SVILUPPO DI PRODOTTI DI COPERTURA E USO DEL SUOLO IN PAESAGGI AGRICOLI SOGGETTI A RISCHI LEGATI ALL'ACQUA: UN APPROCCIO MULTITEMPORALE E MULTISENSORE

Changes in hydrological cycle led to the occurrence if water-related risks. This term refers to two main types of events: (I) extreme events, related to an excessive amount of water or to water scarcity, such as flood or drought; (II) depletion of water quality due to the pollution of groundwater, such as marine intrusion that led to ground water salinization. These types of risks are affecting billion of people worldwide, with a great impact on economical and social activities. For this reason, it’s becoming extremely important to understand the causes and to monitor the drivers of these events, in order to prevent the impact on society. However, human activities, through Land Use and Land Cover Changes (LULCCs) have an impact on water cycle, in some case also stronger than the climate changes. These activities have an impact on both water amount and water quality. An example of this can be the urbanization, which causes soil impermeabilization and consequently a reduced water infiltration, promoting the occurrence of flood events. On the other hand, the excessive use of water resources for agricultural activities, for example, are responsible for the reduction of groundwater resources, in particular when, to meet crop water needs, more water is extracted than is renewed. This is a common cause of water stress that, if exacerbated, can cause drought events This is also a driver of land subsidence, and, in coastal areas, this can lead to saltwater intrusion. Therefore, being LULCCs a trigger of chain events leading to the occurrence of water-related risks, it is of paramount importance to quantity how much these changes impact water cycle and identify which are the transformations more responsible of these impacts. This work aims to develop Land Use and Land Cover thematic products, using innovative satellite data, and to test their use to monitor hydrological cycle in agricultural landscapes. In the first phase of the work a processing chain to obtain a crop mapping product has been developed. This represents a Proof of Concept (POC) for an operational service, based on a pre-automatized processing chain, using a multi-sensor and multi-temporal approach. Then this multi-sensor approach has been improved, integrating also the field spectral data collected during a field campaign and innovative hyperspectral imagery, to obtain an accurate Land Use/Land cover map for a rapidly shifting study area. Finally, the use of multitemporal dataset of LULC has been integrated into an hydrological model to estimate the changes of one of the main components of the water cycle: evapotranspiration. Thus, this work aimed to contribute to the quantification of the impact of human activities on the hydrological cycle by identifying how LULCCs influence the hydrological cycle, and which are the more impactful land cover and land use transformations. The findings of this study demonstrated that satellite-derived information can be utilized to capture and analyze landscape dynamics and that these products, integrated applying a hydrological model, can support the monitoring of water balance. These results can contribute to achieving the objectives of several European policies (e.g. Common Agricultural Policy, Water directive) and international agenda (e.g. Agenda 2023). Finally, the results of this work can be further improved, integrating innovative satellite data (i.e. IRIDE data) with higher spatial and temporal resolutions. The PoC developed here can take advantage of these data and can be improved to develop an operational service tailored for agricultural and water management.

Le modifiche nel ciclo idrologico portano al verificarsi sempre più spesso di rischi legati all'acqua. Questo termine si riferisce a due principali tipologie di eventi: (I) eventi estremi, legati a una quantità eccessiva di acqua o alla scarsità d'acqua, come alluvioni o siccità; (II) la diminuzione della qualità dell'acqua dovuta all'inquinamento delle acque sotterranee, come l'intrusione marina che porta alla salinizzazione delle acque sotterranee. Questi tipi di rischi stanno influenzando miliardi di persone in tutto il mondo, con un grande impatto sulle attività economiche e sociali. Per questo motivo, diventa estremamente importante comprendere le cause e monitorare i fattori che determinano questi eventi, al fine di prevenire l'impatto sulla società. Tuttavia, le attività umane, attraverso i cambiamenti nell'uso del suolo e nella copertura del suolo (LULCCs), hanno un impatto sul ciclo dell'acqua, in alcuni casi anche più forte dei cambiamenti climatici. Queste attività influenzano sia la quantità che la qualità dell'acqua. Un esempio di questo è l'urbanizzazione, che causa l'impermeabilizzazione del suolo e, di conseguenza, una ridotta infiltrazione dell'acqua, promuovendo l'insorgere di eventi alluvionali. D'altra parte, l'uso eccessivo delle risorse idriche per le attività agricole, ad esempio, è responsabile della riduzione delle risorse di acque sotterranee, in particolare quando, per soddisfare le esigenze idriche delle colture, viene estratta l’acqua ad una velocità maggiore di quella con cui si rinnova. Questa è una causa comune di stress idrico che, se aggravato, può causare eventi di siccità. Questo è anche un fattore di subsidenza del suolo e, nelle aree costiere, può portare all'intrusione di acqua salata. Pertanto, essendo i LULCCs un fattore scatenante di eventi a catena che portano all'insorgere di rischi legati all'acqua, è di fondamentale importanza quantificare quanto questi cambiamenti influenzano il ciclo dell'acqua e identificare quali trasformazioni siano le più responsabili di questi impatti. Questo lavoro ha l'obiettivo di sviluppare prodotti tematici relativi all'uso e alla copertura del suolo, utilizzando dati satellitari innovativi, e testarne l'uso per monitorare il ciclo idrologico nei paesaggi agricoli. Nella prima fase del lavoro è stata sviluppata una catena di elaborazione per ottenere un prodotto di mappatura delle colture. Questo rappresenta un Proof of Concept (POC) per un servizio operativo, basato su una catena di elaborazione pre-automatizzata, utilizzando un approccio multi-sensore e multi-temporale. Successivamente, questo approccio multi-sensore è stato migliorato, integrando anche i dati spettrali raccolti sul campo durante una campagna sul terreno e immagini iperspettrali innovative, per ottenere una mappa accurata dell'uso e della copertura del suolo per un'area di studio in rapida trasformazione. Infine, l'uso di un dataset multitemporale di LULC è stato integrato in un modello idrologico per stimare i cambiamenti di una delle principali componenti del ciclo dell'acqua: l'evapotraspirazione. Pertanto, questo lavoro mira a contribuire alla quantificazione dell'impatto delle attività umane sul ciclo idrologico, identificando come i LULCCs influenzino il ciclo idrologico e quali siano le trasformazioni più impattanti nell'uso e nella copertura del suolo. I risultati di questo studio hanno dimostrato che le informazioni derivate dai satelliti possono essere utilizzate per catturare e analizzare la dinamica del paesaggio e che questi prodotti, integrati applicando un modello idrologico, possono supportare il monitoraggio del bilancio idrico. Questi risultati possono contribuire al raggiungimento degli obiettivi di diverse politiche europee (ad esempio, la Politica Agricola Comune, la Direttiva Acque) e agende internazionali (ad esempio, l'Agenda 2023).