DELLE TECNICHE DI RILEVAMENTO
4.2 L’impiego del telerilevamento negli inventari forestal
Nel quadro di una crescente necessità di fornire informazioni sull’entità e sulla localizza- zione geografica delle risorse forestali, l’impiego di tecniche di telerilevamento può pro- durre risultati sicuramente soddisfacenti.
Occorre però innanzi tutto rilevare che il dettaglio delle informazioni dipende fortemente da quello delle riprese utilizzate il quale a volte non è compatibile con obiettivi inventariali su scala nazionale.
La scelta del tipo di dati telerilevati impiegabili dunque non può prescindere dall’ambito e dalla scala di indagine.
L’adozione di una definizione di bosco quale quella proposta da FRA2000 impone una grossa limitazione: occorre lavorare su scale molto grandi, con unità minime cartografabili di almeno 0,5 ha e, nel contempo, essere in grado di apprezzare la presenza di coperture boschive fino a gradi del 10%.
Sembra opportuno in questa sede condurre una breve disamina dell’impiego di diffe- renti supporti derivati da telerilevamento nell’ambito degli inventari europei ed anche extra- europei.
L’attenzione sarà pertanto rivolta dapprima alle riprese aeree, sulle quali sono state con- dotte numerose esperienze nel corso di questo secolo e che sono oramai entrate nell’uso comune dei tecnici forestali, e in seguito alle immagini da satellite, il cui utilizzo a fini inven- tariali è piuttosto recente e ancora sporadico nel panorama internazionale.
4.2.1 Il telerilevamento da aereo
L’uso delle foto aeree nella realizzazione degli inventari forestali è una pratica ormai con- solidata, che risale all’inizio di questo secolo, al periodo immediatamente successivo alla prima guerra mondiale.
Nel 1920, infatti, fu realizzato un inventario di una foresta boreale estesa su circa 200.000 ha in Quebec, combinando la fotointerpretazione con rilievi al suolo (Howard, 1991).
Inizialmente si tese ad utilizzare questo supporto per una prima ricognizione della vege- tazione forestale nelle aree ancora poco conosciute e di difficile accessibilità e quindi nelle regioni tropicali e in quelle boreali, mentre in Europa centrale vi si ricorreva per raggiungere una migliore accuratezza in alcuni inventari a livello di distretto o di tipo assestamentale (Hildebrandt, 1992).
In ogni caso nel periodo intercorrente fra le due guerre mondiali questa tecnologia restò appannaggio di pochi specialisti e fu sviluppata soprattutto a livello sperimentale.
È a partire dal secondo dopoguerra che si può datare il passaggio ad una fase opera- tiva nell’impiego del telerilevamento aereo per attività forestali, anche in seguito ai notevoli progressi, che portarono fra l’altro alla produzione di pellicole all’infrarosso.
Si cominciò allora ad utilizzare le foto aeree anche per inventari di aree più ampie, fino a comprendere un intero territorio nazionale (come accadde in Austria), sebbene soprattutto a fini di orientamento. I forestali europei inoltre cominciarono ad applicare la fotografia aerea per realizzare inventari di foreste tropicali. Intanto a livello sperimentale venivano svi- luppati in Centro Europa metodi sempre più sofisticati per la misura di parametri quali l’altezza e il suo incremento, le dimensioni della chioma e la loro relazione con il diametro dei fusti e infine la stima del volume legnoso del soprassuoli.
A partire da metà degli anni ’50 fu riconosciuto universalmente il valore delle foto aeree all’infrarosso bianco e nero nel separare i popolamenti di conifere da quelli di latifoglie, seb- bene la tecnica risultasse poco adatta per gli eucalitteti (Howard, 1991).
Dagli anni ’60 si cominciò a diffondere l’uso delle fotografie a colori, che permettevano il monitoraggio delle malattie e il riconoscimento di alcune specie arboree nelle zone tempe- rate.
Una maggiore versatilità fu però riconosciuta alle pellicole all’infrarosso falso colore (IRFC): queste hanno adesso generalmente sostituito quelle all’infrarosso bianco e nero, mentre le fotografie a colori a grande, media e piccola scala sono sempre più usate nella realizzazione degli inventari forestali nazionali.
In Nord America l’US Forest Semice acquisisce periodicamente fotografie a colori in scala 1: 15.840, 1:20.000, 1:24.000 su tutte le foreste nazionali, mentre la fotografia a scala molto grande (1:1200) si è dimostrata idonea per un’identificazione affidabile delle singole specie nelle foreste temperate ed è usata operativamente negli inventari forestali del Canada (Howard, 1991).
Per quanto attiene all’Europa, le foto aeree sono largamente impiegate. Nell’ambito dell’inventario forestale nazionale francese, con le foto aeree si arriva ad identificare oltre 200 tipi (Wolsack, 1994) di formazioni vegetali, integrando però l’informazione con nume- rosi rilievi al suolo, per verificare le incertezze.
In Svizzera già nel primo inventario forestale nazionale furono utilizzate le foto aeree per distinguere il bosco dal non bosco ed identificare i punti da rilevare al suolo, mentre il secondo inventario adotta un disegno a due fasi per stratificazione. Anche in Grecia e in Portogallo le foto aeree sono state usate per la stratificazione. Altri paesi che hanno impie- gato le foto aeree nella realizzazione di inventari forestali nazionali sono la Spagna, la Sve- zia, la Gran Bretagna, l’Olanda e il Belgio (European Commission, 1997).
Anche in Italia, molti inventari forestali regionali hanno fatto uso di foto aeree, sia al fine di individuare i punti bosco (Lombardia, Friuli, Liguria, Toscana, Emilia Romagna, Val d’Aosta) che per la classificazione di tipi forestali (Emilia Romagna, Val d’Aosta).
Meno diffuso è invece l’uso delle ortofotocarte nel settore forestale, ma questo, come riferisce ancora Hildebrandt (op. cit.), sta progressivamente affermandosi: rientra infatti nella pratica ordinaria in Nord Westfalia e Reno-Palatinato ed è stato introdotto anche in Baden-Württemberg e in Austria per speciali applicazioni. Come riportato nel rapporto dell’EFICS, per la realizzazione dell’inventario forestale nazionale tedesco, lo screening pre- liminare ai fini dell’individuazione del punti bosco, condotto su riprese aeree, utilizza indiffe- rentemente foto aeree ed ortofotocarte, purché aggiornate. Se queste ultime sono disponibili, si ritiene che debbano essere utilizzate, pur tenendo conto delle distorsioni che possono presentare (Kleinn et al., 1997). In Europa, le ortofoto, spesso integrate a foto aeree, sono state impiegate anche per altri inventari forestali nazionali (come ad es. in Bel- gio e in Grecia).
4.2.2 Il telerilevamento da satellite
La storia dell’uso a fini forestali del telerilevamento da satellite è più recente, come più recente è d’altronde questa stessa tecnica. Le tecniche di impiego del telerilevamento da satellite nel settore forestale sono state sviluppate in un periodo di circa 30 anni, mentre
quelle relative alla fotografia aerea sono state messe a punto in un periodo che supera i 100 anni.
Le prime riprese della terra dallo spazio risalgono infatti ai primi anni ’60 (Cracknell e Hayes, 1991). Ma fu soltanto nel 1972 che gli U.S.A. lanciarono il loro primo satellite per l’osservazione delle risorse della terra ERTS-1, poi rinominato LANDSAT-1 (oggi non più operativo). Dopo un generale ottimismo sulle enormi potenzialità del satellite, divenne chiaro che tale strumento doveva essere utilizzato in connessione con le fonti tradizionali di informazione, con le foto aeree e l’osservazione a terra, per migliorare la conoscenza e la comprensione di problemi ambientali, ingegneristici ed umani (Cracknell e Hayes, op. cit.).
Bisogna però osservare anche che le immagini prodotte dai primi satelliti erano caratte- rizzate da una risoluzione piuttosto bassa (nel caso del sensore MSS montato sui primi Landsat i pixel erano di 80 m) e quindi spesso poco adatta a studi su scala medio-grande.
Furono comunque avviate numerose sperimentazioni sull’impiego di Landsat MSS nella classificazione del territorio forestale. Come applicazione immediata di questi dati, negli U.S.A. si realizzò una carta della copertura forestale, ma in seguito si arrivò a distinguere le conifere dalle latifoglie. In Colorado Hoffer et al. (citati in Howard, 1991) riuscirono a sepa- rare le conifere dalle latifoglie con accuratezze del 91-94%, raggiungendo invece accura- tezze dei 76% nell’identificazione delle specie principali. Essi conclusero che l’utilizzo di tecniche automatiche di analisi di immagine risultava economicamente molto più conve- niente rispetto a quello di analisi visuale quando si passava dal considerare territori ristretti (intorno ai 20.000 ha) allo studiare regioni più ampie (es. 1.000.000 ha). La scala massima raggiungibile con questo sensore era comunque di 1:125.000 (Howard, op. cit.). I risultati di molte altre esperienze di classificazione con dati MSS, finalizzati a distinguere le conifere dalle latifoglie, non superavano in genere accuratezze del 70%, inaccettabili per scopi fore- stali (Howard, op. cit.).
Nei paesi in via di sviluppo, le tecniche di analisi digitale risultavano molto più utili rispetto all’interpretazione visuale delle immagini, in particolare al fine di rilevare la pre- senza e l’estensione delle foreste. Si possono citare casi in cui queste immagini furono impiegate a fini inventariali, ad es. nell’inventario forestale delle Filippine condotto da Schade, integrando questa fonte a registrazioni fatte con videocamera da aereo (cit. in Hil- debrandt, 1992).
L’evoluzione della tecnologia portò alla messa a punto di strumenti molto più efficaci, quali il satellite statunitense Landsat 4, lanciato nel 1982, seguito dal Landsat 5 (1984), con risoluzione spaziale di 30 m e migliore risoluzione spettrale, e il satellite SPOT 1, lanciato nel 1986, con 20 m di risoluzione nel multispettrale e 10 m nel pancromatico, seguito dallo SPOT 2 (1990) e dallo SPOT 3.
Con questi supporti, capaci di fornire informazioni più dettagliate, gli sviluppi nell’impiego delle immagini da satellite nel settore forestale sono stati rilevanti.
Ancora Hildebrandt (op. cit.) sottolinea che con i metodi di classificazione avanzata basati sui dati Landsat TM e SPOT HRV sono stati fatti notevoli progressi nel campo della cartografia forestale di piccola scala, sia in Europa centrale, che nei paesi tropicali. Del resto la letteratura in materia è oramai vastissima, in particolare per l’impiego oramai con- solidato dei dati forniti da questi due tipi di sensori, TM e HRV. Occorre però rilevare che spesso l’esame della letteratura può essere fuorviante, anche perché esiste ben poca documentazione su tutte le esperienze che non sono state coronate da successo e sono stati invece pubblicati solo i risultati positivi, spesso conseguiti in condizioni ottimali per l’applicazione delle tecniche di telerilevamento (KöhI e Päivinen, 1996)
Sul tema dell’impiego del telerilevamento negli inventari forestali merita particolare men- zione il progetto europeo FIRS (Forest Inventory and Remote Sensing), che si proponeva fra l’altro di utilizzare, dopo averne verificato l’operatività, i dati telerilevati come la maggiore fonte di informazione sulle foreste a livello europeo, nel quadro della realizzazione di un sistema informativo unificato sull’intero continente europeo. Fra i documenti prodotti nel corso di questo progetto risulta particolarmente utile una serie di schede sulla possibilità di
impiegare le tecnologie di telerilevamento odierne e future nel rilievo di una vasta gamma di attributi legati agli inventari (KöhI e Päivinen, 1996).
Anche dai risultati per ora ottenuti dal progetto FIRS si può evincere che l’impiego del telerilevamento (intendendo anche quello da aereo) appare molto promettente e presenta il vantaggio, rispetto ai rilievi al suolo, di assegnare una posizione a ciascuna osservazione e di riportare le posizioni con una risoluzione spaziale molto elevata. È ancora però necessa- rio approfondire da un lato gli aspetti dell’accuratezza delle classificazioni ottenuto tramite telerilevamento, dall’altro quelli statistici poiché occorrono tecniche di campionamento adeguate all’impiego del telerilevamento. È inoltre problematica la separazione delle aree forestali dalle colture arboree (oliveti, sugherete, frutteti), che sembra difficilmente ottenibile in mancanza di dati ausiliari. Resta infine il limite di non poter individuare con strumenti di telerilevamento l’uso del suolo, bensì di poter soltanto registrare la copertura (o land cover) al momento della ripresa (ad es. nelle tagliate non sarà possibile individuare l’uso forestale, ma soltanto la copertura temporaneamente non forestale).
Nello stesso rapporto si rileva comunque un miglioramento notevole delle accuratezze di classificazione dell’uso forestale, in particolare nella distinzione fra conifere e latifoglie, passando dal sensore MSS dei primi satelliti Landsat a quello TM ed anche complessiva- mente una migliore efficienza (dovuta alla migliore risoluzione spettrale) dei dati Landsat TM rispetto a quelli SPOT.
Le buone potenzialità dei dati forniti dai sensori TM dei Landsat e HRV dello SPOT, che sono tuttora quelli più utilizzati, si scontrano però con la loro risoluzione spaziale, che per- metterebbe di rilevare l’area forestale con accuratezze accettabili (> 80%) soltanto a partire da unità minime cartografabili di 10 ha.
Riguardo all’impiego dei dati telerilevati dai sensori Landsat TM e SPOT HRV negli inventari forestali, al momento attuale questo non ha ancora avuto grande diffusione, seb- bene da più parti se ne evidenzino le grandi potenzialità.
Sono stati però condotti alcuni inventari pilota che ne prevedono l’impiego integrato con quello di foto aeree, come quello a quattro fasi realizzato in una regione forestale tropicale dell’India, basato su Landsat TM, foto aeree pancromatiche a scala 1:20.000, foto aeree IRFC in scala 1:10.000 e rilievi a terra (KöhI e Kushwaha, 1994) e quello da poco ultimato in un’area dei Nord Est dei Minnesota (Bauer et al., in press).
Riguardo a quest’ultimo occorre sottolineare che si tratta della prima esperienza di applicazione dei telerilevamento da satellite agli inventari forestali dei singoli stati condotta negli U.S.A. (gli altri stati U.S.A. adottano come dati telerilevati le foto aeree) ed è stata avviata nel quadro di un’iniziativa dell’US Forest Service che mira allo sviluppo di un Sistema di Inventario Forestale Annuale (AFIS – Annual Forest Inventory System), in cui i dati satellitari giocano un ruolo fondamentale. Anche in questo caso si è fatto uso inte- grato di immagini da satellite, foto aeree IRFC in scala 1:10.000 e rilievi a terra. Dopo aver suddiviso il territorio in regioni fisiografiche più omogenee, la classificazione è stata realiz- zata con immagini Landsat TM monotemporali, ottenendo un’accuratezza complessiva dal 64 % al 76%. Le accuratezze maggiori sono state raggiunte nella classificazione dell’uso del suolo, mentre le più basse sono state riscontrate nella distinzione delle classi spettral- mente più simili (ad es. diverse classi di conifere o diverse classi di latifoglie). Le stime delle superfici sono state poi ottenute per regressione calibrando la classificazione dei dati teleri- levati con quella condotta su foto aeree IRFC 1:9.400, relative alle unità primarie di cam- pionamento, o PSU5 (porzioni di territorio più limitate, riprese sistematicamente). Sempre in ambito nordamericano si segnala che il Canada continua ad utilizzare foto aeree e che, come prospettive future, non ha tanto preso in considerazione l’impiego di dati satellitari, quanto piuttosto quello di sensori multispettrali su piattaforma aerea (Leckie e Gillis, 1995).
Occorre ancora segnalare l’utilizzo dei Landsat TM (e, in misura minore, anche dello SPOT) nell’ambito dell’inventario Forestale Nazionale finlandese, secondo una metodolo-
gia messa a punto dall’istituzione per la Ricerca Forestale Finlandese (METLA), per una realizzazione di un inventario “multi-sorgente”6, successiva alla realizzazione dell’inventario forestale nazionale vero e proprio, svolta secondo il tradizionale disegno ad una fase di campionamento sistematico al suolo (Tomppo et al., 1997; Tomppo, 1996). Questo secondo inventario, realizzato integrando i dati dei rilievi inventariali con altre fonti di infor- mazione, quali la carta digitale dell’uso dei suolo, i dati catastali, i dati del “rilievo nazionale dei territorio” e il DEM7, consente di estendere a tutto il territorio nazionale le informazioni rilevate sui punti al suolo, tramite un particolare metodo di classificazione (del k nearest nei- ghbouring). Nell’inventario forestale nazionale finlandese dunque le immagini da satellite non fanno da supporto per il rilievo delle variabili di interesse, ma consentono di estendere l’informazione a quelle zone (pixel) del territorio non interessate direttamente dal rilievo.
Un utilizzo simile delle immagini da satellite è stato condotto nell’inventario multi-risorse della Regione Liguria (Marchetti e Lalle, 1997, Tosi e Marchetti, 1997). Si tratta di un’espe- rienza interessante, che ha portato alla costituzione di un sistema informativo forestale per tutto il territorio regionale. Il lavoro è stato sostanzialmente suddiviso in due momenti: la realizzazione di un inventario di tipo sistematico e la redazione di una carta forestale. Entrambi questi elaborati sono poi confluiti in una banca dati, con informazioni di tipo alfa- numerico, ma georeferenziate (derivanti dalle schede di rilevamento al suolo) e strati infor- mativi di tipo cartografico (carta della copertura forestale del territorio in formato digitale in scala di acquisizione 1:50.000). Per quanto attiene all’inventario vero e proprio, si è trat- tato di un disegno di campionamento a due fasi per stratificazione. La prima fase è stata condotta su foto aeree in bianco e nero in scala 1:75.000, distribuendo i fotopunti secondo un reticolo sistematico chilometrico, ed ha consentito la stima della superficie forestale. Nella seconda fase il campionamento al suolo è stato effettuato con reticolo chilometrico per gli attributi principali e rilevando alcuni attributi soltanto su maglia trichilometrica, in coincidenza con i punti dei primo inventario forestale nazionale, a fini di monitoraggio. I dati inventariali, la cui posizione era stata accuratamente rilevata con l’ausilio dei GPS, sono risultati preziosi per la classificazione successiva delle immagini Landsat TM, realizzata con immagini multitemporali e tramite un Sistema Esperto, in modo da poter ottenere un pro- dotto cartografico, valido supporto tecnico per le operazioni di gestione. Alle immagini Lan- dsat TM sono state affiancate foto IRFC in scala 1:33.000 che hanno consentito di chiarire i dubbi nelle zone dove la classificazione aveva raggiunto probabilità più bassa e di classifi- care le zone in ombra (che comunque sfuggivano alla classificazione) e le aree percorse da incendio. Le foto IRFC sono risultate comunque indispensabili per identificare i tipi struttu- rali. L’esperienza condotta in Liguria evidenzia le grosse potenzialità derivate dall’affian- care un sistema informativo alla conduzione di un lavoro inventariale di tipo statistico, ma segnala nello stesso tempo l’inconciliabilità delle classificazioni delle immagini da satellite con le definizioni di bosco (nel caso specifico l’estensione minima era fissata a 5.000 m2 in analogia con quanto suggerito nel presente studio, mentre la copertura minima risultava pari al 20%) dovute all’unità minima cartografabile, che gli autori considerano, in accordo con Preto (1997a), non possa scendere al di sotto dei 4 ha.
È interessante comunque notare come i due paesi proprietari dei satelliti in orbita finora più utilizzati per l’osservazione delle risorse naturali, gli U.S.A. per il Landsat TM e la Fran- cia per lo SPOT, non abbiano ancora avviato un uso estensivo dei telerilevamento da satel- lite nei rispettivi inventari forestali nazionali. Se, come già accennato, gli U.S.A. sono prossimi a farlo dopo il buon successo dell’esperienza condotta in Minnesota, in Francia, dove si raggiungono dettagli e accuratezze nella classificazione molto elevati grazie al largo uso della fotografia aerea, non si ritiene ancora oggi lo SPOT idoneo a sostituire le foto
6. derivato da molteplici e differenti fonti (o sorgenti) di informazione
7. Digital Elevation Model: si tratta di un modello digitale della distribuzione delle quote sul territorio, in cui ad ogni pixel viene assegnata una quota. In questo lavoro oltre all’acronimo DEM, più diffuso nella letteratura straniera, si utilizza con lo stesso significato anche DTM (modello digitale dei terreno).
aeree nei rilievi inventariali (Lagarde, 1997), sebbene si cominci a prospettare un suo impiego allo scopo di monitorare i trattamenti selvicolturali ed identificare i problemi fitosa- nitari (Durrieu e Boureau, 1997).