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La tutela del territorio passa anche dal monitoraggio satellitare

Il monitoraggio satellitare può rappresentare uno strumento particolarmente efficace per la tutela e la salvaguardia dell’ambiente. Edoardo Carlesi, Machine Learning Specialist di TopNetwork, spiega perché.

Pubblicato il 05 Giu 2023

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La “tutela del territorio” si occupa della prevenzione e del contrasto agli effetti del cambiamento climatico, con particolare riguardo al dissesto idrogeologico, e della salvaguardia delle aree verdi, del suolo, e delle risorse idriche. L’Italia è un Paese tanto bello quanto fragile con un inestimabile patrimonio naturale e culturale da custodire che tuttavia, da un lato, è particolarmente esposto a rischi climatici e ambientali, dovuti alla sua configurazione geografica, e dall’altro, è stato oggetto di abusi e di una mancata prevenzione che ne hanno caratterizzato la storia recente. Ridurre questi rischi e aumentare la resilienza del Paese diviene dunque prioritario.

“Le moderne tecniche di monitoraggio, incluse quelle satellitari, possono rappresentare strumenti particolarmente efficaci per la tutela del territorio. I meccanismi di osservazione satellitare e le applicazioni di sensoristica in situ e da remoto, consentono di raccogliere dati a livello territoriale e monitorarne lo stato e l’esposizione agli effetti dei cambiamenti climatici e alle azioni antropiche”, afferma Edoardo Carlesi, Machine Learning Specialist di TopNetwork , società specializzata nella fornitura di servizi e soluzioni di Consulenza Informatica, System Integration e Application Management.

Il ruolo fondamentale del monitoraggio satellitare

La tutela territoriale, intesa come risorsa per il Paese, è stata inserita anche nel Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR). La Componente 4 della Missione 2 del PNRR, “Tutela del territorio e della risorsa idrica” si prefigge di mettere in campo le azioni necessarie per rendere il Paese più resiliente agli effetti dei cambiamenti climatici, proteggendo la natura e le biodiversità. Per il raggiungimento di questi obiettivi – si legge nella descrizione della Missione – sarà fondamentale dotare l’Italia di un sistema avanzato ed integrato di monitoraggio e previsione, facendo leva sulle soluzioni più avanzate di sensoristica, dati – inclusi quelli satellitari – e di elaborazione analitica, per identificare tempestivamente i possibili rischi, i relativi impatti sui sistemi (naturali e di infrastrutture), e definire conseguentemente le risposte ottimali. “Il telerilevamento satellitare è una delle principali conquiste tecnologiche degli ultimi decenni. Grazie alle immagini satellitari è possibile disporre di serie temporali di dati, particolarmente dense, su vaste aree geografiche del pianeta, utilizzabili per svariati campi di applicazione nell’ambito del monitoraggio del territorio e dalla sua classificazione. Una operazione che si concretizza anche nell’identificazione delle aree verdi, dei boschi e delle foreste, e di quelle urbane, che abilita la determinazione del rischio incendio e dello stato di salute del verde e del terreno, e permette lo studio evolutivo dei fenomeni di disboscamento, di edilizia abusiva o della riduzione delle aree verdi a seguito dello sviluppo di incendi”, spiega Carlesi.

Come funziona il monitoraggio satellitare

Ci sono diverse categorie di dati satellitari, che si differenziano in base alla tecnologia e alla strumentazione di acquisizione delle immagini di cui sono provvisti i satelliti che orbitano nello spazio. “Nell’ambito dei dati acquisiti con sensori di tipo “passivo” che consentono di scattare una foto nel campo del visibile o dell’infrarosso, è possibile utilizzare, ai fini del monitoraggio, i dataset di immagini satellitari delle missioni Copernicus Sentinel-2 e Sentinel-3. Copernicus è il programma europeo di osservazione della Terra, coordinato dalla Commissione Europea con la compartecipazione dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA). I dati di queste due missioni, scaricabili gratuitamente dall’apposito portale dell’ESA, previa registrazione, consentono di mappare la superficie marina e terrestre. Le immagini multispettrali, elaborate mediante algoritmi, arricchiti all’occorrenza anche di Intelligenza Artificiale e di Deep Learning, opportunamente addestrati, consentono di ricavare diversi indicatori, che variano in funzione dello specifico problema da analizzare, sulla base dei quali studiare differenti fenomeni, in modo flessibile. Uno degli indicatori che viene più spesso utilizzato, ad esempio, è quello relativo all’umidità del terreno, che consente di determinarne il grado di saturazione o di secchezza e di valutare la propensione del territorio analizzato all’allagamento piuttosto che all’incendio”, spiega Carlesi.

Il monitoraggio satellitare diventa quindi uno strumento fondamentale per la tutela e la salvaguardia del territorio. “Rispetto ai metodi tradizionali, che prevedono l’uso di sensori a terra o il controllo sul posto, il vantaggio fornito dalle immagini satellitari è quello di poter monitorare anche zone remote e difficilmente accessibili, come alcune aree montuose o boschive”, afferma Carlesi. “Inoltre, grazie all’integrazione dei dati satellitari con quelli rilevati dalle stazioni meteo, dai droni  e dai sensori sul campo, che consentono un monitoraggio in real time, è possibile ottenere delle informazioni molto puntuali e precise e generare degli indici di rischio. Ad esempio, nel caso di incendi, le immagini satellitari possono essere utilizzate per la delimitazione delle aree incendiate e per l’individuazione dei punti più critici oppure per generare delle mappe di rischio territoriale. Uno dei progetti su cui stiamo lavorando riguarda la generazione degli indici di rischio di incendio su alcune aree della Sicilia, per i quali utilizziamo una combinazione di dati satellitari di varia natura, nello specifico delle missioni Sentinel-2 e 3, e di dati acquisiti sul campo mediante sensori di umidità e antincendio. Il rischio di incendio, infatti, è legato ad alcune variabili, quali la temperatura, l’umidità e la secchezza del terreno, i venti, la presenza di boschi e foreste e a tutta una serie di informazioni reperibili sia dalle stazioni meteo che dalle immagini satellitari”, spiega Carlesi.

Un altro indicatore particolarmente efficace è quello relativo allo stato di salute del verde. “La vegetazione – continua Carlesi – assorbe e riemette in percentuali differenti la radiazione solare in corrispondenza di diversi intervalli di frequenza e lunghezze d’onda. Le immagini nella banda dell’infrarosso permettono di identificare bene la clorofilla delle piante, grazie alla quale è possibile fotografare lo stato delle piante, risultando un ottimo indicatore per la valutazione dello stato di secchezza o lo stress idrico.

Grazie a questi indicatori riusciamo a monitorare anche le aree agricole , fornendo all’utente finale informazioni non solo sui limiti e l’estensione delle aree ma anche sugli indici di vegetazione con i quali valutare lo stato di salute delle colture da remoto”.

Le analisi di tipo previsionale

Oltre ad un’analisi di tipo statico, acquisendo lo storico dei dati relativi ad un determinato territorio, è possibile eseguire anche delle analisi di tipo previsionale che consentono di ricostruire l’evoluzione dei fenomeni in osservazione e di individuare dei trend che vengono utilizzati per un’analisi predittiva e la determinazione di scenari futuri. “Rimanendo in tema di prevenzione incendi, acquisita una serie storica di immagini relative ad un determinato territorio, vengono analizzate immagini pre e post-incendio, mediante algoritmi di AI e reti neurali per la predizione di serie storiche e vengono create delle correlazioni tra le condizioni di base per lo sviluppo di un incendio da cui si estraggono i parametri fondamentali per determinare con precisione i possibili rischi di incendio. Disponendo delle serie temporali e processando le immagini, si possono quindi studiare le variazioni sul territorio e quindi monitorare fenomeni di disboscamento, di edilizia abusiva o la riduzione delle aree verdi a seguito dello sviluppo di incendi, ottenendo in tempo reale un’analisi dei trend”, dichiara Carlesi. “Basandoci sullo storico delle immagini dal 2016 ad oggi, nell’ambito di un progetto finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico finalizzato all’analisi del verde e delle zone urbane su tutto il territorio italiano, abbiamo sviluppato dei sistemi di intelligenza artificiale che sono in grado di identificare in una foto satellitare l’estensione delle aree urbane e delle foreste e di ricostruirne gli andamenti e i trend di sviluppo nell’arco degli anni, fornendo uno strumento utile alle Amministrazioni locali del territorio”, aggiunge Carlesi.

Insieme ai dati acquisiti con sensori passivi, l’ESA fornisce anche quelli acquisiti con sensori “attivi”, ottenuti tramite la riflessione sulla superficie della terra delle onde elettromagnetiche emesse da un radar SAR (Synthetic Aperture Radar) ad apertura sintetica montato a bordo del satellite. Grazie alle immagini SAR è possibile studiare le caratteristiche del terreno, del ghiaccio e della neve, e valutare i loro cambiamenti nel tempo e quindi monitorare fenomeni legati al dissesto idrogeologico, come le frane, le valanghe, lo scorrimento dei ghiacci, oppure in ambito urbanistico, gli abbassamenti e i crolli degli edifici. “Mentre il vantaggio del sistema passivo è la restituzione delle informazioni sui colori e sull’infrarosso – dichiara Carlesi – quello attivo consente livelli di precisione più elevati, con una detection degli spostamenti della caratteristica osservata dell’ordine dei centimetri e, in quelli più avanzati, anche del millimetro. Questa è una categoria di dati molto interessante in termini di applicazioni, alla quale ci stiamo approcciando e che contiamo di sviluppare in un prossimo futuro. All’interno dell’azienda abbiamo un Dipartimento di Ricerca e Sviluppo dedicato allo studio delle tecnologie più innovative in tema di monitoraggio satellitare, e non solo, che ci consente di tenerci costantemente aggiornati con le soluzioni e i metodi presenti in letteratura. Inoltre, grazie ad un expertise trasversale su vari ambiti dell’AI, siamo in grado di integrare differenti tipologie di dati e metodologie di analisi con informazioni ricavate da altri contesti che, considerando aspetti relativi all’ambiente, agli impatti economici o ai social media, permette di restituire una fotografia più completa e informata del territorio da utilizzare per salvaguardare e tutelare al meglio l’ambiente in cui viviamo”, conclude Carlesi.

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R
Patrizia Ricci

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