CAPITOLO SECONDO
Caratteristiche dei dati utilizzati
2.1 Dati di Carico solido
I dati di carico solido sospeso che si sono utilizzati per questo lavoro sono stati forniti dall’Istituto idrografico e pluviometrico e dall’ARPAT di Pisa (http://www.arpat.toscana.it/sedi/pisa/). I dati sono stati acquisiti in formato elettronico per quanto riguarda l’ARPAT di Pisa, per l’istituto idrografico si è dovuti passare ad una digitalizzazione diretta dagli archivi cartacei. Per trattare questi dati si è utilizzato il programma EXCEL.
L’istituto idrografico effettua delle misure giornaliere della torbidità in cinque stazioni sul corso dell’Arno e su alcuni dei suoi affluenti. La tabella 4.1 riporta la Locazione delle Stazioni Torbidometriche dell’ Istituto Idropluviometrico e Mareografico di Pisa (http://www.idropisa.it/).
Stazione Provincia Lat N Lon E
Arno S. Giovanni alla Vena Pisa 43° 41' 04'' 10° 35' 05''
Era a Capannoli Pisa 43° 36' 06'' 10° 40' 20''
Arno a Nave di Rosano Firenze 43° 46' 27'' 11° 46' 27''
Ciana a chiusa dei Monaci Arezzo 43° 31' 23'' 11° 51' 58''
Arno a Subbiano Arezzo 43° 34' 02'' 11° 52' 01''
Tabella 2.1 Stazioni Torbidometriche dell’Istituto Idropluviometrico e Mareografico di Pisa
I dati utilizzati appartengono a due di questi siti. Le misure consistono nella raccolta di un volume fisso di 1.000 ml di acqua dal corpo interessato, che successivamente viene filtrata. Si effettua la pesata del filtro pulito prima dell’utilizzo ( tara ) e quella del filtro “sporco” per ricavare il peso del materiale solido residuo. La bilancia utilizzata per le misure assicura una precisione dello 0,00001 g in peso.
Il calcolo del carico solido sospeso si effettua eseguendo il rapporto tra il materiale solido residuo e il volume di liquido filtrato. Si ottiene un valore di concentrazione che descrive la quantità di materiale solido sospeso presente nel volume di liquido al momento del prelievo.
Le tabelle che seguono mostrano come sono stati memorizzati i dati in formato elettronico nel caso dall’istituto idropluviometrico e mareografico di Pisa e di come sono stati forniti già digitalizzati dall’ARPAT di Pisa.
Tabella 2.2 Esempio di dati digitalizzati forniti dall’istituto idropluviometrico e mareografico di Pisa
Corso-Zona Prelievo Provincia Località Locazione Data
Solidi mg/l
ARNO - MOLIN DI BUCCHIO AR STIA Alto Valdarno 01/02/2005 0,5
ARNO - PONTE DI
TERROSSOLA AR
BIBBIENA
STAZIONE Alto Valdarno 03/04/2001 1,2 ARNO - CASTELLUCCIO BUON
RIPOSO AR AREZZO Alto Valdarno 01/02/2005 0,5
ARNO - PONTE ACQUABORRA AR MONTEVARCHI
Medio
Valdarno 01/07/2002 0,5
Tabella 2.3 Esempio di dati forniti dall’ARPAT di Pisa Stazione di osservazione
Data
Campionamento mg aggiunti mg aggiunti solido mg
Torbidità mg/l
Arno S. Giovanni alla Vena 15-feb-2001 856000 862000 6000 6
Arno S. Giovanni alla Vena 26-ago-2001 713800 717000 3200 3,2
Arno S. Giovanni alla Vena 13-ott-2001 698750 701000 2250 2,25
Arno S. Giovanni alla Vena 2-feb-2002 692800 696900 4100 4,1
Arno S. Giovanni alla Vena 2-feb-2002 707000 710100 3100 3,1
Arno S. Giovanni alla Vena 12-lug-2002 699500 705000 5500 5,5
Arno S. Giovanni alla Vena 30-set-2002 700700 706900 6200 6,2
Arno S. Giovanni alla Vena 30-set-2002 699400 703400 4000 4
Arno S. Giovanni alla Vena 25-set-2003 706000 706000 0 0
2.2 Immagini Landsat (2001/2002/2004)
Le immagini da satellite, oggetto di questa tesi, sono state acquisite dai sensori Thematic
Mapper 5 e Enhanced Thematic Mapper 7 montati su satelliti Landsat
(http://www.landsat.org/).
Il Landsat è un sistema automatico di acquisizione di immagini satellitari inizialmente di proprietà della NASA (National Aeronautics and Space Administration), successivamente del NOAA (National Oceanic and Athmosferic Organization) e infine della EOSAT (Earth
Observation Satellite Company). I satelliti Landsat sono eliosincroni con uno swath di 185
km, questo significa che la fascia di superficie vista dall’apparato, durante la sua orbita quasi polare attorno alla Terra, è ampia 185 km in senso trasversale alla direzione del moto, come viene illustrato nella figura 2.1
Le zone della superficie terrestre riprese dal sensore sono comprese tra le latitudini 81° Nord e 81° Sud. La figura 2.2 relativa all’Italia, mostra il World Reference System: il reticolo di riferimento mondiale grazie al quale possono essere individuate le aree di interesse mediante le rispettive tracce e scene (track e frame). La sovrapposizione tra due
track adiacenti, detto sidelap, aumenta gradualmente dall’Equatore verso i Poli (dal 7,6%
all’Equatore, al 54% a 60° di latitudine). Il bacino idrografico dell’Arno, ambito di studio di questo lavoro, è visibile nel track 192 e frame 30 che contiene quasi tutta la Regione Toscana, e anche piccole porzioni dell’Umbria e del Lazio.
Figura 2.2 :griglia delle immagini Landsat relative al territorio italiano, nel riquadro rosso l’area della Toscana (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Pisa)
I primi tre satelliti Landsat lanciati nello Spazio (Landsat 1, 2, 3) orbitano a 900 km di quota con periodi di passaggio di 18 giorni. Gli ultimi (Landsat 4, 5 e 7), invece, si trovano a un’altezza di 705 km e passano sopra uno stesso punto della Terra ogni 16 giorni. I
più regioni dello spettro elettromagnetico. Le porzioni di spettro rilevabili dai sensori prendono il nome di bande, esse sono 7 nel Temathic Mapper 5 (TM – 5), e 9 nella sua versione più evoluta l’Enhanced Tematic Mapper 7 (ETM – 7). L’ampiezza di ciascuna banda, determinabile per differenza tra la lunghezza d’onda massima e quella minima, definisce la risoluzione spettrale dello strumento. La tabella 2.1, elenca i valori di risoluzione spettrale dei sensori TM ed ETM per le bande multispettrali e la pancromatica. Quest’ultima, contrassegnata col simbolo “ * ”, interessa una regione spettrale relativamente ampia (da 0,52 a 0,90 µm), ed è caratterizzata da una risoluzione spaziale doppia rispetto alle bande TM ed ETM del visibile (verde e rosso) e dell’infrarosso vicino. Il sensore ETM, oltre alla pancromatica, ha due bande nell’infrarosso termico (le bande 6 e 8) che acquisiscono nelle due modalità a basso ed alto guadagno strumentale, a una risoluzione spaziale doppia rispetto al corrispondente canale TM (120 m contro 60 m). La tabella 2.4 riporta la risoluzione spaziale di ciascuna banda TM ed ETM, tali valori esprimono l’estensione dell’area minima rappresentata da un singolo pixel.
Tabella 2.4 dati di risoluzione spettrale e spaziale del satellite Landsat TM – 5, i valori contrassegnati con il simbolo asterisco si riferiscono alle bande del termico e alla pancromatica del Landsat 7 ETM.
(http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/IAS/handbook/handbook_toc.html)
Le immagini digitali studiate in questo lavoro (Landsat) sono acquistate come dato raster. I
Raster sono delle matrici bidimensionali di elementi chiamati pixels (acronimo di picture elements), la cui sequenza ordinata identifica la posizione di una specifica porzione di
territorio.
La figura 2.3 mostra i pixels di un’immagine raster, i valori all’interno di ogni singola cella vengono indicati con la sigla “DN” (valori digitali) e ne rappresentano la relativa luminosità. Questi argomenti saranno trattati con maggior dettaglio nel capitolo 4.
Figura 2.3 Rappresentazione dei pixels in forma di matrice.
Il vantaggio dell’utilizzo delle immagini Landsat viene dalla capacità dei suoi sensori di registrare l’energia luminosa in intervalli ben precisi di lunghezza d’onda. L’analisi dell’immagine in più bande prende il nome di analisi multispettrale.
Considerate le caratteristiche del sensore montato, le scene da esso registrate permettono la stima di variabili tematiche relative a studi di carattere geologico, agricolo, forestale, cartografico e ambientale. Alcuni esempi di applicazioni di telerilevamento, mediante immagini multispettrali Landsat TM – 5 ed ETM – 7, vengono elencate di seguito per i tre ambiti di studio atmosfera, acque e terre emerse:
1. previsioni meteorologiche, climatologia, meteorologia, previsioni piene, bilanci energetici e climatologia globale;
2. individuazione versamenti abusivi, previsione di impatto ambientale, inquinamento costiero, balneazione, risorse ittiche e dinamica correnti costiere;
3. analisi dell’uso del suolo, valutazione della biomassa e delle condizioni idriche della vegetazione, calcolo di indici di rischio e stima dei danni da incendi, pianificazione del territorio e gestione delle risorse agricole e naturali.
Le immagini Landsat utilizzate per questo studio sono state messe a disposizione dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia Sezione di Pisa.
I formati digitali delle Landsat TM – 5 ed ETM – 7 suddette, e i rispettivi sistemi di riferimento cartografici sono elencati nella tabella.
Tabella 2.5
2.3 Nozioni di cartografia
Lo scopo di una carta geografica è quello di rappresentare sul piano zone più o meno estese della superficie terrestre.
La superficie che maggiormente si avvicina a quella effettiva della Terra è quella secondo la quale si disporrebbero i mari sottratti all’azione del vento, delle maree e delle correnti e sottoposti solamente agli effetti dell’attrazione terrestre e della forza centrifuga di rotazione della Terra. Tale forma è denominata Geoide ed è ottenibile effettuando il prolungamento del livello medio dei mari sotto i continenti fino ad avvolgere l’intero pianeta. Tale superficie priva di asperità e ovunque convessa, in ogni suo punto si mantiene normale al vettore gravità ed è, quindi, una superficie equipotenziale. Per poter sviluppare i calcoli con lo scopo di determinare la posizione planimetrica di ogni punto della superficie effettiva, non possedendo il geoide una espressione matematica, si introduce la superficie ellissoidica di riferimento. La forma di tale superficie è data dall’appropriata grandezza di due parametri principali: il semiasse maggiore e lo schiacciamento. L’ellissoide scelto viene successivamente posizionato rispetto ad un punto della superficie effettiva dando così origine al Datum. La cartografia ha dunque lo scopo di rappresentare sul piano zone più o meno estese della superficie effettiva riportate sulla superficie ellissoidica. Nell’ambito dello stesso continente ogni nazione ha scelto un proprio datum e quindi un proprio ellissoide per far coincidere il più possibile geoide ed ellissoide come indicato nella tabella 2.6(www.analisidifesa.it)
Tabella 2.6 Gli ellissoidi di riferimento principali e le loro caratteristiche fisiche (da www.analisidifesa.it)
La proiezione o rappresentazione cartografica è il modo con cui viene stabilita la corrispondenza biunivoca tra ogni punto dell’ellissoide ed il piano della carta, e tale corrispondenza viene stabilita analiticamente dalle equazioni della carta.
Principali tipi di proiezione: - coniche
- planari (polari, equatoriali, olblique) - cilindriche (dirette, trasverse, oblique) - gnomoniche
- stereografiche (o polari) - ortogonali (o ortografiche)
Figura. 2.4 Alcuni esempi di Proiezione
Il Datum, il tipo di proiezione ed il fuso di riferimento determinano il sistema cartografico di riferimento. Le coordinate riferite ad uno dei sistemi possono essere a loro volta geografiche, espresse in gradi sessagesimali, o piane espresse in metri (cap. 14 in Tomaselli).
I sistemi di riferimento maggiormente utilizzati in Italia sono: sistema ED 50 – UTM (fuso 32, fuso 33);
sistema Roma M.Mario 40-Gauss Boaga (fuso ovest, fuso est); sistema WGS 84- UTM (fuso 32, fuso 33).
Le immagini da satellite sono generalmente fornite dal produttore, come nel nostro caso, già in formato digitale (raster). I dati raster sono immagini espresse sotto forma di matrici bidimensionali i cui elementi, chiamati pixels, contengono dei valori, la cui posizione spaziale è implicita nella sequenza ordinata dei pixel stessi che nel campo geografico rappresentano una porzione di terreno.
Con il termine "georeferenziazione" si intende la procedura consistente nel posizionare, mediante punti di coordinate note chiamati punti di controllo o GCP (Ground Control
Points), un 'immagine raster nella rispettiva zona del territorio reale, secondo un
determinato sistema di riferimento (es. UTM o Gauss-Boaga).
In questa tesi il sistema geodetico-cartografico utilizzato per georeferenziare le immagini forniteci dal satellite Landsat è il sistema WGS 84 – UTM 32. La prima parte del nome (datum) descrive l’ellissoide di riferimento scelto per rappresentare la superficie della terra,
e il suo posizionamento. La seconda parte invece descrive la proiezione cartografica utilizzata e il fuso di riferimento.
Sistema geodetico cartografico WGS 84 Datum:
Ellissoide geocentrico
semiasse maggiore a = 6378137; semiasse minore b = 6356752,31; schiacciamento f = 1/298,257223563;
centro di massa della Terra coincidente con quello dell’ellissoide; origine delle longitudini Greenwich.
Proiezione cartografica usata:
Universal Transverse Mercator (UTM)
La Terra viene suddivisa in 60 fusi longitudinali. Ciascun fuso ha un’ampiezza di 6°, la massima consentita per avere deformazioni tollerabili in una buona carta topografica. Sistema di tipo chilometrico in quanto si basa su un sistema di assi cartesiani che ha per asse delle ascisse l’equatore e per asse delle ordinate di volta in volta un meridiano di riferimento. La proiezione è ottenuta tramite un cilindro con asse orizzontale posto tangente al meridiano centrale del fuso di riferimento. Al meridiano centrale del fuso di appartenenza si assegna il valore convenzionale di 500 km (falsa origine in longitudine). La numerazione dei fusi inizia dall’antimeridiano di Greenwich (Londra) procedendo verso Est.
