvements in the contribution of constellations towards achieving the SDGs compared to monolithic satellites.

Con l’introduzione dell’agenda 2030 delle Nazioni Unite che comprende i 17 Sustainable Developments Goals (SDGs) basati sui tre pilastri della sostenibilità, le missioni per l'osservazione della terra hanno acquisito maggiore importanza nel tracciarne i progressi e nel colmare le lacune nei dati degli indicatori, in particolare quelli che richiedono misurazioni frequenti e precise. Generalmente, il bilancio economico di uno stato è insufficiente per valutare i benefici umanitari. Tuttavia, i dati forniti dal telerilevamento forniscono cruciali indicatori sociali e ambientali per la determinazione del benessere della popolazione e del pianeta Terra. In passato sono stati condotti numerosi studi qualitativi, mentre manca ancora un approccio quantitativo. Questa tesi mira a sviluppare un quadro quantitativo per valutare il valore sociale e ambientale delle missioni di osservazione della terra. Adottando il metodo sviluppato da Scalera, Santoro, Zuliani per le missioni monosatellite, questo lavoro vuole estendere la metodologia alle missioni multi-satellite (ad esempio nel caso di una costellazione o di un volo in formazione) per studiare come possano migliorare i dati a supporto degli obiettivi SDGs. La procedura inizia con l’identificazione di nove servizi di osservazione della terra (Mappatura, Agricoltura, Terreno naturale, Monitoraggio dei disastri, Limnologia, Oceanografia, Geologia, Meteorologia e Qualità dell’aria). In seguito, il contributo di una missione di osservazione della terra è determinato dalle risposte a quattro domande critiche riguardanti il tipo di dati richiesti per ciascun servizio: quanto sono precisi i dati richiesti, qual è la frequenza richiesta, la missione è in grado di rilevare le caratteristiche richieste, e la copertura delle le regioni dove sono presenti queste caratteristiche. La tesi propone quattro indici di prestazione: risoluzione spaziale, risoluzione temporale, efficienza spettrale e copertura. Con questo metodo vengono presi in considerazione solo i satelliti nelle orbite basse eliosincrone, equipaggiati con sensori ottici passivi e radar ad apertura sintetica. La metodologia presentata è stata applicata a missioni a più satellite (Rapid Eye, FFLAS e il programma Copernicus) e mostra come il contributo di costellazioni e voli in formazione possa portare a significativi miglioramenti per il raggiungimento degli obiettivi SDGs, rispetto a missioni mono-satellite.