Materiali e metodi
5.1 – Materiali
In questo lavoro le immagini satellitari sono i dati maggiormente utilizzati. Queste sono state acquisite da diverse piattaforme satellitari, tra cui Sentinel-1 a COSMO-SkyMed (radar), Sentinel-2 ed infine Pléiades (ottiche).
Da Sentinel-1 si sono ricavati i dati relativi ai Permanent Scatterers (PS) per monitorare lo spostamento di possibili corpi franosi. I dati Sentinel 1 sono stati ottenuti tramite tecnica SqueeSAR (Ferretti et al.,2011) e reperiti dal portale WebGIS della Regione Toscana (https://geoportale.lamma.rete.toscana.it/difesa_suolo/# /viewer/openlayers/326). I dati COSMO-SkyMed sono stati reperiti tramite il Geoportale Nazionale, Piano Straordinario di Telerilevamento (PST) del Ministero dell’Ambiente (http://www.pcn.minambiente.it/mattm/). Le immagini ottiche Sentinel-2 e Pléiades sono state utilizzate per delimitare la zona bruciata. In particolare, le immagini Sentinel 2 sono state utilizzate anche per monitorare l’evoluzione della zona durante la fase post- incendio. Sono state utilizzate immagini acquisite con satelliti diversi perché aventi due risoluzioni spaziali differenti: la prima (Sentinel-2) 10 m e la seconda (Pléiades) 2 m.
46 Nel sito della Regione Toscana sono accessibili due
database utili per questo lavoro: il Database Pedologico e
Uso e Copertura del Suolo.
Grazie a questi dati è stato possibile innanzitutto elaborare delle carte relative alle tipologie di suolo interessate dall’incendio e successivamente sono stati utilizzati per la creazione della carta di suscettibilità da frana. Fondamentale per elaborare questa carta è stato l’inventario delle frane aggiornato e la Carta Geologica Regionale (CARG). L’ inventario, messo a disposizione dal Consorzio Lamma e scaricabile dal sito della Regione Toscana, include i vari corpi franosi ed il loro stato di attività, mentre il CARG, messo a disposizione nel sito della Regione Toscana, dà informazioni sulla geologia dell’area di studio.
Durante la realizzazione della carta di suscettibilità da frana all’interno dell’area di studio, sono stati utilizzati PS (Permanent Scatterer) con allegate le varie serie temporali, per determinare lo stato di attività aggiornato. I modelli digitali del terreno, DSM (Digital Surface Model) e DTM (Digital Terrain Model) utilizzati in questo lavoro, provengono da un volo con LIDAR aereo effettuato sui Monti Pisani. Questi dati sono stati ricavati dall’azienda CGR (Compagnia Generale Riprese Aeree) e poi forniti dal Consorzio Lamma della Regione Toscana.
Infine, a circa un anno dall’incendio sulla piattaforma di
Google Earth Pro, è stata caricata un’acquisizione ad
altissima risoluzione, circa mezzo metro, utilizzata per individuare le opere post incendio.
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Sentinel-1
La missione Sentinel-1, è costituita da due satelliti polari che, grazie all’apertura sintetica e all’uso della banda C, possono acquisire il giorno e la notte indipendentemente dalle condizioni atmosferiche. Sentinel-1 è la prima delle cinque missioni sviluppate da ESA per l’iniziativa Copernicus. I due satelliti che compongono la missione Sentinel-1 sono Sentinel-1A e Sentinel-1B. Giacciono sulla stessa orbita distanziati di 180° ed acquisiscono immagini con risoluzioni fino a 5 m, coprendo aree maggiori di 400 km (http://esa.int/).
I prodotti di Sentinel-1 sono usati molto per il monitoraggio delle zone Artiche e degli Oceani, grazie alla possibilità di acquisire in ogni tipo di clima e di momento del giorno. In più i dati prodotti come polarimetro, sono utilizzati per il monitoraggio a terra delle coperture vegetative e per l’elaborazione di modelli relativi alla pericolosità.
Relativamente al monitoraggio degli oceani, con le acquisizioni di Sentinel-1, c’è la possibilità di mappare e seguire tutte le rotte delle navi ed individuare irregolarità, come rilascio di olii ed attività illegali, trovare edifici sospetti in aree remote e tenere sotto controllo il disboscamento e lo sfruttamento delle foreste.
La rapidità di acquisizione, affiancata da tecniche interferometriche, permette l’utilizzo dei dati acquisiti da Sentinel-1 come base per il monitoraggio di frane, eruzioni vulcaniche e terremoti (Berger et al., 2012).
48 Le immagini sono liberamente scaricabili per tutti i tipi di usi, commerciale, scientifico e pubblico. Vengono rilasciati nel formato Sentinel standard (SAFE), in diversi livelli e a seconda delle varie polarizzazioni (Fig. 5.1)
Figura 5.1 - Tipologia di dati distribuiti (da http://esa.int/).
Sentinel-2
La missione Copernicus Sentinel-2 è composta da 2 satelliti polari, con la stessa orbita eliosincrona. Lanciati simultaneamente, sono distanziati di 180° tra di loro e questo fa sì che ci sia un’alta frequenza di acquisizione, dato che si ha un passaggio sull’Equatore ogni 5 giorni. I 2 satelliti di questa missione forniscono continuamente immagini ad alta risoluzione ed in varie bande, grazie ad uno strumento multispettrale (MSI) che permette l’acquisizione di immagini in 13 bande differenti con varie risoluzioni spaziali (Fig. 5.2): 4 bande a 10 m, 6 bande a 20 m ed infine 3 bande a 60 m, con una larghezza dell’impronta a terra di circa 290 km (http://esa.int/). Alcune di queste bande sono state studiate appositamente
49 per superare tutti gli errori dovuti all’atmosfera, che interessavano le altre immagini satellitari.
Figura 5.2 - Caratteristiche delle varie bande spettrali dei due satelliti Sentinel (da http://esa.int/).
La missione Sentinel-2 è stata creata con una serie di obiettivi, tra cui il monitoraggio della vegetazione e delle aree verdi, il controllo dello stato e delle caratteristiche chimiche e fisiche degli oceani e delle acque superficiali. Inoltre, grazie all’alto tasso di acquisizione, i satelliti Sentinel diventano di fondamentale importanza per il monitoraggio delle zone colpite da disastri naturali e nelle successive fasi di recupero. Importante ruolo viene anche svolto a riguardo della sicurezza, sulle coste, nei mari e soprattutto, lungo i confini di paesi interessati da guerre. Infine, nelle zone tropicali lo studio del tasso di disboscamento, tramite l’uso delle immagini satellitari, diventa di cruciale importanza per creare modelli per i cambiamenti climatici negli anni futuri (Drusch et al., 2012).
50 Oltre ad acquisire in 3 risoluzioni spaziali differenti, i satelliti Sentinel hanno una risoluzione radiometrica di 12 bit, che dà un range di 4095 toni di grigio. Come già detto la risoluzione temporale di questi satelliti è di 5 giorni, permettendo quindi un gran numero di acquisizioni in un tempo ristretto (http://esa.int/).
I 2 satelliti, Sentinel 2A e Sentinel 2B hanno le orbite che vengono definite eliosincrone. Ciò significa che l’angolo di incidenza tra la luce del sole e la superficie della terra viene tenuto costante per tutto il tragitto. Questo aiuta a minimizzare l’impatto delle ombre, gli errori dovuti alla geometria di acquisizione ed a rendere più uniforme l’illuminazione al suolo. A terra poi si trovano tutte le basi e le stazioni Copernicus che hanno il compito di monitorare lo stato ed il funzionamento dei satelliti, le loro orbite e la qualità dei dati che poi vengono distribuiti agli utenti. I dati posso essere utilizzati direttamente e sono rilasciati sotto forma di due tipologie (Fig. 5.3).
Figura 5.3 - Le due tipologie di immagini rilasciate agli utenti (da http://esa.int/).
Grazie alla rapidità di acquisizione delle missioni Sentinel 2, è stato possibile scaricare un’immagine acquisita circa ogni mese dal giorno dell’incendio:
51 21 Settembre 2018 26 Settembre 2018 21 Ottobre 2018 15 Novembre 2018 15 Dicembre 2018 14 Gennaio 2018 15 febbraio 2018
Queste immagini sono servite successivamente per quantificare i cambiamenti avvenuti mensilmente nella zona bruciata.
Pléiades
La seconda immagine utilizzata è un’immagine pancromatica, acquisita tramite i satelliti della missione Pléiades appartenenti alla CNES (Agenzia Spaziale di Francia). La collaborazione tra Italia e Francia con il programma ORFEO ha dato il via all’acquisizione di immagini ottiche e radar sempre a più alta risoluzione e all’uso di strumenti satellitari all’avanguardia.
I due Satelliti Pléiades 1 e 2 hanno la capacità di regolare l’angolo di vista in tutte le direzioni e questo comporta la possibilità di attuare varie modalità di acquisizioni.
Inoltre, possono acquisire anche 30 immagini in un solo passaggio e questo permette di ricavare delle vere e proprie animazioni delle zone prese in considerazione. La maggior parte delle immagini che vengono acquisite da Pléiades, sono utilizzate soprattutto nella cartografia, nel monitoraggio delle foreste, delle acque superficiali ed anche per il monitoraggio di zone a rischio.
52 Pléiades nelle fasi iniziali forniva dati solo sotto forma di immagini ottiche ad alte risoluzioni. Con il progredire della tecnologia sono aumentati di conseguenza i vari tipi di sensori per fornire agli utenti diverse tipologie di dati (Fig. 5.4).
Figura 5.4 - I vari sensori montati sui satelliti Pléiades e le loro caratteristiche (da https://earth.esa.int/web/eoportal/satellite-
missions/p/pleiades)
COSMO- SkyMed
COSMO-SkyMed è una costellazione che consiste in quattro satelliti equipaggiati con Radar ad Apertura Sintetica che opera in banda X. COSMO-SkyMed è un sistema di osservazione della terra per scopi sia militari che civili (Dual Use), volto a fornire prodotti e servizi necessari a:
Monitoraggio ambientale ed applicazioni di sorveglianza per la gestione di rischi esogeni, endogeni ed antropogenici.
Fornitura di prodotti e servizi commerciali.
Sviluppato dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) in cooperazione con il Ministero della Difesa, COSMO-
53 SkyMed si basa su una costellazione di quattro satelliti identici, dotati di radar ad apertura sintetica (SAR) che lavorano in banda X (in grado, quindi, di vedere attraverso le nuvole e in assenza di luce solare). Il sistema è in grado di effettuare fino a 450 riprese al giorno della superficie terrestre, pari a 1.800 immagini radar, ogni 24 ore. (http://www.cosmo-skymed.it).
Vari sono i punti di forza di questi satelliti: innanzitutto la capacità di operare in diverse modalità di acquisizione,
spotlight (concentrandosi su un'area di pochi km quadrati
ed osservandola con risoluzione fino al singolo metro), stripmap (osservando una striscia continua di superficie terrestre) o scanSAR (coprendo una regione di 200 km di lato). (Fig. 5.5).
Figura 5.5- Le varie modalità di acquisizione con le loro caratteristiche (da http://www.cosmo-skymed.it).
I tempi di risposta sono estremamente brevi, da 72 ore fino a 18 ore nei momenti di emergenza, per configurare la costellazione ed acquisire immagini. Il tempo di rivisitazione è minore di 12 ore, ciò permette di monitorare la superficie terrestre in maniera estremamente efficiente.
Ogni satellite è equipaggiato con sensori SAR che, lavorando in banda X, permettono di acquisire immagini
54 ad altissima risoluzione non essendo influenzati dalla tipologia di clima o ora della giornata.
Le applicazioni sono molteplici. La prima, di maggior importanza, è di fornire studi sulle cause o sulla pericolosità dei grandi disastri ambientali, come frane, alluvioni, eruzioni vulcaniche ecc. Dato il brevissimo tempo di rivisitazione (variabile fra 4 e 16 giorni), COSMO-SkyMed ha la capacità di monitorare nel tempo qualsiasi spostamento o deformazione superficiale e quindi diventa di fondamentale importanza per lo studio dei fenomeni precursori.
Un più ampio utilizzo viene fatto per il monitoraggio dell’erosione costiera, dei fenomeni di subsidenza, soprattutto nelle aree abitate ed infine per la produzione di cartografia di alto livello partendo dalle immagini ad alta risoluzione fornite da COSMO-SkyMed (Gianinetto et
al., 2011).
Database
Per avere ulteriori informazioni sulla zona bruciata e soprattutto sul tipo e l’uso dei terreni interessati dall’incendio, si sono utilizzati due database differenti. Nel primo caso si è utilizzato il Database Pedologico, liberamente accessibile nel sito della Regione Toscana, di fondamentale importanza per conoscere il tipo di terreno e le sue caratteristiche pre-incendio (Fig. 5.6)
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Figura 5.6 - Stralcio dal Database Pedologico della Regione Toscana (da http://www.regione.toscana.it/).
Come secondo database è stato utilizzato Uso e Copertura del Suolo, anche questo liberamente accessibile dal sito della Regione Toscana. Questo ci ha dato informazioni sull’uso del suolo andato perso con l’incendio, così da quantificarne anche le aree (Fig. 5.7).
Figura 5.7 - Struttura generale di Uso e Copertura del Suolo (da http://www.regione.toscana.it/).
56 L’inventario delle frane, scaricato dal sito della Regione Toscana, contiene lo shapefile (Fig. 5.8) dei corpi franosi e tutte le caratteristiche tra cui lo stato di attività, fondamentale per realizzare la carta di suscettibilità.
Figura 5.8 – Shapefile delle frane ritagliato sulla zona incendiata di interesse.
Permanent Scatterers
La tecnica dei diffusori permanenti (Permanent
Scatterers,PS) è uno strumento operativo estremamente
efficace per il monitoraggio di fenomeni di deformazione della superficie terrestre con precisione millimetrica, basato sull'impiego di serie temporali d'immagini radar satellitari di tipo SAR (Synthetic Aperture Radar) (Ferretti
et al., 2000; Ferretti et al., 2001).
In generale le informazioni che si possono ricavare da ogni PS sono le seguenti:
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Velocità media registrata.
Posizione del bersaglio (coordinate geografiche e la quota).
La serie temporale di deformazione con frequenza di misura pari a quella del tempo di rivisitazione del satellite.
Parametri di qualità, deviazione standard e coerenza. La coerenza mostra l’accordo che c’è tra i dati ed il modello di spostamento. Varia tra 0 e 1 e valori di 1 indicano un elevato accordo con il modello. La deviazione standard esprime di quanto varia la stima della differenza di velocità tra un punto in analisi e uno preso come riferimento.
Tutte le deformazioni che si misurano tramite PS sono misure relative, sia nello spazio che nel tempo. Viene tutto calcolato rispetto alla posizione di un punto di riferimento a terra, di coordinate note, supposto fermo o espressamente indicato tramite apposite misurazioni. La caratterizzazione temporale dei dissesti avviene attraverso la consultazione delle serie storiche o temporali dei PS. I valori di spostamento sono in funzione del tempo trascorso tra la prima acquisizione e le successive immagini (Fig. 5.9). In questo caso le informazioni sugli spostamenti provengono dalle acquisizioni in orbita discendente ed ascendente. Lo studio delle serie temporali permette di valutare le variazioni delle deformazioni, ottenendo dati non direttamente osservabili dalle velocità medie.
58 Una buona quantità di dati (Fig. 5.10) permette di analizzare l’evoluzione nel tempo dei fenomeni, individuare trend deformativi, riconoscere aree instabili o riconoscere eventuali eventi precursori.
Figura 5.9 - Esempio dell’andamento di alcuni PS, nell’arco di alcuni mesi. È stato possibile osservare le serie temporali, caricando i PS su
Arcgis.
Figura 5.10 - Distribuzione dei PS (acquisiti con Sentinel) nell’area di studio
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LIDAR
Negli ultimi anni l’utilizzo di tecnologie aeree e satellitari ha permesso di ottenere informazioni e quindi elaborare modelli sempre più raffinati degli ambiti territoriali investigati. La tecnica LIDAR (Light Detection and
Ranging) consente di acquisire per punti il modello
digitale della superficie rilevata. In relazione al tipo di applicazione, l’impianto di acquisizione può essere aviotrasportato, terrestre fisso o montato su un apparato di rilevamento dinamico terrestre (Barilotti et al., 2016). Il LIDAR è costituito da un sistema a scansione laser che può acquisire varie decine o centinaia di migliaia di punti al secondo. Questa funzione è svolta da un telemetro laser che determina la distanza tra la sorgente (telemetro) ed il ricevitore (suolo, oggetti naturali, edifici ecc..). Oltre che a calcolare la distanza, il telemetro fornisce anche la precisa posizione del punto in cui avviene la riflessione del raggio laser (Amato 2011). (Rinaudo et al., 2011).
Il risultato della sessione di misura è un insieme di coordinate tridimensionali relative ad un elevatissimo numero di punti (nuvola di punti) che vengono colpiti dal raggio laser. La nuvola dei punti (Dense Data Elevation
Model o DDEM) è una descrizione digitale della superficie
che è stata analizzata dal LIDAR. I punti che si ottengono vengono tutti georiferiti. Se il LIDAR viene utilizzato tramite aereo, (Fig. 5.11) questo processo diventa più complesso perché va tenuto conto dello spostamento durante il volo dell’aereo nello spazio e nel tempo ed
60 inoltre vanno considerati i continui movimenti lungo i suoi assi.
Figura 5.11 – Processo di acquisizione dei punti tramite LIDAR aereo (Casella, 2015).
Per risolvere questo problema vengono collegati al sensore LIDAR due sistemi: un sistema inerziale di navigazione (INS) che serve a correggere gli errori dovuti al movimento dell’aereo durante l’acquisizione dei dati ed un sistema di posizionamento satellitare Global Positiong
System (GPS). Il tutto poi è collegato ad una rete di stazioni GPS fisse che servono a correggere gli errori di posizionamento durante l’elaborazione dei dati (Consorzio Lamma, 2019).
Una volta acquisiti i punti, si possono classificare, ossia selezionare quali punti rappresentano la vegetazione, quali gli edifici e così via. Per questo motivo avendo moltissimi punti a disposizione e potendoli classificare si possono ricavare Digital Terrain Model (DTM) ad altissima risoluzione.
In questo studio i dati LIDAR, ossia i modelli del terreno DTM e DSM ad alta risoluzione utilizzati, provengono da
61 un volo svolto il 28 Novembre 2018 sulla zona colpita dall’incendio di settembre (Fig. 5.12).
Figura 5.12 – In figura si vede il piano di volo delle riprese aeree. (Consorzio Lamma, 2019)
Il sensore utilizzato per le riprese è stato montato su un aereo Partenavia P68 (Fig. 5.13) ed i voli sono stati svolti in giorni con condizioni meteo ottimali per cercare di non apportare troppi errori sui dati finali.
Figura 5.13 – L’aereo su cui è stato montato il sensore per le foto aeree. (Consorzio Lamma, 2019)
In questo volo è stata calcolata una quota di volo di circa 550 m dal punto più alto della zona studiata, una velocità
62 di 130 nodi e sovrapposizioni laterale e longitudinale del 60%.
Il sensore che è stato montato sull’aereo è un Optech
ALTM Gemini che può lavorare fino ad un’altezza massima
di 4500 m e con la capacità di emettere 167000 impulsi al secondo.
Le caratteristiche generali del sensore sono le seguenti (Fig. 5.14).
Figura 5.14– Caratteristiche del sensore montato per le foto aeree. (Consorzio Lamma, 2019)
Il sensore ALTM Gemini correla ogni segnale laser emesso con i valori registrati sia dal GPS che dal sensore INS, montati rigidamente sull’aereo (Fig. 5.15).
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Figura 5.15 – Componente del sistema LIDAR utilizzato (Consorzio Lamma, 2019).
Il sistema di sensori INS/GPS è di fondamentale importanza per la determinazione della geometria del rilievo. Per questo il sistema Optech integra al suo interno un sistema integrato GPS/INS della casa americana
Applanix Modello 510. Nella seguente figura sono
riportate le caratteristiche principali di questa unità (Fig.
5.16).
Figura 5.16 – Parametri del sensore GPS/INS (Consorzio Lamma, 2019).
64 Per correggere con precisione gli errori plano altimetrici di posizione, al GPS montato sull’aereo sono state collegate una serie di stazioni GPS da terra. Con l’utilizzo di questi dati è stato possibile svolgere una correzione differenziale e ridurre al minimo gli errori.
Una volta azzerati praticamente gli errori, i dati delle stazioni GPS a terra e quelli provenienti dal sistema GPS sull’aereo sono stati elaborati per conoscere in ogni momento la posizione dell’aereo nel tempo e la sua traiettoria. Il programma utilizzato per l’elaborazione dei dati è stato il POSGNSS contenuto nel POSpac dell’Applanix. Questo tipo di programma è stato di fondamentale importanza per analizzare la bontà del dato GPS di input e poi successivamente l’errore nel dato finale. Il seguente grafico (Fig.5.17) mostra la traiettoria del velivolo durante tutto il volo, il colore verde indica la qualità dei dati e che non ci sono stati gap nel segnale.
Figura 5.17 – La linea rappresenta la traiettoria in volo dell’aereo, mentre il colore verde indica la qualità dei dati e la costanza del segnale proveniente dal sistema a terra (Consorzio, Lamma 2019 ).
65 Al sistema LIDAR è stata associata una macchina fotografica solidale ad esso. La macchina è una Applanix
DSS322 (Fig. 5.18) sviluppata in modo da poter essere
associata ad un sistema LIDAR tramite un’unica botola, con un dorso digitale da 22 Mp (array di 4092 x 5436 pixel) su cui si possono istallare due tipi di filtri per ottenere in alternativa immagini a colori o all’infrarosso falso colore.
Figura 5.18 - Componenti dell’Applanix Digital Sensor Sistem DSS, con la camera al centro (http://skynetx.dssgroup.it/).
Una volta acquisiti i dati laser e gli spostamenti dell’aereo tramite GPS, con alcuni programmi come POS Pac di
Applanix e DASHmap di Optech, sono stati ricavati i primi
dati grezzi del rilievo. Questi si presentano come una nuvola di punti e rappresentano un primo modello della superficie, contenente però tutti gli elementi naturali ed artificiali presenti sul territorio.
Dai dati grezzi è stato possibile ricavare i modelli digitali del terreno, DSM e DTM che sono stati utilizzati in questo lavoro. L’estrazione di questi modelli è stata fatta utilizzando software e filtri commerciali creati appositamente.
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5.2 – Metodologie
5.2.1- Metodologie Satellitari
Gli incendi sono uno dei maggiori pericoli naturali. Nel ventesimo secolo la continua crescita urbana e sub- urbana ha aumentato in modo drastico le interazioni tra l’uomo e gli incendi e soprattutto la difficoltà di intervento e prevenzione. L’uso di strumenti di monitoraggio all’avanguardia è quindi di fondamentale importanza per valutare e comprendere gli effetti degli incendi boschivi che si verificano annualmente.
Il riconoscimento tempestivo degli incendi con tecniche satellitari rappresenta una delle applicazioni dell’osservazione della Terra dallo spazio, considerata (da molti anni) efficace per l’utilizzo operativo nelle pratiche di mitigazione dei danni da incendi in aree rurali e non solo. (Gay et al., 2008).
Gli aspetti affrontati mediante l’uso delle immagini satellitari riguardano l’individuazione degli incendi nelle loro fasi iniziali e, nella fase post-incendio, l’individuazione e la quantificazione delle aree bruciate. Mentre lo studio della fase attiva privilegia satelliti con risoluzioni temporali alte a discapito della risoluzione spaziale, lo studio delle