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IL RADAR AD APERTURA SINTETICA DA SATELLITE PER IL
ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITÀ DI BOLOGNA FACOLTÀ DI LETTERE E FILOSOFIA Corso di Laurea in Scienze Geografiche IL RADAR AD APERTURA SINTETICA DA SATELLITE PER IL MONITORAGGIO DELLE EMERGENZE AMBIENTALI Analisi multitemporale del dato COSMO-SkyMed sul delta del Po Tesi di laurea in GEOMATICA CANDIDATO: Maurizio Politi RELATORE: Prof. Giovanni Gabbianelli CORRELATORE: Dott. Andrea Spisni SESSIONE III Anno Accademico 2010/2011 1 IL RADAR AD APERTURA SINTETICA DA SATELLITE PER IL MONITORAGGIO DELLE EMERGENZE AMBIENTALI INDICE INDICE DELLE FIGURE..................................................................................................................4 INTRODUZIONE...........................................................................................................................6 1. Premessa e scopo del lavoro..............................................................................................6 CAPITOLO 1 - ELEMENTI DI TELERILEVAMENTO.........................................................................8 1.1 Il Telerilevamento da satellite...........................................................................................8 1.1.1 Storia del Telerilevamento....................................................................................8 1.1.2 Storia dell'osservazione della Terra da satellite....................................................9 1.2 La radiazione elettromagnetica......................................................................................11 1.2.1 Il Sole come sorgente di energia.........................................................................13 1.2.2 La Terra come sorgente di energia......................................................................13 1.3 Caratteristiche di un satellite..........................................................................................14 1.3.1 Fisica e moto dei satelliti....................................................................................14 1.4 Le risoluzioni nel Telerilevamento da Satellite...............................................................16 1.5 Le orbite satellitari..........................................................................................................17 1.6 Modalità di acquisizione delle immagini........................................................................18 1.7 Principali campi di applicazione del Telerilevamento....................................................18 1.8 Distorsioni geometriche delle immagini.........................................................................19 1.9 Principali piattaforme e missioni....................................................................................20 1.9.1 La nuova generazione di sensori ad alta risoluzione..........................................20 CAPITOLO 2 - IL TELERILEVAMENTO NELLA FINESTRA RADAR..................................................22 2.1 Telerilevamento Radar e SAR.........................................................................................22 2.1.1 Le frequenze Radar.............................................................................................22 2.2 Sistemi ottici e SAR a confronto.....................................................................................23 2.3 La costellazione di satelliti COSMO-SkyMed..................................................................24 2 CAPITOLO 3 - IL DELTA DEL PO: CARATTERISTICHE E RISCHI.....................................................26 3.1 I delta fluviali e il processo di sedimentazione...............................................................26 3.2 Geologia storica del delta del Po....................................................................................27 3.3 Geomorfologia del delta................................................................................................29 3.4 Erosione costiera e variazioni eustatiche.......................................................................30 3.4.1 La subsidenza nel delta.......................................................................................31 3.4.2 La risalita del cuneo salino..................................................................................32 3.5 Le aree protette del delta veneto...................................................................................33 3.5.1 Ambienti del Po di Pila: lagune, spit, barene e scanni........................................33 3.5.2 Il sito ZPS IT 3270023 (delta del Po)...................................................................34 3.5.3 L'evoluzione della Laguna Basson da fotogrammi..............................................37 CAPITOLO 4 - PROCESSAMENTO DELLE IMMAGINI RADAR......................................................40 4.1 Le immagini COSMO-Skymed.........................................................................................40 4.2 Situazione meteorologica marzo 2010...........................................................................41 4.3 Situazione mareografica.................................................................................................45 4.4 Formato dei file elaborati...............................................................................................46 4.4.1 Shapefile e il modello vettoriale.........................................................................46 4.4.2 Criteri per la vettorializzazione della linea di costa............................................47 4.5 Risultati della ricerca......................................................................................................48 4.5.1 Estensioni a confronto........................................................................................48 4.5.2 Analisi multitemporale erosione-deposizione....................................................49 CAPITOLO 5 - CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI.......................................................................52 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................................55 ALLEGATI....................................................................................................................................58 Allegato 1: carta geologica del delta del Po.................................................................59 Allegato 2: inquadramento geologico regionale.........................................................60 Allegato 3: linea di costa 01/03/2010..........................................................................61 Allegato 4: Overlay vettoriale-immagine 01/03/2010.................................................62 Allegato 5: linea di costa 09/03/2010..........................................................................63 Allegato 6: Overlay vettoriale-immagine 09/03/2010.................................................64 Allegato 7: linea di costa 15/03/2010..........................................................................65 Allegato 8: Overlay vettoriale-immagine 15/03/2010.................................................66 Allegato 9: Overlay vettoriali 01/03/2010-15/03/2010...............................................67 3 INDICE DELLE FIGURE Fig. 1: Il delta del Po ripreso dal satellite Landsat7ETM+............................................10 Fig. 2: La lunghezza d'onda..........................................................................................11 Fig. 3: Lo spettro elettromagnetico.............................................................................12 Fig. 4: Relazione tra curvatura terrestre e l'orbita di un satellite................................15 Fig. 5: Le frequenze radar............................................................................................22 Fig. 6: Sensori attivi e passivi.......................................................................................23 Fig. 7: Lo speckle..........................................................................................................23 Fig. 8: Il satellite COSMO-SkyMed4.............................................................................24 Fig. 9: Il panorama geologico dell'Italia settentrionale in epoca Pliocenica................27 Fig. 10: La Pianura Padana durante l'ultimo periodo glaciale.....................................28 Fig. 11: Classificazione morfodinamica dei delta.........................................................29 Fig. 12: Esempio di spit................................................................................................33 Fig. 13: Carta dell'area di studio..................................................................................35 Fig. 14: La rosa dei venti .............................................................................................41 Fig. 15: Distanza tra la stazione meteo e il delta.........................................................42 4 5 INTRODUZIONE 1. Premessa e scopo del lavoro Il sistema costiero è un ambiente unico, in cui atmosfera, idrosfera e litosfera sono in continua interazione. La linea di costa, zona di contatto tra il terreno e il mare, necessita di un costante monitoraggio a causa della sua natura dinamica e mutevole. Fino al 1927 tutte le mappe della linea di costa erano generate tramite campagne di rilievo sul terreno, solo dopo tale anno si cominciò a sfruttare appieno il potenziale dei fotogrammi aerei, i quali rimasero l'unica risorsa per la mappatura costiera fino all'inizio degli anni '80 (Alesheikh et al., 2007). La tecnica fotogrammetrica presentava però alcuni svantaggi: il numero di fotogrammi necessari per una completa mappatura costiera era elevato, il dato era analogico e non digitale, l'uso di immagini in bianco e nero rendeva difficile l'identificazione della linea di costa (Lillesand TM et al., 2004). A partire dal 1972, con il lancio dei primi satelliti, gli studiosi cominciarono ad avere le prime immagini digitali nelle bande spettrali dell'infrarosso, in cui l'interfaccia terra-mare era ben definita, da allora il dato da satellite cominciò ad affermarsi quale strumento per la generazione e l'aggiornamento delle mappe costiere. Il lavoro di tesi si basa proprio sull'utilizzo delle immagini da satellite, nel nostro caso la costellazione COSMO-SkyMed, per il monitoraggio degli ambienti costieri. L'area di studio è il delta del Po. Scopo del lavoro è stato lo studio dell'evoluzione della linea di costa in seguito alla mareggiata del 9-10 marzo 2010. L'analisi multitemporale ha coinvolto tre immagini radar riprese nelle date dello 01, 09 e 15 marzo 2010. Sono inoltre stati impiegati dati meteorologici e mareografici per poter comprendere appieno i fenomeni visibili nelle immagini. Parole chiave: Telerilevamento; Radar ad Apertura Sintetica; COSMO-SkyMed; analisi multitemporale; delta del Po. 6 7 CAPITOLO 1 - ELEMENTI DI TELERILEVAMENTO 1.1 Il Telerilevamento da satellite Il Telerilevamento (in inglese Remote Sensing) è la disciplina scientifica che permette di ottenere informazioni, qualitative e quantitative, su oggetti posti a una determinata distanza e sull'ambiente circostante, sulla base di misure di energia elettromagnetica emessa, riflessa o trasmessa, grazie all'uso di specifici sensori montati su satelliti in orbita (Brivio et al., 2006). E' la più recente tra le discipline del Rilevamento (Topografia, Cartografia, Fotogrammetria, Geodesia) e ha lo scopo di creare mappe tematiche del territorio. Le informazioni che si ottengono dal satellite, siano esse qualitative o quantitative, provengono da aree generalmente poste a una certa distanza dal sensore, quindi si può avere a che fare con distanze di qualche metro (Proximal Sensing), fino ad arrivare a distanze di migliaia di chilometri (Remote Sensing), è il caso dei satelliti meteorologici geostazionari posti a una altitudine di 36.000 km. 1.1.1 Storia del Telerilevamento Il Telerilevamento deve la sua nascita alla creazione delle prime macchine fotografiche analogiche, già nel 1840 furono montate fotocamere su delle mongolfiere per effettuare le prime ricognizioni dall'alto delle città europee. Nella seconda metà del XIX secolo, soprattutto in Francia, si assistette ad una vera e propria esplosione di interesse nei confronti del volo aereo, dovuta a un particolare momento storico caratterizzato da vivacità tecnologica, artistica e culturale. E' in questo periodo che si inserisce la figura di G. Félix Tournachon, detto Nadar, che attrezzò un pallone aerostatico con una camera fotografica, effettuando le prime riprese della periferia parigina, riscuotendo immediato successo e popolarità. 8 La fotografia aerea diventò uno strumento decisivo in ambito militare, durante la Prima Guerra Mondiale numerosi velivoli spia osservavano e scattavano foto dei movimenti delle truppe nemiche. L'impiego della fotografia aerea diventò ancor più importante durante il secondo conflitto mondiale, in preparazione allo sbarco in Normandia furono impiegate fotografie aeree per creare mappe circa le condizioni del mare lungo la costa e identificare i luoghi più idonei allo sbarco, fu inoltre possibile determinarne la lunghezza e calcolare la profondità delle acque tramite la misura delle onde vicino alla costa. L'impiego dell'aerofotografia per ricognizione diventò talmente determinante che buona parte delle operazioni aeree durante il secondo conflitto mondiale, in particolare quelle di bombardamento, dipendevano strettamente da essa. 1.1.2 Storia dell'osservazione della Terra da satellite Una volta conclusosi il secondo conflitto mondiale, le due superpotenze, U.S.A. e U.R.S.S., cominciarono una sfida per la conquista dello spazio extra-atmosferico. I sovietici riuscirono per primi nell'impresa grazie al lancio del satellite Sputnik-1 1. L'osservazione vera e propria della Terra da distanze orbitali ebbe però inizio il 1° Aprile 1960, data in cui fu lanciato in orbita il primo satellite con sistemi di rilevamento televisivi: TIROS-1 2, il pioniere dei satelliti meteorologici, il quale forniva all’Ufficio meteo statunitense immagini giornaliere delle formazioni di nubi e rappresenta oggi una pietra miliare nella storia delle previsioni meteorologiche. Nel frattempo, furono “declassificati” strumenti e sistemi coperti fino ad allora dal segreto militare, è il caso dei sistemi radar che, seppur attivi già dagli anni '30 in campo militare, divennero accessibili per scopi civili solo a partire dal 1964. I primi scatti dallo spazio furono effettuati nel giugno del 1965 dall'equipaggio della navicella Gemini-IV, con l'uso di pellicole a colori naturali. 1 Il satellite russo Sputnik–1, il primo satellite artificiale in orbita intorno alla Terra, fu lanciato in orbita il 4 ottobre 1957. Gli americani lanceranno in orbita il loro primo satellite il 31 gennaio 1958 con l'Explorer 1. 2 Television InfraRed Observation Satellite. 9 E' con il programma spaziale Apollo, il cui primo lancio risale al 1968, che ebbe inizio a tutti gli effetti il Telerilevamento da satellite, con il significato di osservazione e studio delle risorse terrestri da distanze orbitali. Il Telerilevamento si affermò come disciplina scientifica negli Stati Uniti a partire dal 1962, anno in cui l'Università del Michigan organizzò il primo Symposium on Remote Sensing of Environment 3, successivamente nascerà l'ERIM 4, un istituto di ricerca completamente dedito alla ricerca sull'argomento. In Italia, verso la fine degli anni '60, il Consiglio Nazionale delle Ricerche e le Università maturano i primi interessi verso la disciplina del Telerilevamento; la prima cattedra venne istituita al Politecnico di Milano nel 1987. Nei primi anni '70 prese forma una delle più importanti missioni di Telerilevamento, la Landsat, il Landsat-1 fu lanciato il 23 luglio 1972. La missione spaziale Landsat, tutt'oggi attiva, risulta fra le missioni spaziali più prolifiche. Il Telerilevamento è diventato uno strumento cruciale per lo studio del territorio. Fig. 1 - Il delta del Po ripreso dal satellite Landsat7ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), il più recente della serie Landsat. Si differenzia dai suoi predecessori per la capacità di scattare foto con una risoluzione maggiore nell'infrarosso termico (60 m invece che 120). 3 Sito web dell'International Symposium on Remote Sensing of Environment: http://www.symposia.org/ 4 Environmental Research Institute of Michigan 10 1.2 La radiazione elettromagnetica La storia del Telerilevamento è principalmente legata allo sviluppo tecnologico in tre campi fondamentali: le tecniche fotografiche e elettroniche, l'ingegneria aerospaziale e la fisica delle onde elettromagnetiche. Il Telerilevamento usa quale mezzo d'informazione l'energia elettromagnetica in tutte le sue forme di interazione con la superficie del Pianeta (emissione, riflessione, diffusione, ecc.). Una radiazione è un’onda elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda, da una frequenza e da un’ampiezza proprie. L'onda elettromagnetica è il vettore che trasporta l'energia elettromagnetica; la lunghezza d’onda (λ) 5 è la distanza che separa due creste consecutive; la frequenza (ν) equivale al numero di picchi d’onda che passano in un punto in un intervallo di tempo di un secondo; l’ampiezza (A) è rappresentata dall’altezza di ogni picco e indica l’intensità massima del campo elettromagnetico. Nella figura 2 è rappresentato il movimento ondulatorio di un'onda elettromagnetica. La lunghezza d'onda è la distanza fra le due creste. Lunghezza d'onda Fig. 2 - La lunghezza d'onda La lunghezza d’onda e la frequenza risultano tra loro inversamente proporzionali secondo la relazione: λ= c v dove c è la velocità della luce. Un ulteriore parametro per poter descrivere le caratteristiche di un’onda e.m è il numero d’onda (ν′'), definito dal numero di onde intere in un centimetro di lunghezza: ν' = 1 λ = v c 5 In fisica Lambda (λ) rappresenta la lunghezza d'onda. E' l'undicesima lettera dell'alfabeto greco. 11 Lo spettro elettromagnetico è l’insieme continuo delle onde elettromagnetiche ordinate secondo la lunghezza d'onda. Può essere suddiviso in sette regioni (o bande) a seconda della lunghezza d’onda, i salti tra una banda e l'altra non sono netti, ciò significa che gli intervalli vanno considerati come approssimati. I satelliti acquisiscono il segnale a diverse lunghezze d'onda secondo le loro caratteristiche spettrali. 0.4 0.5 ULTRAVIOLETTO Verde UNITA' 0.7 1 mi crometro (µm) = 1 x 10 -6 metri 1 mi l l i metro (mm) = 1 x 10 -3 metri 1 centi metro (cm) = 1 x 10 -2 metri Rosso Proveni ente dal Sol e 0.1µm MICROONDE INFRAROSSO VISIBILE Energi a Blu 0.6 (RADAR) Emes s o da l l a Terra 1 µm Lunghezza d'onda 10 µm 100 µm 1 mm 1 cm 10 cm 1m Fig. 3 - Lo spettro elettromagnetico E' utile notare che, per quanto riguarda la percezione umana, solo l'energia legata alle bande del VIS e del TIR produce sensazioni in noi in termini di colori e di calore, tramite la vista e il tatto. Nella tabella lo spettro del Visibile (VIS) è circoscritto. REGIONE BANDA Ultravioletto UV Ultravioletto 100-380 nm 280 nm 3000-789 THz Violetto 380-450 nm 50 nm 789-697 THz Visibile Blu 450-495 nm 45 nm 697-631 THz Visibile Verde 495-570 nm 60 nm 612-545 THz Visibile Giallo 570-590 nm 30 nm 545-517 THz Visibile Arancio 590-620 nm 40 nm 517-484 THz Visibile Rosso 620-750 nm 130 nm 484-428 THz Infrarosso IR IR vicino NIR (Near-Infrared) 0,75-0,9 μm 0,15 μm 400-333 THz Infrarosso IR vicino NIR (Near-Infrared) 0,9-1,3 μm 0,40 μm 333-231 THz Infrarosso IR onde corte SWIR 1,5-2,5 μm 1,00 μm 200-120 THz Infrarosso IR onde medie MWIR 3,5-5,2 μm 1,70 μm 86-58 THz Infrarosso IR termico TIR (Thermal IR) 7,0-20 μm 13 μm 43-15 THz Microonde Microonde MW 0,1-100cm 100cm 300-0,3 GHz Onde radio SHF-EHF >1m 100mm 3-300 Ghz Visibile VIS INTERVALLO λ AMPIEZZA Δ λ INTERVALLO v L'ampiezza dell'intervallo dell'Ultravioletto è identica a quella del Visibile (370 nm), tale fenomeno non accade con Iinfrarosso e Infrarosso a onde medie (MWIR). 12 1.2.1 Il Sole come sorgente di energia In un sistema di Telerilevamento la sorgente di radiazione elettromagnetica può essere di due tipi: -naturale, come il Sole che irradia la Terra, oppure la Terra stessa in quanto riflette parte dell'energia solare e emette allo stesso tempo radiazioni termiche; -artificiale, è il caso dei segnali a microonde prodotti dai sistemi radar. Nel Telerilevamento, in particolare quello ottico, il Sole e la Terra occupano posizioni di fondamentale importanza, in quanto sono le sorgenti principali di energia elettromagnetica. Il Sole è rappresentabile idealmente come una sfera di gas riscaldata da reazioni nucleari al suo interno, la temperatura nel suo nucleo viene stimata nell'ordine dei 15.000.000K 6,con una temperatura media attorno ai 5700-6000K (5425-5725°C). La radiazione solare è alla base della vita sul nostro pianeta, essa rende possibile la presenza di acqua allo stato liquido e fenomeni naturali capitali come la fotosintesi dei vegetali. Il picco dell'energia solare è collocato nell'intervallo tra 0,4 e 0,7 μm. La nostra stella madre svolge sulla Terra il ruolo di maggiore illuminante naturale, essa irraggia energia essenzialmente nell'intervallo spettrale che va dal VIS all'MWIR. La quantità di energia UV che raggiunge la superficie è notevolmente minore a quella registrata sulla sommità dell'atmosfera, poiché l'ozonosfera scherma e riflette nello spazio buona parte di tali radiazioni (Rigutti, 2007). 1.2.2 La Terra come sorgente di energia La Terra, con una temperatura media superficiale attorno ai 280K (7°C), irraggia energia soprattutto nella banda dell'infrarosso termico TIR e, benché in forma molto ridotta, anche nella regione delle microonde, nulla o quasi nulla nella regione del Visibile. Nella faccia esposta alla luce del Sole, la Terra interagisce tramite processi di riflessione, trasmissione e assorbimento dell'energia. 6 1°K (Kelvin) equivale a -272,15C° (Celsius). 13 1.3 Caratteristiche di un satellite Ciascun satellite artificiale viene lanciato in orbita tramite un vettore (razzo) nella cui testa viene posizionato il satellite, una volta raggiunta l'orbita il razzo apre la sua testa e libera il satellite, che si posizionerà lungo l'orbita pianificata. Il funzionamento dei sensori è garantito dalla presenza di pannelli solari che producono l'energia necessaria. I satelliti dispongono anche di un disco rigido simile a quello dei nostri computer, in grado di archiviare i dati acquisiti, che vengono scaricati a terra tramite antenne ogni qual volta avviene il passaggio sopra le stazioni di ricezione. 1.3.1 Fisica e moto dei satelliti E' noto che, per il principio di inerzia, in assenza di forze un corpo si muove in linea retta a v costante. Nello spazio però i pianeti percorrono orbite ellittiche attorno al Sole, e quindi su di loro ed anche sui satelliti agisce una forza. Questa forza fu definita da Isaac Newton nel XVII secolo, egli riuscì ad intuire che è la stessa forza di gravità terrestre ad agire anche nello spazio. Lo scienziato arrivò a concludere che la forza di attrazione gravitazionale fosse espressa da questa formula: F =G m1 m2/r 2 dove m1 ed m2 sono le masse dei due corpi , r è la distanza fra i due corpi e G è la costante di gravitazione universale, valida per qualsiasi corpo in ogni luogo. Questa formula ci dice che la forza è direttamente proporzionale a ciascuna delle masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza, quindi più due masse sono grandi più si attraggono. La distanza incide ancora di più sulla forza: se raddoppia la distanza, la forza diviene un quarto, ecc. Newton spiegò come fosse possibile far girare un satellite intorno alla Terra, il suo ragionamento era il seguente: supponiamo di trovarci sulla vetta di un rilievo molto alto e di sparare un proiettile con un cannone molto potente, la gittata sarà di qualche chilometro. Se ripetiamo il lancio con velocità via via maggiori la traiettoria del 14 proiettile avrà una curvatura sempre minore ed il proiettile cadrà sempre più lontano. Se la velocità del proiettile è abbastanza elevata esso non ricadrà sulla Terra e riuscirà ad entrare in orbita e diventare un satellite, un satellite si comporta come un proiettile sparato con una tale velocità che non riesce più ad atterrare (Ruffo, 2007). Mentre gira sulla sua orbita il satellite continua a cadere verso la superficie terrestre, tuttavia a causa della curvatura terrestre esso rimane alla stessa quota di volo. Infatti la superficie topografica si abbassa di circa 4,9 m per ogni 8 km percorsi in direzione tangente alla Terra, ciò è visibile nell'immagine. Supponiamo di sparare un proiettile a una velocità di 8 km/s, in prossimità della superficie terrestre, dopo 1s il proiettile ha percorso 8 km lungo la tangente alla Terra nel punto da dove è stato lanciato (il vettore s''). Nello stesso momento il proiettile è precipitato lungo la verticale. Lo spostamento verticale vale: 1 2 2 s ⊥= 9,8 m/ s ⋅1 s =4,9 m 2 Però anche la superficie terrestre si è abbassata di 4,9 m al di sotto del piano orizzontale a causa della curvatura terrestre; quindi il proiettile, dopo aver percorso 8 km, si trova ancora alla stessa quota e segue la curvatura della Terra. L'intero processo accade in assenza di attrito, quindi il ragionamento vale solo per le alte quote (oltre 200 km), dove non c'è più aria e quindi neanche attrito. posizione di origine posizione dopo 1s s'' 4,9 m s⊥ Fig. 4 – Relazione tra curvatura terrestre e l'orbita di un satellite 15 1.4 Le risoluzioni nel Telerilevamento da Satellite Le immagini da satellite digitali si classificano in base alle seguenti risoluzioni: TIPO DI RISOLUZIONE DEFINIZIONE E CARATTERISTICHE RISOLUZIONE GEOMETRICA O SPAZIALE La risoluzione geometrica di un'immagine satellitare è la dimensione dell'area elementare al suolo di cui si rileva l'energia elettromagnetica (pixel); di norma maggiore è la risoluzione geometrica maggiore è la qualità dell'immagine ripresa, ma allo stesso tempo minore sarà l'area coperta da un singolo scatto. In inglese è detta Ground Sampling Distance (GSD). Tanto maggiore è la risoluzione spaziale tanto maggiore sarà il dettaglio di discriminazione dei singoli oggetti a terra. RISOLUZIONE SPETTRALE La risoluzione spettrale indica il numero di bande di acquisizione e la loro ampiezza. In base al numero di bande che il sensore può acquisire, si distinguono i sistemi monospettrali o pancromatici, multispettrali (da 2 a poche decine di bande), iperspettrali (molte decine fino a migliaia di bande). La risoluzione spettrale gioca un ruolo fondamentale nello studio e l'analisi della vegetazione, caratterizzata da un forte assorbimento alla lunghezza d'onda del blu e del rosso, mentre riflette mediamente la radiazione nel verde e quasi totalmente nell'infrarosso vicino (Franklin SE, 2001). RISOLUZIONE RADIOMETRICA La risoluzione radiometrica è la sensibilità del rivelatore di un certo sensore nel percepire e codificare in segnale le differenze di flusso radiante, riflesso o emesso dalle superfici analizzate. La risoluzione radiometrica si indica in bits. I dati in un'immagine sono visualizzati in un intervallo di toni di grigio, con il nero che rappresenta il numero 0, e il bianco che rappresenta il valore massimo (per esempio 255 a 8bit). Da 0 a 255 livelli di grigio è il caso più comune (8-bit), seguono le immagini a 11-bit (0-2047), le immagini del satellite Quickbird registrano sino a 4095 livelli di grigio (12-bit), infine le immagini a 16-bit (0-65.535). Confrontando immagini con differente numero di bit si osserverà la notevole differenza nel livello di dettaglio informativo. RISOLUZIONE TEMPORALE La risoluzione temporale è il periodo che intercorre tra due riprese successive di una stessa area, essa dipende dalle caratteristiche dell'orbita. Il satellite Landsat7ETM+ fornisce un'immagine di Bologna ogni 16 giorni. 16 1.5 Le orbite satellitari Lungo l'orbita del satellite, la distanza Terra-satellite varia, più precisamente il punto in cui il satellite è più vicino alla Terra si chiama Perigeo, il punto più lontano Apogeo. All'avvicinarsi del Perigeo la velocità del satellite cresce, mentre invece all'Apogeo è minima. In meccanica orbitale, più l'oggetto orbitante (il satellite) è vicino al proprio corpo primario (la Terra), maggiore è la sua velocità e minore la distanza da percorrere per completare un'orbita, dunque minore il periodo (tempo necessario a completare un'orbita intera). I satelliti a quota più bassa (qualche centinaio di chilometri) impiegano circa 90 minuti per orbita, per alte quote i periodi superano le 24 ore. L'altezza del satellite determina il periodo di rivisitazione. L'inclinazione dell'orbita, ovvero l'angolo tra il piano orbitale e quello equatoriale, è un parametro che definisce le seguenti orbite: TIPO DI ORBITA CARATTERISTICHE DELL'ORBITA GEOSTAZIONARIA O GEOSINCRONA (EQUATORIALE) Inclinazione 0°; i satelliti sono sincronizzati con la rotazione terrestre, appaiono fermi e sospesi in una posizione su un punto dell'equatore, posizione che mantengono ruotando su sé stessi (il numero di giri/minuto varia da satellite a satellite). I satelliti geostazionari operano su orbite quasi circolari ad una quota di 36.000 km, con un periodo che è fisso e uguale a quello della Terra, ovvero 23 ore 56 minuti e 4 secondi. Un limite di questi satelliti è che sono poco coperte le zone alle alte latitudini, inoltre la risoluzione geometrica è molto bassa. POLARE Inclinazione 90°; in un'orbita polare il satellite orbita sopra entrambi i poli della Terra. L'orbita ha una inclinazione molto vicina ai 90° rispetto al piano equatoriale terrestre. QUASI-POLARE (ELIOSINCRONA) Inclinazione prossima a 90°; l'orbita quasi-polare è caratteristica dei satelliti LEO (Low Earth Orbiters), che seguono un'orbita quasi circolare a velocità pressoché costante con periodo di ± 90 minuti. E' un orbita eliosincrona, in cui il satellite attraversa un parallelo sempre alla medesima ora solare. Il passaggio alla stessa ora locale garantisce che l'angolo di elevazione solare sia sempre lo stesso. I satelliti che seguono orbite eliosincrone volano ad una altitudine di 600-800 km e hanno un periodo orbitale compreso tra 90 e 110 minuti. 17 1.6 Modalità di acquisizione delle immagini Le modalità di acquisizione delle immagini da satellite sono due: • Acquisizione sincrona: la velocità di scansione della camera del satellite è uguale alla velocità al suolo del satellite. La camera è progettata per acquisire immagini lungo la traccia a terra del satellite o parallelamente ad essa. • Acquisizione asincrona: la velocità di scansione della camera del satellite è diversa dalla velocità al suolo del satellite. Poiché la velocità di acquisizione è minore della velocità del satellite, esso ruota all'indietro mentre procede lungo l'orbita. 1.7 Principali campi di applicazione del Telerilevamento Il Telerilevamento fornisce la possibilità di osservare la Terra da una posizione privilegiata, ovvero dall'alto verso il basso, per tale motivo le immagini satellitari sono diventate di uso comune in molti settori di ricerca scientifici. Ciascun ramo di ricerca necessita di una risoluzione temporale diversa: in idrologia occorre una risoluzione settimanale, in meteorologia una risoluzione giornaliera è lo standard. Le principali applicazioni sono riassunte nella tabella. AREA RICERCA POSSIBILI APPLICAZIONI DI STUDIO GEOLOGIA Studi strutturali e sulla stratigrafia, ricerca mineraria, vulcanologia, frane, GEOLOGIA APPLICATA erosione, desertificazione. Movimenti tettonici, instabilità pendii, faglie GLACIOLOGIA Tipologia, estensione e movimento dei ghiacci marini e terrestri INGEGNERIA CIVILE Monitoraggio grandi strutture civili, terremoti e stima del danno sugli edifici CARTOGRAFIA Carte geografiche di base e tematiche, DEM AGRARIA Copertura e uso del suolo, studi sulle piante, deforestazione, carte della vegetazione, incendi boschivi, stato di salute della vegetazione IDROLOGIA IDROGEOLOGIA Studi sulle acque e la loro composizione, risorse idriche, modellistica, erosione dei suoli URBANISTICA Studi sull'espansione urbanistica, piani regolatori, architettura GESTIONE TERRITORIO Valutazioni di impatto ambientale, lotta al crimine ambientale e abusivismo INTELLIGENCE Individuazione e studio di siti nascosti e di importanza strategica militare CLIMATOLOGIA Studi sulle correnti, venti, ozono, monitoraggio di sostanze inquinanti 18 1.8 Distorsioni geometriche delle immagini L'immagine satellitare grezza è inevitabilmente soggetta a diversi tipi di distorsioni geometriche, che in alcuni casi possono essere così significative da richiedere un pretrattamento dell'immagine. Le distorsioni sono catalogabili in due famiglie: sistematiche e non sistematiche. La seguente tabella descrive i due fenomeni: DISTORSIONI SISTEMATICHE DISTORSIONI NON SISTEMATICHE Tali distorsioni sono sempre presenti in ciascuna Tali distorsioni sono presenti in diversa misura immagine acquisita dal sensore su satellite. nelle immagini acquisiste da un sensore. -CURVATURA TERRESTRE, è un fattore molto -VARIAZIONI DI QUOTA, VELOCITA' E ASSETTO importante quando si scattano foto a centinaia DEL SATELLITE, la variazione della posizione del di chilometri di distanza dalla superficie satellite o della piattaforma aerea durante il osservata. processo di acquisizione può diventare un L'errore che si commette nel trascurare la problema, in quanto piccole variazioni nella curvatura direzione di osservazione possono comportare terrestre si ripercuote sulle dimensioni dei pixel che si trovano verso le grandi variazioni nell’area effettivamente estremità dello Swath (superficie di terreno osservata. coperta da una singola strisciata), tale effetto ha Variazioni di altezza portano a cambiamenti di importanza solo per sistemi dotati di Swath scala nelle immagini e variazioni di velocità molto ampi, per satelliti ad alta risoluzione portano a cambiamenti di scala lungo la questo effetto è praticamente nullo. direzione della traiettoria. Per i rilievi eseguiti da sensori aviotrasportati la L’assetto di una piattaforma, aereo o satellite, superficie terrestre può essere considerata indica l’orientamento angolare rispetto a un piatta in quanto. sistema di coordinate di riferimento. -ROTAZIONE TERRESTRE, poiché l'acquisizione di -DISTORSIONI RELATIVE AL SENSORE, dovute una scena avviene per linee di scansione all'angolo di orientamento, al campo di vista successive mentre la Terra ruota da Ovest verso istantaneo (IFOV, Istantaneous Field of View) e Est, nel tempo che intercorre tra la registrazione al tempo di integrazione del segnale di della prima e dell'ultima riga dell'immagine, un rilevamento. pixel registrato nella parte finale della scena sarà rappresentato più ad Est rispetto alla sua posizione reale, tale fenomeno prende il nome di skew distortion. Le distorsioni geometriche possono essere corrette tramite software specifici. 19 1.9 Principali piattaforme e missioni Oggigiorno il traffico di satelliti sopra i nostri cieli è senza precedenti: le missioni attive nel campo del Telerilevamento sono in continuo aumento. Nel paragrafo seguente sono elencate alcune fra le missioni più importanti nel campo ottico, i satelliti elencati trasportano sensori ad alta risoluzione. 1.9.1 La nuova generazione di sensori ad alta risoluzione I progressi nel campo dell'elettronica hanno permesso un continuo aumento della risoluzione dei sensori, pertanto il concetto di elevata risoluzione geometrica (GSD, Ground Sampling Distance) si è evoluto nel tempo, ora possiamo assumerla per una GSD ≤2 m, anni fa era invece accettabile una GSD di 10 m. Nella tabella sono elencati alcuni fra i più innovativi satelliti per Telerilevamento. SATELLITE ALTITUDINE GSD SWATH (km) GEO-EYE1, per ragioni di sicurezza la risoluzione di 41cm è disponibile solo al governo statunitense. Google ha l'esclusiva sulla cartografia del satellite e può arrivare fino a una risoluzione di 50cm 684 km 0,41 m 15,2 x 15,2 WORLDVIEW-1, è attivo dal 2007, di proprietà Digital Globe. 496 km 0,5 m 17,6 x 17,6 QUICKBIRD: è attivo dal 2001, di proprietà della DigitalGlobe, è attualmente uno dei satelliti con la più alta risoluzione geometrica nel pancromatico (0,6m). 450 km 0,6-2,4 m 16,5 x 16,5 EROS–B, è attivo dal 2006. 500 km 0,7 m 7x7 IKONOS–2: è attivo dal 2000, di proprietà di GeoEye, è stato il primo satellite in grado di registrare immagini con una risoluzione vicina al metro. 681 km 0,8-4 m 11 x 11 EROS–A, con EROS–B è il satellite di punta israeliano. 500 km 1,8 m 14 x 14 SPOT-5, è attivo dal 2002, satellite francese. 822 km 2,5 m 60 x 60 RAPIDEYE, costellazione tedesca di 5 satelliti. 630 km 6,5 m 77 x 77 ASTER, è attivo dal 2000, satellite giapponese. 705 km 15 m 60 x 60 LANDSAT7ETM+, la serie di satelliti Landsat è tra le più longeve, il 7ETM+ è attivo dal 1999, statunitense. 705 km 15 m 185 x 185 ENVISAT-1: è attivo dal 2002, di proprietà dell'ESA, trasporta con sé il MERIS per lo studio degli oceani. 800 km 25 m 150 m 400 x 400 20 21 CAPITOLO 2 - IL TELERILEVAMENTO NELLA FINESTRA RADAR 2.1 Telerilevamento Radar e SAR Un sistema di telerilevamento si definisce attivo quando è provvisto di sensori che emettono onde attive radar per “illuminare” la scena da riprendere. Un esempio di sistema attivo è quello di una fotocamera quando illumina l'ambiente circostante con un flash, oppure il radar che “attiva” la scena da riprendere inviando un fascio di microonde generate da una apposita antenna che fa parte del sistema stesso di rilevamento. Il Radar ad Apertura Sintetica, in inglese Synthetic Aperture Radar (SAR), è un sistema di telerilevamento attivo e a microonde. E' una tecnologia nata negli anni '50 del secolo scorso, nel 1979 vi fu la prima piattaforma che forniva dati SAR per uso civile, il SEASAT statunitense. Nel 1991 vi fu il primo SAR europeo a bordo di ERS-1. 2.1.1 Le frequenze Radar Le frequenze radar si inseriscono nella regione delle microonde e onde radio. NOME BANDA LUNGHEZZA D'ONDA λ (cm) FREQUENZA (GHz) Ka 0.8-1,1 40-27 K 1,1-1,7 27-18 Ku 1,7-2,4 18-12 X 2,4-3,8 12-8 C 3,8-7,5 8-4 S 7,5-15 4-2 L-P 15-100 2-0,3 0,1 Ku f(GHz) 300 10 1 Ka X C 30 100 S 3 L λ (cm) P 0,3 Fig. 5 - Le frequenze radar 8 La frequenza (f), espressa in Hertz, è data dal rapporto C / λ in cui: C=3.10 m 22 Nella regione spettrale delle microonde l'atmosfera è considerata come trasparente, soprattutto alle frequenze più basse. Tale vantaggio, unito alla possibilità di effettuare riprese notturne, è uno dei motivi per cui il Telerilevamento a microonde risulta particolarmente efficace per lo studio dei processi superficiali. 2.2 Sistemi ottici e SAR a confronto I sistemi di tipo attivo si distinguono da quelli di tipo passivo soprattutto per la strumentazione: al posto della parte ottica vi è un'antenna che serve sia per l'invio a terra che per la ricezione al ritorno dell'energia elettromagnetica. La tecnica SAR ha un vantaggio fondamentale: la capacità di operare sia di giorno che di notte e in qualsiasi condizione meteo, tale caratteristica è di grande rilievo in quanto vi sono aree della terra di cui non esistono immagini ottiche proprio a causa della perenne copertura nuvolosa (Ferretti et al., 1998). SENSORI ATTIVI SENSORI PASSIVI antenna ricevente antenna ricevente antenna trasmittente Fig. 6 - Sensori attivi e passivi Il dato SAR è affetto dal fenomeno dello speckle, un disturbo del pixel che complica l'interpretazione dell'immagine. Fig. 7 – Lo speckle 23 Nella seguente tabella sono comparati i due sistemi. SISTEMI OTTICI E NIR SISTEMI SAR VANTAGGI SVANTAGGI VANTAGGI SVANTAGGI Combinazione tra bande diverse Nessuna informazione di notte e con nuvole (eccetto nel TIR) Sistema attivo, opera in qualsiasi condizione meteo e di notte Speckle Interpretazione naturale delle immagini DEM scarsa qualità Interferometria (misure Difficile interpretazione precise distanze) del dato 2.3 La costellazione di satelliti COSMO-SkyMed La costellazione COSMO-SkyMed è un sistema satellitare tra i più sofisticati al mondo, capace di operare sia di giorno che di notte e con la presenza di nuvole. Le antenne radar dei quattro satelliti riescono a scattare foto con dettagli fino a 40 cm. Fig. 8 - Il satellite COSMO-SkyMed4, lanciato in orbita il 5 novembre 2010 Attualmente per i quattro satelliti in funzione sono stati spesi 1,137 miliardi di euro, ma è già stato programmato il lancio in orbita di due ulteriori occhi elettronici per un investimento di 555 milioni di euro; le spese del progetto cadono sul Ministero della Difesa, sul Ministero delle Attività produttive e su quello dell'Istruzione e Ricerca. Il progetto si profila sempre più come uno strumento di uso militare. L'Italia ha stipulato un accordo di scambio militare con la Francia in cui i francesi cedono le foto dei loro satelliti acquisite nel visibile e infrarosso ottenendo in scambio le COSMO-Skymed italiane. I Ministeri della Difesa di entrambe le nazioni possono così usufruire di una gamma completa di dati (sia radar che ottici). 24 Le caratteristiche dei quattro satelliti sono elencate nella tabella. SATELLITE LANCIO IN ORBITA PERIODO DI VITA EQUIPAGGIAMENTO COSMO-SkyMed1 07/06/07 5 anni BANDA-X (9,6 Ghz) SAR COSMO-SkyMed2 09/12/07 5 anni BANDA-X (9,6 Ghz) SAR COSMO-SkyMed3 24/10/08 5 anni BANDA-X (9,6 Ghz) SAR COSMO-SkyMed4 05/11/10 5 anni BANDA-X (9,6 Ghz) SAR Il programma COSMO-Skymed si divide in una componente civile e una militare: -componente civile, gestita dall'Agenzia Spaziale Italiana, tutti i dati passano per il quartier generale di Telespazio in Abruzzo, per poi venire processati dal Centro di Geodesia Spaziale di Matera, che li rende disponibili a enti e privati. Le immagini a uso civile sono a bassa risoluzione, sempre superiore al metro. I dati della componente civile possono essere impiegati in caso di disastri naturali e ecologici, e sono stati utilizzati in occasione dei terremoti in Abruzzo, Haiti e Giappone, ma anche per lo studio dell'inquinamento in mare. Nel futuro prossimo i due nuovi satelliti saranno in grado di guardare parzialmente sotto la superficie topografica, aprendo nuove prospettive alla ricerca petrolifera ma anche agli studi archeologici. -componente militare, gestita dal CITS-RIS 7 della base militare di Pratica di Mare, è qui che arrivano i dati con la massima risoluzione. Il RIS è alle dipendenze dello Stato Maggiore della Difesa. I generali possono dirigere i satelliti su un obiettivo in qualunque punto del pianeta ogni sei ore (nel Mediterraneo il passaggio avviene ogni tre), il bersaglio viene spiato anche otto volte al giorno. Le immagini COSMO-SkyMed sono state utilizzate per sorvegliare l'area di Tripoli e i movimenti delle truppe di Gheddafi. Sono state mosse numerose critiche al progetto COSMO-SkyMed in quanto finora la costellazione, finanziata con denaro pubblico, è stata utilizzata principalmente per applicazioni militari. Le parole di Marco Airaghi, consigliere dell'ex Ministro La Russa, sono chiare: "COSMO-Skymed oggi può essere utilizzato nella sua funzione principe di supporto alle forze armate". 7 Centro Interforze Telerilevamento Satellitare-Reparto Informazioni e Sicurezza 25 CAPITOLO 3 - IL DELTA DEL PO: CARATTERISTICHE E RISCHI 3.1 I delta fluviali e il processo di sedimentazione Ciascun fiume ha un inizio e una fine, e può sfociare in grandi corpi idrici quali i laghi o il mare. Una volta giunta alla sua foce, la corrente di un fiume tende a estinguersi gradualmente in quanto si mescola con l'acqua circostante, solo i grandi fiumi della Terra come il Rio delle Amazzoni sono in grado di mantenere una certa identità per distanze di molti chilometri dalla costa (Press et al., 2006). Nel caso di corsi d'acqua di dimensioni più piccole che sfociano lungo una costa spazzata dalle onde, dove le acque del mare sono turbolente, la corrente fluviale ben presto scompare, poco oltre la foce. Una corrente fluviale che va smorzandosi subisce una progressiva diminuzione della sua capacità di trasporto, e quindi comincia a depositare i suoi materiali/sedimenti. Gran parte della superficie terrestre, inclusi i fondali oceanici, è coperta di sedimenti, la maggior parte dei quali deriva dallo smantellamento dei continenti. I sedimenti tipicamente trasportati da un corso d'acqua sono quelli clastici, ovvero frammenti rocciosi prodotti dalla degradazione meteorica e dalla erosione di rocce preesistenti. Le particelle clastiche possono essere classificate in base alle loro dimensioni: pietrisco e ghiaia (>2 mm), sabbia (2 mm-1/16 mm), limo (1/16 mm1/256 mm) e argilla (<1/256 mm). Quando una corrente fluviale comincia a rallentare non è più in grado di mantenere in sospensione le particelle più grandi e pesanti e così esse si depositano, se la corrente rallenta ulteriormente si depositano particelle più fini, e se la corrente si arresta definitivamente si depositano anche le particelle finissime. I detriti più grossolani, di norma sabbie, sono i primi a depositarsi presso la foce, mentre le particelle con granulometria più fine si depositano più al largo, seguite dai limi e, ancora più al largo, dalle argille. 26 3.2 Geologia storica del delta del Po Prima di entrare nel merito della Geologia dell'apparato deltizio del Po, è opportuno chiarire le varie relazioni tra le epoche geologiche. ERA PERIODO QUATERNARIO CENOZOICO TERZIARIO EPOCA MILIONI DI ANNI OLOCENE 0,01 PLEISTOCENE 1,8 PLIOCENE 5 MIOCENE 26 OLIGOCENE 37 EOCENE 53 PALEOCENE 65 Nel Pliocene la pianura Padana era ancora del tutto assente, e al suo posto vi era un immenso golfo, il Golfo Pliocenico Padano, che con le sue sponde bagnava buona parte dell'Italia Settentrionale. L'ampia insenatura marina bordava con le sue coste i rilievi alpini ed appenninici, vi era un mare profondo poche centinaia di metri, in cui si depositavano sabbie, limi e argille. Fig. 9 - Il panorama geologico dell'Italia settentrionale in epoca Pliocenica Durante le glaciazioni del Quaternario il fondo marino del Golfo Padano divenne più volte terra emersa. 27 L'assetto attuale della pianura Padana è il risultato dell’azione di due processi: • l'azione dei numerosi corsi d’acqua appenninici e alpini che hanno, in successivi tempi geologici, asportato e apportato sedimenti continentali al Golfo Padano; • il raggiungimento della massima estensione dei ghiacciai durante la glaciazione Würm; il successivo scioglimento dei ghiacci liberò una gran quantità d’acqua in tempi geologicamente brevi, in tal modo iniziò l’erosione dei grandi corpi morenici, e il trasporto dei materiali erosi verso valle dove cominciò la deposizione. Al termine dell'ultimo periodo glaciale, la cosiddetta glaciazione Würm (75000– 10000 anni fa), la linea di costa univa direttamente le Marche con il cuore della Dalmazia. Fig. 10 – La pianura padana durante l'ultimo periodo glaciale Durante il ritiro dei ghiacciai il mare tornò a conquistare il suo spazio, e le foci fluviali raggiunsero gradualmente il loro assetto attuale. Il delta del Po fu modificato per mano dell'uomo nel 1604, con il cosiddetto “Taglio di Porto Viro”, una colossale opera idraulica attuata dalla Serenissima Repubblica di Venezia, che salvò dall'interramento la laguna e sancì il passaggio dal delta rinascimentale al delta moderno. Il taglio di Porto Viro portò alla formazione di nuove isole abitabili sul delta grazie all'apporto dei sedimenti continentali. Se prima del 1600 il delta si espandeva ad un ritmo di circa 53 ha l'anno, dal 1604 al 1840 si passò a 135 ha l'anno e la formazioni di nuovi territori proseguì ulteriormente. 28 3.3 Geomorfologia del delta Basandosi sulla figura 11 la morfologia del delta del Po si può classificare come al limite tra un apparato deltizio di tipo lobato e uno di tipo cuspidato. TA COSTRUTTIVI DE L DE LTA TR DIS UTTI VI D. LOBATO D. ARCUATO D. CUSPIDATO D. DIGITATO ESTUARIO Fig. 11 – Classificazione morfodinamica dei delta (modificata da Ricci Lucchi, 1980) La superficie del delta del Po è interessata da una progressiva espansione, stimabile in circa 60 ha l'anno, dovuta al lento avanzamento verso Est delle foci dei suoi vari rami. Lo spostamento avviene grazie al progressivo deposito di materiale solido sul basso fondale del Mare Adriatico, che provoca il prolungamento verso mare dei canali distributori del delta. Grazie all'avanzamento del delta del Po, la Provincia di Rovigo risulta attualmente l'unico territorio italiano soggetto ad espansione territoriale, con la conseguente esigenza di aggiornare periodicamente i dati statistici relativi alla sua superficie. Oggi il Po alimenta un delta che si estende a mare per 25 km, su un arco meridiano di 90 km, occupando una superficie di 400 km² (Simeoni, 2004). L'apporto solido odierno di sedimenti verso i rami del delta è stimabile in 4,7 milioni di t/anno di materiale; tale apporto si è ridotto di un terzo rispetto alla prima metà del novecento, generando una preoccupante crisi regressiva della linea di costa. 29 Il sottosuolo del delta è formato da sedimenti alluvionali accumulati in poco più di un milione di anni, costituiti principalmente da sabbie, limi e argille: l'architettura deposizionale di tali sedimenti dipende dalle alterne fasi di progradazione 8 del fronte deltizio e di aggradazione dei depositi di tracimazione nella piana deltizia. Il delta giace quasi totalmente sotto il livello medio del mare, fatta eccezione per argini e canali; un profilo altimetrico del genere aumenta esponenzialmente l'esposizione alle mareggiate. 3.4 Erosione costiera e variazioni eustatiche Le ricerche di carattere interdisciplinare degli ultimi anni hanno messo in luce un fenomeno molto rischioso: la maggior parte delle aree costiere del pianeta (quasi l’80% di tutte le spiagge esistenti) è esposta in modo crescente all'erosione marina. Tale fenomeno è legato a varie cause, tra cui l'innalzamento del livello del mare (eustatismo) dovuto allo scioglimento dei ghiacciai, l’espansione termica delle masse oceaniche come conseguenza del cambiamento climatico in atto, la subsidenza e la pressione antropica. L’effetto antropico è in grado di produrre sull’erosione costiera effetti similari, se non addirittura superiori, ai movimenti del mare. Il rapporto stilato dall’IPCC 9 nel 2007 individua scenari nei quali l’innalzamento marino di questo secolo, per sole cause climatiche, potrà superare il mezzo metro rispetto al livello attuale. Le conseguenze di questa variazione di livello sugli ecosistemi e le popolazioni rivierasche sono facili da immaginare: basti pensare che in alcune aree un innalzamento delle acque di 1 cm può comportare l’arretramento della linea di riva fino a 1 m. La rilevanza del problema sul territorio nazionale è notevole: degli oltre 7500 km del litorale italiano, il 47% è rappresentato da coste alte e/o rocciose e il 53% da spiagge; di queste ultime il 42% è attualmente in erosione (Antonioli et al., 2007). 8 Processo sedimentario in cui la stratificazione si sviluppa lungo superfici inclinate rispetto all'orizzontale, i sedimenti si dispongono seguendo il senso di avanzamento del sistema deposizionale. 9 Intergovernmental Panel on Climate Change 30 L'estensione delle coste venete, interamente sabbiose, è di circa 140 km, dei quali il 18% è in erosione (25 km). Le coste nazionali risultano esposte a un minor rischio di eustatismo rispetto ad altre zone del pianeta, poiché l'attuale tasso di risalita eustatica dei mari italiani, pari a 1,05 mm/anno (Lambeck et al., 2004a), risulta essere minore rispetto a quello globale di 1,8 mm/anno (Lambeck et al., 2004b). 3.4.1 La subsidenza nel delta Il fenomeno di abbassamento della superficie topografica, la subsidenza, è dovuto a possibili variazioni dello stato tensionale presente all'interno del sottosuolo (Macini et al., 2008). La subsidenza assume particolare gravità nelle aree di piana alluvionale in cui l'altimetria è poco superiore o addirittura inferiore al livello medio del mare. La pianura padana è un bacino sedimentario subsidente incastrato tra le Alpi meridionali e l'Appennino, due catene ancora in parziale sollevamento. Nella pianura padana, alla subsidenza regionale di natura tettonica, si somma quella locale, che deriva dal costipamento dei terreni di recente deposizione. La subsidenza per costipamento, già di per sé più veloce di quella tettonica, è in certi casi drammaticamente accelerata dalle seguenti attività antropiche (Campana et al., 2006) -l'estrazione di metano e acque metanifere dai giacimenti quaternari, condotta tra gli anni trenta e cinquanta del secolo scorso: nel quinquennio 1954-1958 furono estratti circa 230 milioni di m³ all'anno di acqua salata e metano; tale estrazione ha creato danni per oltre 2 milioni di euro, provocando un abbassamento del suolo sino a un massimo di 4 m sotto il livello medio del mare; -il continuo sfruttamento delle risorse idriche sotterranee e gli estesi interventi di bonifica, che hanno ridotto drasticamente l'estensione delle aree paludose. La subsidenza nel delta e nell'Adriatico è ora rientrata entro valori quasi fisiologici (7-8 mm/anno), ben lontani dai 15-20 cm/anno degli anni cinquanta. 31 3.4.2 La risalita del cuneo salino Col termine cuneo salino si indica l'intrusione di acqua marina nei canali distributori di un delta. L'acqua marina scorre sul fondo degli alvei, poiché è salata e più pesante di quella dolce. Attualmente, lo sviluppo verso l'entroterra del cuneo salino è aumentato in modo tale da destare preoccupazione. Nel delta del Po, negli anni cinquanta-sessanta, il fenomeno si avvertiva a non più di 2-3 km dalla foce. Negli anni settanta-ottanta si ebbe piena consapevolezza della sua gravità, essendosi spinto circa 10 km verso l'interno. Più di recente, la presenza del cuneo salino è stata rilevata a 20 km dal mare, e la sua rapida progressione negli ultimi anni lo ha fatto diventare una concreta emergenza ambientale. Le cause di questo fenomeno, legate allo sfruttamento delle risorse idriche e a combinazioni di fenomeni naturali e antropici che interessano l'intero bacino idrografico padano, riguardano essenzialmente: -l'estrema riduzione delle portate di magra del Po, dovuta al numero crescente di derivazioni d'acqua a monte del delta e a un sempre minore rilascio idrico dai bacini artificiali; Tra le cause locali, si evidenziano i rapporti tra subsidenza ed eustatismo nei vari rami del delta. L'area di studio, il Po di Pila, risulta la più colpita in tutto il delta, con una risalita del cuneo >10 km in presenza di alta marea (dati da Alessandrini et al., 2008). FIUME PO, MASSIMA RISALITA DEL CUNEO SALINO Nome ramo delta Portata ripartita (m³/s) Alta marea (km) Bassa marea (km) Po della Pila 371 10,8 6,6 Po di Maistra 27 8,4 4,4 Po delle Tolle 80 7,7 5,9 Po di Goro 62 10,6 5,6 Po di Gnocca 110 6,9 4,4 32 3.5 Le aree protette del delta veneto Nell'ambito del Parco regionale del Delta del Po del Veneto, l'area di studio si colloca nel triangolo compreso tra la Foce del Po di Pila e la Foce del Po di Scirocco. 3.5.1 Ambienti del Po di Pila: lagune, spit, barene e scanni Le lagune sono specchi d'acqua lungo la costa in cui confluiscono sia acque marine salate, sia acque continentali dolci. Le lagune sono dominate dalle maree e parzialmente separate dal mare mediante un cordone litorale interrotto da bocche. Le lagune sono ambienti litoranei semichiusi, che presentano un idrodinamismo ridotto e di conseguenza una notevole capacità di sedimentazione. La Laguna Basson è l'ambiente lagunare di interesse per questa tesi. Gli spit sono terre create dal prolungamento dei sedimenti della battigia in un corpo idrico (mare o lago), che si formano comunemente in prossimità di foci e insenature, formando spesso una difesa naturale contro le inondazioni costiere. Gli spit sono solitamente costituiti da sabbie o ghiaie trasportate dal moto ondoso. Fig. 12 – Esempio di spit La formazione di questi apparati dipende dalla presenza di sedimenti e di onde dotate di energia sufficiente a trasportarli verso la bocca dell'insenatura (Carter, 1992). Le estremità di uno spit mostrano un profilo ricurvo (Figura 12), di norma verso l'insenatura; lo sviluppo di estremità ricurve è dovuto alla rifrazione delle onde. Le barene sono isolotti di fango-limoso, spesso sommersi dalle alte maree. Gli scanni sono isole o penisole formate dalla sabbia trasportata in mare dai fiumi e modellata dal vento e dal moto ondoso. Gli scanni proteggono le lagune dalla potenza del mare, consentendone la sopravvivenza. 33 3.5.2 Il sito ZPS IT 3270023 (delta del Po) Le Zone di Protezione Speciale, o ZPS, sono aree scelte lungo le rotte di migrazione degli uccelli selvatici, finalizzate al mantenimento ed alla creazione di habitat adatti alla conservazione e gestione delle popolazioni di volatili. Le ZPS sono state individuate dagli Stati membri dell'Unione Europea e, insieme alle Zone Speciali di Conservazione, vanno a formare la Rete Natura 2000. Tutti i piani o progetti che possano avere incidenze significative su tali aree devono essere vagliati alla procedura di Valutazione di Incidenza Ambientale. Il delta del Po, con le sue lagune, rappresenta la più vasta area umida d'Italia: il grande interesse ambientale di tale area giustifica l'istituzione di una ZPS per la sua salvaguardia. Il delta fa parte della più grande piana alluvionale dell’Europa Occidentale, in cui scorrono il Po ed affluenti, per un’area totale di circa 30.000 km². Il sito ZPS IT 3270023 (Province di Rovigo e Venezia) comprende tutto il delta del Po e la maggior parte del territorio del Parco Regionale Delta del Po. Le immagini COSMO-SkyMed coprono interamente la porzione orientale della ZPS. Il sito ha un’estensione di circa 25.013 ha ed una lunghezza di circa 482 km, è di grande importanza per la nidificazione, la migrazione e lo svernamento di uccelli acquatici. L'area presenta numerose vulnerabilità, come: l'eccessiva fruizione turisticoricreativa; la presenza della centrale termoelettrica di Porto Tolle; l'elevata pressione antropica (agricoltura, subsidenza, erosione); gli interventi di itticoltura intensiva. Le lagune della foce del Po sono collegate con il mare attraverso un numero limitato di bocche, che sono sottoposte all’azione tidale (delle maree) e ricevono continui apporti di acqua dolce. L’incontro tra le acque continentali e quelle marine determina le condizioni di grande instabilità che caratterizzano tutti gli ambienti salmastri. Si tratta a tutti gli effetti di un sistema lagunare con ampie estensioni, il cui livello oscilla in dipendenza della marea esterna. 34 I principali ambienti lagunari di nostro interesse sono la laguna Basson, lo Scano Boa, la laguna del Burcio e l'isola della Batteria. La Laguna Basson ha un’estensione di circa 300 ha e una profondità media di 0,80 m, confina a Nord con il Po di Pila, a Ovest con la Sacca del Canarin che la divide dalla Busa di Scirocco, a Sud con il mare e la Sacca del Canarin, a Est con il Mar Adriatico. La laguna ha forma triangolare, con i due cateti in corrispondenza dei corsi del fiume e l'ipotenusa costituita dallo Scano Boa che separa la laguna dal mare. ISOLA DELLA BATTERIA LAGUNA DEL BURCIO FOCE P O DI PILA TA BUSA DRIT LAGUNA BASSON SC A NO PUNTA DELLA MAISTRA BO A Fig. 13 – Carta dell'area di studio L'area comunica direttamente con il mare aperto attraverso una stretta bocca/canale a Sud che ne limita il ricambio idrico. Gli apporti di acqua dolce dal Po di Pila, diffusi e abbondanti, contribuiscono al deposito di materiali limosi nel bacino. La comunicazione della laguna con il mare si sta progressivamente spostando verso sud, questo fatto lascia prevedere una prossima chiusura del canale e quindi la fine della laguna in quanto tale (ARPAV, 2004). La laguna Basson fu utilizzata per anni come nursery naturale, cioè un'area per lo svezzamento delle vongole, in particolare della specie Tapes philippinarum. Oggi sono presenti, nei pressi dell’imboccatura, piccoli banchi naturali di molluschi che sono però soggetti a naturali morie, in relazione ad eventi climatici. 35 Lo Scano Boa rappresenta l'ultimo baluardo ad Ovest del delta, ed è costituito da una lunga lingua di spiaggia che separa la laguna Basson dal mare. Sullo Scano sono tuttora presenti alcuni tipici “casoni” in canna palustre, utilizzati per la coltivazione del riso e la pesca. Queste attività furono abbandonate per colpa della subsidenza. L'Isola della Batteria, collocata a Nord di Busa dritta, fu a lungo utilizzata come risaia e successivamente come valle da pesca, ma da alcuni anni risulta abbandonata e attualmente, a causa della subsidenza, del mancato uso delle idrovore e della presenza di varchi creatisi nell'arginatura circostante, si trova in diretto contatto con l'ambiente esterno. La profondità media dell'acqua è di circa 1 m. Attualmente l’isola è instabile per via dell’erosione dell’argine di separazione dalla Busa di Tramontana del Po di Pila. Nell'isola è presente un nucleo di edifici abbandonato e in parte allagato, l'isola è coperta da una vasta estensione di canneto. L'area è attualmente in gestione all’Azienda Regionale Veneto Agricoltura. La laguna del Burcio comunica ad Est con l'Adriatico, a Sud con il Po di Pila e ad Ovest con la Busa di Tramontana e Bonello Bacucco, ha un'estensione di 145 ha. Il Burcio è una laguna giovane, essa si è originata in seguito alla formazione e consolidamento di uno scanno o nell'area della punta nord della foce del Po di Venezia, tuttavia la morfologia del bacino è tutt'altro che statica. E in atto la chiusura della bocca nord per gli apporti terrigeni dalla Busa di Tramontana e del mare, e l’erosione dello scanno della punta nord della Busa Dritta. Ciò comporta una limitata entrata delle acque marine a Nord ed immissione delle acque dolci a Sud, sia in modo diretto, sia per esondazioni del Po di Pila. Il fondale della laguna è prevalentemente di tipo fangoso, la sabbia è presente solo in tracce: ciò indica che il movimento delle acque è primariamente orientato in direzione del mare e scarso in direzione opposta. La laguna si è progressivamente trasformata in un ambiente d'acqua dolce a causa delle piene. Le lagune del Burcio e del Basson, un tempo molto pescose, oggi risultano totalmente improduttive a causa della chiusura degli scanni litoranei come conseguenza del trasporto solido del Po degli ultimi anni. 36 3.5.3 L'evoluzione della Laguna Basson da fotogrammi I fotogrammi aerei storici costituiscono un importante patrimonio culturale e ambientale. Gli ambienti lagunari possono evolvere in modo repentino per via delle piene, delle mareggiate e della forza delle onde. L'evoluzione della laguna Basson e di Punta Maistra è stata ricostruita a partire dai fotogrammi scaricabili dal sito della Regione Veneto, alla voce Infrastruttura dei Dati Territoriali. I fotogrammi spaziano temporalmente dal 1983 al 2008. NOME DEL VOLO 1983 reven Padova Rovigo NOME DEL VOLO 1990 reven COMMITTENTE DATA DELLA RIPRESA SCALA FOTOGRAMMI QUOTA DI VOLO (mese, anno) (valore medio) (valore medio) Regione Veneto Maggio-Giugno 1983 1:17000 2600 m COMMITTENTE DATA DELLA RIPRESA SCALA FOTOGRAMMI QUOTA DI VOLO (mese, anno) (valore medio) (valore medio) Regione Veneto Marzo-Ottobre 1990 37 1:20000 3000 m NOME DEL VOLO 1999 reven Provincia Rovigo NOME DEL VOLO 2008 reven delta Po COMMITTENTE DATA DELLA RIPRESA SCALA FOTOGRAMMI QUOTA DI VOLO (mese, anno) (valore medio) (valore medio) Regione Veneto Aprile-Novembre 1999 1:16000 2500 m COMMITTENTE DATA DELLA RIPRESA SCALA FOTOGRAMMI QUOTA DI VOLO (mese, anno) (valore medio) (valore medio) Regione Veneto Agosto 2008 1:16000-1:8000 2500-1250 m Lo sviluppo di Punta Maistra è il risultato della sedimentazione continentale. Tale processo ha portato alla formazione di uno spit sabbioso che si è allungato nel corso degli anni. Le quote di Punta Maistra, ricavate dalla CTR 1:10000, sono tutte positive con picchi di 2,6 m. Se lo spit dovesse continuare ad accrescersi verso Ovest, la bocca di Punta Maistra potrebbe chiudersi definitivamente. 38 39 CAPITOLO 4 - PROCESSAMENTO DELLE IMMAGINI RADAR 4.1 Le immagini COSMO-Skymed Nella tabella seguente sono elencate le 6 immagini a disposizione in ambito tesi. L'analisi multitemporale interessa le sole date evidenziate. DATA IMMAGINE ORA SATELLITE CSKS RISOLUZIONE 1 RISOLUZIONE 2 28/02/10 17:25 COSMO-Skymed 2 0,5m (originale) 2,5m (elaborata) 01/03/10 04:03 COSMO-Skymed 3 0,5m (originale) 2,5m (elaborata) 07/03/10 05:21 COSMO-Skymed 1 0,5 m (originale) 2,5 m (elaborata) 08/03/10 18:13 COSMO-Skymed 2 0,5 m (originale) 2,5 m (elaborata) 09/03/10 05:09 COSMO-Skymed 2 0,5 m (originale) 2,5 m (elaborata) 15/03/10 05:21 COSMO-Skymed 2 0,5 m (originale) 2,5 m (elaborata) I dati, frutto di una convenzione tra l'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) ed il Dipartimento di Protezione Civile, mi sono stati consegnati dal dott. Andrea Spisni (ARPA Emilia-Romagna, laboratorio di Telerilevamento). Le immagini distribuite da ASI 10 sono prodotti L1A (Single-look Complex Slant) in modalità Stripmap. Il dato originale aveva risoluzione geometrica di 0,5 m, che successivamente in fase di elaborazione è stata portata a 2,5 m per limitare gli effetti del rumore di fondo. Le modifiche sono state effettuate con il software NEXT ESA SAR Toolbox. DATO RAW 0,5m DATO PROCESSATO 2,5m L'uso di immagini radar si è rivelato fondamentale anche a causa delle diffuse perturbazioni che hanno caratterizzato la regione nel mese di Marzo, le immagini scattate nel Visibile sarebbero state inutilizzabili, vista la totale copertura nuvolosa. 10 http://www.cosmo-skymed.it/en/index.htm 40 4.2 Situazione meteorologica marzo 2010 Nella prima decade di marzo l’Europa centro occidentale è stata interessata da un’irruzione di aria fredda di origine russo siberiana che ha portato diffuse nevicate su tutta la Francia meridionale, Spagna settentrionale e l'Italia centro settentrionale. Tale condizione di bassa pressione ha colpito anche il delta del Po, specialmente nelle giornate del 9-10 marzo, in cui vi sono state violente mareggiate. La mareggiata è un fenomeno ciclico del mare, che si realizza quando i venti che soffiano sul mare spingono le sue acque verso la riva. Dove la profondità del mare si riduce si viene a creare un'onda che risponde alle leggi fisiche per le quali l'altezza dell'onda è inversamente proporzionale alla profondità. Nel caso di coste basse con fondale sabbioso, si avranno onde di grandi dimensioni in prossimità della riva. Gli effetti di una mareggiata sulla costa possono essere vari, tra cui allagamenti, erosione costiera e danni alle infrastrutture. Il vento è il risultato di moti convettivi (verticali) e advettivi (orizzontali) di masse d'aria nell'atmosfera. Fig. 14 - La rosa dei venti Tipici dell'Adriatico settentrionale sono la bora/grecale (vento gelido che soffia da ENE) e il libeccio (vento caldo che soffia da SO). In Telerilevamento il dato meteorologico risulta fondamentale, poiché può essere 41 utile ai fini della comprensione dei fenomeni visibili in un'immagine. I dati meteorologici impiegati in questa tesi sono quelli forniti dalla stazione agrometeorologica di Pradon Porto Tolle (ARPAV). Stazione Pradon Porto Tolle Rovigo 44° 55' 06"N ; 12° 22' 11"E -3 m s.l.m. Fig. 15 - Distanza tra la stazione meteo e il delta (11km), immagine tratta da Google Earth Le righe colorate indicano le date/ore in cui sono state riprese le 3 immagini radar. Data, ora Direzione vento Direzione vento Velocità vento prevalente prevalente 10 m a 10 m * a 10 m ** media aritm. Pressione atmosferica Temperatura aria a2m (ora solare) (gradi) (SETTORE) media (m/s) media (mbar) media (°C) Valore Valore Valore Valore Valore Valore 01/03/2010, 03 247,5 OSO 2,4 1008,4 6,8 01/03/2010, 04 247,5 OSO 2,1 1008,7 6,2 01/03/2010, 05 270 O 1,6 1008,9 5,4 09/03/2010, 04 45 NE 2 1012,3 5,4 09/03/2010, 05 45 NE 2,1 1011,7 6 09/03/2010, 06 45 NE 2,2 1011,3 6,9 15/03/2010, 04 22,5 NNE 1,9 1018 3,6 15/03/2010, 05 22,5 NNE 2,1 1018,2 4,4 15/03/2010, 06 22,5 NNE 1,5 1018,6 4 *La direzione vento in gradi è quella di provenienza del vento con: 0°= N, 90°= E, 180°= S, 270°= O. **La direzione vento in settori è quella di provenienza del vento, il settore è ampio 22.5° con asse nella direzione indicata. 42 La direzione e le intensità dei venti sono state cartografate tramite il software PRAGA (PRogramma di Analisi e Gestione dei dati Agrometeorologici), sviluppato dal SIMC 11 dell'ARPA Emilia-Romagna. Il software può generare diversi tipi di cartografie, le mappe seguenti sono state create tramite la sovrapposizione di un DEM, nel nostro caso il DEM (Digital Elevation Model) del Nord-Italia, con i dati meteorologici delle più vicine stazioni meteo. Le mappe si riferiscono alle ore delle tre immagini radar. I punti di origine dei vettori corrispondono alle coordinate delle stazioni meteo, la stazione più vicina al delta è quella di Pradon-Porto Tolle descritta in precedenza. La lunghezza di ciascun vettore è direttamente proporzionale all'intensità del vento associato ad esso. La maggiore intensità si riscontra nella mappa del 09/03/2010 (giorno della mareggiata), la minore intensità invece in quella del 15/03/2010. Vettori e intensità del vento (m/s): 01/03/2010, ore 4 11 Servizio Idro-Meteo-Clima 43 Vettori e intensità del vento (m/s): 09/03/2010, ore 5 Vettori e intensità del vento (m/s): 15/03/2010, ore 5 44 4.3 Situazione mareografica I dati mareografici sono uno strumento molto utile per le analisi costiere; ciò che emerge dalle acque in un'immagine può essere spiegato proprio tramite tali dati. Il mareografo è uno strumento che registra le variazioni del livello del mare e ne stabilisce il valore medio, di norma orario, per un determinato luogo e periodo. La rete mareografica nazionale è formata da 33 stazioni di misura distribuite uniformemente sul territorio nazionale e posizionate prevalentemente all'interno delle strutture portuali. La situazione mareografica del delta è stata rilevata tramite i dati del mareografo di Punta Salute, appartenente alla rete mareografica nazionale. Punta Salute (Canale Giudecca) Venezia 45° 25' 50.41"N ; 12° 20' 10.99"E 1.81 m s.l.m. I mareografi di Punta Salute e di Ravenna distano entrambi circa 54 km dal delta. Data, ora Livello marea Punta Salute (ora solare) (cm) 01/03/2010, 03 58 01/03/2010, 04 38 01/03/2010, 05 27 09/03/2010, 04 46 09/03/2010, 05 45 09/03/2010, 06 45 15/03/2010, 04 -5 15/03/2010, 05 -7 15/03/2010, 06 5 Alle ore 5 del 15/03/2010 la stazione di Punta Salute ha registrato il picco della bassa marea, che ha portato all'affioramento delle nursery e di cordoni litorali (Allegato 8, pag. 66), che risultavano sommersi nelle precedenti immagini radar. 45 4.4 Formato dei file elaborati 4.4.1 Shapefile e il modello vettoriale Il formato utilizzato per tracciare i vettoriali della linea di costa è lo shapefile, sviluppato e regolato da ESRI 12. Lo shapefile descrive spazialmente le primitive geometriche: -punto, costituito da una singola coppia di coordinate; -polilinea, il punto iniziale e quello terminale sono chiamati estremi; -poligono, il punto iniziale e quello terminale coincidono e chiudono il poligono. La struttura vettoriale identifica geometricamente ciascun punto tramite delle coordinate in 2, 3 o 4 dimensioni, nello specifico: -2 dimensioni (x, y), riga e colonna, o latitudine ϕ e longitudine λ; -3 dimensioni (x, y, z), con l'aggiunta di un valore di quota; -4 dimensioni (x, y, z, m), con l'aggiunta di un valore ulteriore che può descrivere il tempo o altre grandezze fisiche. Il formato è tra i più diffusi nel campo dell'informazione geografica digitale. Spesso con il termine shapefile si identifica il solo file *.shp, tuttavia da solo è incompleto poiché interpretazione ed utilizzo dipendono da altri due file obbligatori: FORMATO FILE CARATTERISTICHE *.shp File che conserva le geometrie, obbligatorio *.shx File che conserva l'indice delle geometrie, tiene conto delle relazioni che intercorrono tra gli oggetti, obbligatorio *.dbf File che conserva il database degli attributi nel formato dBase IV, obbligatorio Oltre ai citati obbligatori vi è una serie di dati opzionali che conservano indici e dati accessori, tra cui: *.sbn, *.sbx Indici spaziali *.prj File che contiene l'informazione sul sistema di coordinate *.shp.xml Metadato dello shapefile 12 ESRI, azienda statunitense nata nel 1969, distribuisce il software ArcMap. 46 4.4.2 Criteri per la vettorializzazione della linea di costa La vettorializzazione della linea di costa è stata realizzata tramite fotointerpretazione, applicando due criteri: 1. si considera come linea di costa le sole aree emerse; 2. le aree che risultano sommerse o spazzate dalle onde non sono vettorializzate. I due criteri appena descritti sono concretizzati nella tabella. Nel primo caso (Allegato 4, pag. 62) Punta della Maistra è interamente emersa. Lo shapefile ricalca i confini del corpo sedimentario. Nel secondo caso (Allegato 6, pag. 64) l'area risulta quasi interamente sommersa (le linee orizzontali corrispondono alle onde). AREA EMERSA AREA SOMMERSA PUNTA MAISTRA, 01/03/2010, 17:25 PUNTA MAISTRA, 09/03/2010, 05:09 Gli shapefile prodotti sono poligoni inquadrati nel sistema geodetico WGS84, proiezione UTM, zona 33T 13. Le immagini COSMO-SkyMed rientrano nel medesimo sistema di riferimento. 13 La proiezione UTM divide la Terra in 60 fusi di 6° di longitudine, a partire dall'antimeridiano di Greenwich in direzione Est, le fasce di ampiezza della latitudine sono di 8°. Dall'intersezione tra fusi e fasce si hanno delle zone, e i confini italiani rientrano nelle zone 32T, 33T, 32S, 33S, fatta eccezione per la penisola salentina che si protende nelle zone 34T e 34S. 47 4.5 Risultati della ricerca 4.5.1 Estensioni a confronto Le estensioni degli shapefile, divise per data ed espresse in ettari (ha), sono SHAPEFILE Carattere 01/03/2010 09/03/2010 15/03/2010 Numero poligoni 73 72 102 Estensione minima 0,008 0,0007 0,0006 Estensione massima 141,4 51,1 152,1 Media 4,6 2,9 3,7 Estensione totale 338,5 209,1 386,5 Il grafico seguente illustra le differenti estensioni degli shapefile. ESTENSIONI (in ha) IMMAGINI 01/03/10 09/03/10 15/03/10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 VALORI La seguente tabella mostra le differenze colonna-riga tra le linee di costa. DIFFERENZA COLONNA-RIGA (in ha) DATE 01/03/2010 09/03/2010 15/03/2010 20100301 - -129,4 48 20100309 129,4 - 177,4 20100315 -48 -177,4 - Infine la tabella con le variazioni percentuali colonna-riga. VARIAZIONE PERCENTUALE COLONNA-RIGA (in %) DATE 01/03/2010 09/03/2010 15/03/2010 01/03/10 - -38% 14% 09/03/10 62% - 85% 15/03/10 -12% -46% - 48 4.5.2 Analisi multitemporale erosione-deposizione L'analisi multitemporale delle immagini COSMO-SkyMed ha permesso di generare una carta tematica, in cui sono rappresentate le aree che sono state interessate da fenomeni di erosione e deposizione. L'analisi è partita dall'unione dei vettoriali dello 01/03 e 15/03/2010 in un unico layer (livello informativo). Nella nuova tabella degli attributi, di cui un estratto è visibile sotto, sono state inserite le seguenti colonne: -Erosione, l'insieme dei poligoni presenti solamente in data 01/03, tali aree hanno come codice il numero 1; -Deposizione, l'insieme dei poligoni presenti solo in data 15/03, codice 2; -Ero_Dep, l'unione delle due colonne precedenti in un'unica colonna; -FID_01 e FID_15. FID Shape Erosione Deposizione Ero_Dep FID_01 FID_15 67 Polygon 1 0 1 70 -1 68 Polygon 1 0 1 71 -1 69 Polygon 1 0 1 72 -1 70 Polygon 0 2 2 -1 0 71 Polygon 0 2 2 -1 1 72 Polygon 0 2 2 -1 2 73 Polygon 0 2 2 -1 3 74 Polygon 0 2 2 -1 4 75 Polygon 0 2 2 -1 5 Figura 13 - Tabella degli attributi del GIS Riassumendo si può stabilire che: se la colonna FID_01 (01/03/2010) contiene -1, vuol dire che il poligono non era presente in quella data, ma nella successiva (15/03/2010), quindi è un deposito (Ero_Dep:2). 49 Se invece la colonna FID_15 (15/03/2010) contiene -1, vuol dire che il poligono non era presente in quella data, ma nella precedente, quindi è una erosione (Ero_Dep: 1). La carta tematica seguente rappresenta l'analisi erosione-deposizione: le aree erose sono di colore rosso, le aree con deposizione grigie. La deposizione è distribuita in modo omogeneo ed è statisticamente maggiore dell'erosione. ¯ 50 51 CAPITOLO 5 - CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI L'obiettivo prefissato di questa tesi è stato lo studio dell'evoluzione della linea di costa del delta del Po in seguito alla mareggiata del 9-10 marzo 2010. Le immagini dei satelliti COSMO-SKyMed sono lo strumento impiegato per l'analisi multitemporale. L'intervallo temporale di rivista di poche ore, unito all'elevata risoluzione geometrica e la capacità di “vedere” attraverso nubi e nelle ore notturne, rende la tecnica SAR uno strumento particolarmente adatto per la gestione delle emergenze ambientali e per le operazioni di aggiornamento cartografico speditivo. Il lavoro di tesi è riassunto nel seguente diagramma di flusso: ACQUISIZIONE DATI COSMO-SkyMed 3 COSMO-SkyMed 2 PROCESSAMENTO E DESPECKLING TRAMITE SOFTWARE NEXT SAR SCELTA CRITERI VETTORIALIZZAZIONE LINEA DI COSTA ANALISI MULTEMPORALE E GENERAZIONE MAPPE Il dato SAR, acquisito tipicamente in C o X, ha il limite che richiede software specifici di elaborazione, spesso molto costosi. Presenta interpretazione complessa in quanto i differenti oggetti appaiono diversi in relazione alla loro composizione, 52 geometria e dimensione legata alla banda di acquisizione. I risultati ottenuti indicano che: -l'area di studio, in data 01/03/2010 e con condizioni mareografiche e meteorologiche stabili, aveva un'estensione di 340 ha (Allegato 4, pag. 62)). -l'estensione minima del 09/03 (210 ha) è dovuta alla mareggiata che ha sommerso parte del litorale(Allegato 6, pag. 64). -l'estensione massima del 15/03 (386 ha) è giustificata dalla bassa marea (Allegato 8, pag. 66). Al termine del lavoro si possono esprimere alcune considerazioni di carattere generale. Dall'esperienza ottenuta si può affermare che la vettorializzazione manuale tramite fotointerpretazione, se eseguita seguendo specifici criteri (4.4.2 Criteri per la vettorializzazione della linea di costa) è una tecnica relativamente semplice, affidabile ed economica su piccole aree. L’aspetto negativo che va evidenziato è la quantità di tempo richiesta da questa operazione. Inoltre, al contrario di altre tecniche come quella automatica, in cui il tempo totale di lavoro viene suddiviso in più procedimenti, nella metodologia manuale l’utente è chiamato ad eseguire le stesse operazioni per molto tempo, portando inevitabilmente a cali di attenzione e di conseguenza ad errori. L'errore umano rimane quindi una variabile da non sottovalutare, ma allo stesso tempo bisogna riconoscere come anche le procedure automatiche siano affette da errori. Un confronto tra le immagini COSMO-SkyMed e quelle acquisite da un satellite che opera nel VNIR, ad esempio WorldView-2, sarebbe stato utile, ma viste le condizioni meteo avverse e tempi di rivisita differenti ciò non è stato possibile. 53 Ringraziamenti L'intero lavoro di tesi è stato un'esperienza estremamente formativa ed interessante. Ringrazio Marco Dianin (Centro Meteorologico di Teolo) per i dati meteorologici della stazione di Pradon-Porto Tolle. Ringrazio il Prof. Alberto Landuzzi (DICAM, UNIBO) per la correzione della tesi e l'aiuto datomi. Ringrazio il Prof. Giovanni Gabbianelli per il supporto fornito durante l'intero periodo di lavoro. Ringrazio il Dott. Andrea Spisni per avermi suggerito l'argomento del lavoro di tesi e per la costante disponibilità nel corso dei mesi. Ringrazio la mia famiglia e tutti gli amici che mi hanno accompagnato in questi meravigliosi 3 anni di università. 54 BIBLIOGRAFIA Alesheikh A, Ghorbanali A, Nouri N. Coastline change detection using remote sensing. International Journal of Environmental Science and Technology, 4. 2007. pp. 61-6. Alessandrini C, Pecora S, Casicci L. La risalita del cuneo salino nel delta del Po, impatto e monitoraggio. Rivista ARPA n.3. 2008. Antonioli F, Silenzi S. Variazioni relative del livello del mare e vulnerabilità delle pianure costiere italiane. Quaderni della Società Geologica Italiana, No.2. 2007. ARPA Regione Veneto-Osservatorio acque di transizione. A proposito di...Acque di transizione. 2004. ARPA Servizio Idro-Meteo-Clima. Relazione nevicate e mareggiate del 9 e 10 marzo 2010. 2010. Brivio P, Lechi G, Zilioli E. Principi e metodi di telerilevamento. Cittàstudi. 2006. Campana R, Cimarosto S, Galuppo A, Schiavon E, Selvi G, Tosoni D, Toffoletto F, Zanco A. Misure altimetriche integrate, a terra e satellitari, per lo studio della subsidenza nel delta del Po. 2006. Carter RWG. Coastal environments. Edward Arnold, London. 1992. Ferretti A, Monti Guarnieri A, Rocca F. Studi sul Radar ad Apertura Sintetica (SAR). Dipartimento di Elettronica ed Informazione, Politecnico di Milano. 1998. 55 Franklin S. Remote sensing for sustainable forest management. CRC Press. 2001. Lambeck K, Antonioli F. Sea level change along the Italian coast for the past 10,000 yrs. Quaternary Science Reviews, 23. 2004. 1567-98. Lambeck K, Anzidei M, Antonioli F, Benini A, Esposito A. Sea level in Roman time in the Central Mediterranean and implications for modern sea level rise. Earth and Planetary Science Letter, 224. 2004. pp 563-75. Lillesand T, Kiefer R, Chipman J. Remote sensing and image interpretation, 6th. Ed. John Wiley and Sons. 2008. Macini P, Mesini E. Subsidenza: le cause, gli effetti e un metodo di studio. Rivista ARPA, Vol. Suppl. n° 1 gen-feb. 2008. pp. 6-7. Press F, Siever R, Grotzinger J, Jordan T. Capire la Terra. Zanichelli. 2006. p. 328. Rigutti A. Meteorologia. Giunti Editore; 2007. Ruffo G. Fisica: lezioni e problemi. Zanichelli. 2010. Simeoni U. Tavola 31: Il delta del Po. Atlante dei tipi geografici. IGMI. 2004. pp. 201-2. 56 57 ALLEGATI INDICE DELLE CARTE Allegato 1: carta geologica del delta del Po.................................................................59 Allegato 2: inquadramento geologico regionale.........................................................60 Allegato 3: linea di costa 01/03/2010..........................................................................61 Allegato 4: Overlay vettoriale-immagine 01/03/2010.................................................62 Allegato 5: linea di costa 09/03/2010..........................................................................63 Allegato 6: Overlay vettoriale-immagine 09/03/2010.................................................64 Allegato 7: linea di costa 15/03/2010..........................................................................65 Allegato 8: Overlay vettoriale-immagine 15/03/2010.................................................66 Allegato 9: Overlay vettoriali 01/03/2010-15/03/2010...............................................67 58 Allegato 1: carta geologica del delta del Po Carta geologica d'Italia alla scala 1:100000-Foglio 65 Comacchio Le litologie di superficie principali sono sabbie fluviali o di elaborazione litorale. 59 Allegato 2: inquadramento geologico regionale Carta geologica d'Italia alla scala 1:50000-Foglio 187 Codigoro 60 Allegato 3: linea di costa 01/03/2010 ISOLA DELLA BATTERIA LAGUNA DEL BURCIO DI PILA FOCE PO A DRITT A S U B LAGUNA BASSON SC AN O BO A PUNTA DELLA MAISTRA ¯ Il delta alle ore 04:03 aveva una estensione di 339ha. L'area risulta completamente emersa, non vi sono particolari fenomeni di marea o di maltempo da segnalare. Lo Scano Boa ha una estensione di 141ha. 61 Allegato 4: Overlay vettoriale-immagine 01/03/2010 62 Allegato 5: linea di costa 09/03/2010 ISOLA DELLA BATTERIA LAGUNA DEL BURCIO DI PILA O P E C O F RITTA D A S BU LAGUNA BASSON SC AN O BO A PUNTA DELLA MAISTRA ¯ Il delta, alle ore 05:09, aveva una estensione di 209ha (la minore tra le 3 registrate). L'area è stata sommersa da una violenta mareggiata, descritta in dettaglio nel par. 4.3. Lo Scano Boa risulta invaso dalle acque marine. 63 Allegato 6: Overlay vettoriale-immagine 09/03/2010 Nell'immagine è visibile la mareggiata che ha sommerso quasi completamente Punta Maistra e lo Scano Boa. 64 Allegato 7: linea di costa 15/03/2010 ISOLA DELLA BATTERIA LAGUNA DEL BURCIO DI PILA FOCE PO A DRITT A S U B LAGUNA BASSON SC AN O BO A PUNTA DELLA MAISTRA ¯ Il delta alle ore 05:21 aveva una estensione di 386ha. Siamo in fase di bassa marea, che ha fatto affiorare alcune nursery (strutture in disuso per lo svezzamento delle vongole) e cordoni sabbiosi nella Laguna Basson. Lo Scano Boa ha un'estensione di 152ha. Le nursery e i cordoni in affioramento sono visibili nella Laguna Basson (a Sud). 65 Allegato 8: Overlay vettoriale-immagine 15/03/2010 Nursery 1 Nursery 2 Nursery 3 Figura 14 – Localizzazione delle nursery di Tapes Philippanarum nella Laguna Basson (carta modificata dalla Carta ittica di Rovigo, p.35) 66 Allegato 9: Overlay vettoriali 01/03/2010-15/03/2010 ISOLA DELLA BATTERIA LAGUNA DEL BURCIO DI FOCE PO PILA A DRITT A S U B LAGUNA BASSON SC AN O BO A PUNTA DELLA MAISTRA ¯ La linea di costa di colore celeste si riferisce al 01/03/2010, quella di colore verde al 15/03/2010. 67 "Dichiaro con la presente che il lavoro di tesi è stato da me personalmente redatto sulla base di mie proprie ricerche e che ho segnalato puntualmente in nota e in bibliografia le fonti, ossia le riprese letterarie dei testi critici, nonché qualsiasi ripresa da pensiero altrui." 68