Digital Terrain Analysis for hydrogeomorphic feature recognition

Le innovazioni tecnologiche e il potenziamento di hardware e software, l’ampia diffusione di software geografici (GIS), di sensori e strumenti per il remote-sensing e la creazione di reti di scambio di informazioni connesse con l’avvento del web, hanno facilitato la possibilità di collezionare estensivamente (sia nello spazio che nel tempo) dati idrogeomorfologici, ponendo le basi per nuovi progressi in idrologia e geomorfologia, anche attraverso lo sviluppo di sofisticati modelli di simulazione. Tra gli scopi dell’idrologia, oltre a quello di comprendere i processi, vi quello di poterli quantificare e prevedere, nella prospettiva di fornire strumenti sempre più idonei alla prevenzione e mitigazione del rischio idrogeologico. Tale scienza è quindi ad un punto della sua evoluzione per cui le sfide e i problemi emergono nel momento in cui ci si interfaccia con altre discipline scientifiche, e con elementi che riguardano non più semplicemente l’ambito scientifico o di ricerca, ma anche l’ambito politico, scientifico-tecnologico, computazionale e socio-economico. Attualmente nella comunità scientifica è stata posta la necessità di analizzare la risposta idrologica in una prospettiva più ampia, non solo a livello di ricerca, ma anche con l’ottica di trasferire le conoscenze in ambito applicativo e gestionale. La problematica principale relativa alla possibilità di comprendere e prevedere la risposta idrologica di un bacino è legata alla forte eterogeneità derivante non solo dal regime pluviometrico, ma anche dagli assetti geologico-strutturali, dalla conformazione morfologica, dai caratteri pedologici, dall’uso del suolo e dalla presenza di infrastrutture antropiche. Tale eterogeneità permane a tutte le scale di analisi, e la sua struttura spaziale e l’organizzazione delle sue proprietà e caratteristiche esibiscono un significativo controllo nel condizionare la risposta idrologica di piena al variare delle scale spaziali di indagine. La risposta di ogni sistema deriva dall’interazione tra numerosi processi e dai vari feedbacks tra le varie componenti del sistema stesso, e si mostra allora necessaria una corretta rappresentazione delle complesse dinamiche di interazione presenti alle varie scale di indagine. Nell'idrologia moderna esiste una lunga tradizione che mette in relazione gli elementi morfologici di un bacino con le sue dinamiche idrologiche. Essa si può far risalire alla formulazione della risposta idrologica geomorfologica (Rodriguez-Iturbe et al. 1986) e, più recentemente, è stata investigata in dettaglio grazie alle possibilità offerte dalla grande e sempre più accurata base di dati topografici derivante da rilievo remoto (LiDAR), che consentono una lettura dettagliata del paesaggio e offrono strumenti efficaci per la comprensione dei processi idrologici (Tarolli et al 2009; Tarolli e Dalla Fontana, 2009). Nonostante i progressi ottenuti negli approfondimenti riguardanti l’analisi e la comprensione dei singoli fenomeni idrologici, il processo di comprensione completo dei sistemi pone una serie di interrogativi irrisolti. Nel corso degli anni, parallelamente allo sviluppo di interpretazioni sempre più raffinate delle teorie governanti i singoli processi idrologici non si è visto un parallelo progresso di strutture che permettano di comprendere il funzionamento dei sistemi idrologici a larga scala, e molto spesso i risultati non consentono il trasferimento delle conoscenze tra vari operatori, su diverse scale spaziali o temporali. Vi è quindi la necessità di identificare e uniformare nuove metodologie per identificare tali processi in maniera oggettiva, automatica e facilmente ripetibile, in modo da superare l’eterogeneità geomorfologica, ma anche sintattica e semantica intrinseca negli operatori, per facilitare ed ottimizzare la gestione delle risorse territoriali. Tale approccio richiede la definizione di indici di somiglianza, e l’identificazione di particolari attributi che caratterizzano il comportamento idrologico dei bacini idrografici. Data l’eterogeneità morfologica e idrologica presente a tutte le scale, questo richiede lo sviluppo di strumenti di classificazione diagnostica che siano in grado di integrare e prendere in considerazione fattori come ad esempio la. Ovviamente questo richiede l'acquisizione ripetuta di informazioni topografiche ad alta risoluzione, e la rapida crescita della disponibilità di modelli digitali del terreno (DTM) come quelli derivati da scansioni laser (LIDAR), ha fornito un modo di guardare al nostro pianeta con livello di dettaglio senza precedenti, spesso consentendo il riconoscimento di caratteristiche morfologiche precedentemente sconosciute (Tarolli et al. 2009). Non vi è alcun dubbio che oggi rispetto al passato, abbiamo una capacità migliore di rappresentare in maniera corretta e realistica i vari sistemi idrologici, e abbiamo una migliore comprensione e capacità predittiva dei fenomeni idrologici, ma rimane comunque la necessità di regole semplici e/o procedure chiare per determinare i processi dominanti che operano in diversi bacini. Lo sviluppo di queste regole e procedure consentirebbe un approccio molto più sistematico e fattibile, anche per il trasferimento di conoscenze a scale diverse. Ogni indagine richiede l'identificazione accurata della scala spaziale di interesse, oltre che della scala temporale del problema in analisi, per consentire la selezione del processo rilevante e delle variabili che lo caratterizzano. La letteratura in questo settore ha mostrato che, in generale, l'idrologia è di fronte alla necessità di andare oltre il concetto di ‘modellare tutto’, e di muoversi verso l’idea di 'catturare le caratteristiche essenziali', e questo parte dall’identificazione di una corretta scala di analisi. L’Analisi Digitale del Terreno (Digital Terrain Analysis -DTA) applicata a DTM ad alta risoluzione, sviluppata nel lavoro di tesi del dottorato, può essere uno strumento utile in questo contesto, fornendo il quadro di riferimento per la quantificazione della morfologia superficiale e la sua classificazione, puntando sia all’identificazione dei vari processi, con gli obbiettivi futuri anche di simularli correttamente in modo tale da ottenere informazioni sia sulle condizioni attuali, che sui possibili risvolti futuri. Il principio fondamentale della DTA è la possibilità di rappresentare in maniera digitale la morfologia superficiale, a partire dall'abbondanza di informazioni topografiche contenute nei dati di elevazione (modelli digitali del terreno, DTM). Tale morfologia appare con diversi livelli di complessità e deriva dall’interazione di processi geologici e idrologici, le cui componenti principali possono essere lette morfologicamente attraverso l'utilizzo degli attributi topografici. La varietà di forme di rappresentazione incorporate nei DTM, le grandi opportunità di elaborazione in tempo reale, e la facilità di rappresentazione multi-scala, hanno portato l'analisi digitale del terreno ad essere qualcosa che va oltre la ricerca, ma che può essere vista anche come supporto per la creazione di mappe morfologiche e per l'identificazione automatica o semiautomatica di features. L’attività di ricerca ha avuto come come filo conduttore l’esplorazione e l’analisi di quella che può essere chiamata ‘firma statistica’ di diversi processi idro-geomorfologici sulla morfologia superficiale, analizzando vari elementi su una vasta gamma di scale spaziali, con l’obbiettivo di identificare il processo fisico dominante. In particolare, l’idea è analizzare i dati derivanti da DTM LiDAR ad alta risoluzione con l'obiettivo di estrarre particolari features di interesse geomorfologico/idrogeologico. In combinazione con una formulazione ottimale, questo tipo di approccio permette l'estrazione accurata e automatica di reticoli idrografici o features geomorfiche sia di origine naturale che antropica. Più in particolare, il lavoro di ricerca è risultato nella definizione di metodi oggettivi o semi-automatici per l’identificazione di features, che mirano a risolvere una serie di problemi ben documentati legati alla rappresentazione di tali features in idrologia e geomorfologia. Il lavoro è stato sviluppato considerando due principali ambiti di studio: bacini montani e aree antropiche (in particolare piane alluvionali). In contesti naturali (montani), l’efficienza della topografia LiDAR ad alta risoluzione è già stata testata in diversi lavori in letteratura, ed è stata nuovamente evidenziata durante il triennio di ricerca; un ulteriore obiettivo è stato quello di testare se tale informazione topografica può essere uno strumento di analisi utilizzabile anche per ambienti antropici, dove sono presenti caratteristiche diverse, e le attività umane possono risultare in elementi di disturbo. L'analisi digitale del terreno proposta si basa principalmente sull'uso di indici topografici (alcuni già collaudati in letteratura e alcuni nuovi) valutati a varie scale di analisi per quantificare morfologia del terreno. Dal momento che le proprietà statistiche della morfologia catturata dal DTM dipendono strettamente dalla scala a cui il modello viene analizzato, studiare come esse cambiano al variare della scala può essere uno strumento efficace per identificare la scala ottimale di analisi, sia nel mondo digitale che in quello reale, e quindi nel contesto idrogeomorfico. A questo punto, alcuni interrogativi restano ancora aperti: processi fisici statisticamente diversi, sono fautori di regimi idrologici statisticamente diversi? E’ vero che le diverse leggi che regolano i processi lasciano una firma sulle proprietà statistiche della morfologia? Quanto della relazione tra idrologia e morfologia viene catturata da tale firma? Ora che siamo in grado di valutare la morfologia con un elevato livello di dettaglio grazie alla topografia ad alta risoluzione, è possibile rispondere ad alcune di queste domande. Se i processi fisici lasciano firme importanti sulle statistiche dei parametri morfologici, e se siamo in grado di quantificare queste firme in dettaglio, la statistica può essere utilizzata per aiutare la modellazione e la previsione dei vari processi su scale diverse e ambienti diversi. La topografia ad alta risoluzione accoppiata ad un approccio statistico può quindi essere un potente mezzo di inferenza, per definire la scala di analisi ottimale e per individuare soglie di inizio o fine di particolari processi, al fine di facilitare l’approfondimento e il trasferimento delle conoscenze idrogeomorfologiche.