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Elaborazione di immagini telerilevate multi-temporali per l’analisi dei

cambiamenti nell’uso del suolo: un approccio integrato mediante tecniche GIS

e metriche del paesaggioCarmelo Riccardo Fichera1, Giuseppe Modica1, Maurizio Pollino1,2

1Università degli Studi ‘Mediterranea’ di Reggio Calabria Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Forestali ed Ambientali

2ENEA - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile Laboratorio Analisi e Osservazioni sul Sistema Terra (UTMEA-TER)

Convegno Nazionale di medio termine dell'Associazione Italiana di Ingegneria Agraria

Gestione e controllo dei sistemi agrari e forestali Hotel Villa Carlotta - Belgirate (VB) 22-24 settembre 2011

Elaborazione di immagini telerilevate multi-temporali per l’analisi dei cambiamenti nell’uso del suolo: un approccio integrato mediante tecniche GIS e metriche del paesaggio

Sommario

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L’utilizzo delle tecniche di Telerilevamento, unitamente con GIS e metriche del paesaggio, è di fondamentale supporto per la mappatura della copertura del suolo (Land Use/Land Cover, LULC) e l’analisi multi-temporale dei cambiamenti.

Caso di studio: area della Conca di Avellino.

Per studiare i cambiamenti nel LULC verificatisi nell’arco di un cinquantennio (1954÷2004), è stato processato un dataset multi-temporale di foto aeree ed immagini satellitari, così costituito:

• Foto aeree (1954, 1974 e 1990), Immagini satellitari;

• Landsat (MSS 1975, TM 1985, TM 1993, ETM+ 2004);

• Ortofoto digitali aeree (1994 e 2006).

I risultati hanno permesso di analizzare le dinamiche di matrice naturale e antropica intervenute nel territorio (con particolare attenzione alle aree di transizione urbano-rurale). Significativo è stato il ruolo degli strumenti urbanistici varati dopo il terremoto dell’Irpinia del 1980.


L’area di studio: Conca di AvellinoÈ caratterizzata da molti centri abitati di piccole e medie dimensioni sparsi nel territorio della Provincia. Situata al centro di una pianura, è circondata a NO dai monti del Massiccio del Partenio (Monti di Avella, Montevergine e Pizzo d’Alvano) e a SE dai Monti Picentini.

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Dataset multi-temporale: foto aeree

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Nella Tabella sottostante sono elencate le foto aeree (1954, 1974 e 1990, rilievi dell’Istituto Geografico Militare Italiano (I.G.M.I.) e le ortofoto digitali (1994 e 2006) utilizzate.

ANNO Dati fotogrammi Dati del volo Fonte

1954 Formato: Digitale – 600dpiRisoluzione: 1,50 m

Quota: 6.000 mScala: 1:35.000

Istituto Geografico Militare Italiano (I.G.M.I.)

http://www.igmi.org

1974 Formato: Analogico23x23 cm (Scansionato a 1200dpi - Risoluzione: 0,35 m)

Quota: 2.580 mScala: 1:16.000

1990 Formato: Digital e – 600dpiRisoluzione: 1,50 m

Quota: 6.400 mScala: 1:35.000

1994 Ortofoto aeree (B/N)Risoluzione: 1 m Servizio WMS - Portale

Cartografico Nazionale www.pcn.minambiente.it2006 Ortofoto aeree (Colore)

Risoluzione: 0,50 m


Dataset multi-temporale: immagini Landsat

1. 1975-07-15Landsat MSS(WRS-1, Path 203, Row 032)Risoluzione 57 m

2. 1985-06-14Landsat TM(WRS-2, Path 189, Row 032)Risoluzione 30 m

3. 1993-08-23Landsat TM(WRS-2, Path 189, Row 032)Risoluzione 30 m

4. 2004-06-10Landsat ETM+(WRS-2, Path 189, Row 032)Risoluzione 28.5-14.5 m

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Fonte: Global Land Cover Facility (GLCF)

http://glcf.umiacs.umd.edu


Mappe LULC

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Dalla foto-interpretazione delle foto aeree e dalla classificazione delle immagini Landsat sono state prodotte 5 differenti mappe di LULC.


Andamento LULC

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+75.5%

-29,8%


Analisi dei cambiamenti (Change detection)

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Utilizzando tecniche GIS, le informazioni spaziali di base (area, perimetro, localizzazione, ecc.) di ciascuna classe di LULC sono state integrate con quelle riguardanti la quantità, l’estensione e la dinamica del cambiamento.

Dinamiche dei cambiamenti del

LULC durante l’intero periodo

di analisi


Analisi dei cambiamenti (Change detection)

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Cambiamenti nel LULC (1954÷2004)

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Matrice di transizione per ciascuna classe di LULC negli intervalli scelti

Dynamics 1954÷2004

UrbanGrassland/pasture Cropland Woodland 1954

Urban 893.45 0.00 0.00 0.00 893.45

Grassland/pasture 103.83 347.23 738.76 397.69 1587.51

Cropland 3933.91 994.97 19017.35 7023.96 30970.19

Woodland 173.26 663.59 2179.54 19437.33 22453.71

2004 5104.44 2005.79 21935.66 26858.98 55904.86

I valori (in ettari) riportati lungo la diagonale rappresentano le aree in cui non si è registrato alcun cambiamento.

Le altre celle contengono la stima delle superfici che hanno subito una trasformazione.


Analisi spaziali GIS

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Analisi dell’evoluzione spazio-temporale delle aree urbanizzate (fenomeno di urban sprawl).

Relazioni tra elementi territoriali (uso del suolo, morfologia, reti di trasporto) e demografia (dati censuari).

Supporto alle attività di pianificazione e monitoraggio del territorio.


Metriche del paesaggio (Landscape Metrics)

Il paesaggio è considerato da un punto di vista spaziale come un insieme composito di elementi superficiali (patch) categorizzati in base alla tipologia di LULC.

Su questa base è possibile descrivere la struttura e la composizione (pattern) del paesaggio, nonché valutare l’omogeneità o la diversità tra patch limitrofe.

Le interazioni tra processi e pattern avviene attraverso una metodologia che studia la struttura dei mosaici ambientali mediante l’uso di indici. Il termine “metriche del paesaggio”, si riferisce agli indici sviluppati per misurare i patterns di mappe tematiche.

Sono algoritmi che quantificano le caratteristiche spaziali di patch (patch-level metrics), classi (class-level metrics) e paesaggio (landscape-level metrics).

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Paesaggio

Tipologia di LULC

Patch



Scelti tre anni di riferimento (1954, 1985 e 2004), le analisi sono state condotte lungo due transetti (uno in direzione Ovest-Est ed l’altro in direzione SudOvest-NordEst) e centrati sull’insediamento principale di Avellino: ogni transetto è costituito da una strisciata suddivisa in undici blocchi di 2 km x 2 km.

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1954 20041985



Landscape metrics calcolate (FRAGSTATS 3.3) per il transetto O-E:

Shannon’s Diversity Index (SHDI)

Patch Density index (PD)

LPI (Largest Patch Index)

NP (Number of Patches)

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Landscape metrics calcolate (FRAGSTATS 3.3) per il transetto SO-NE:

Shannon’s Diversity Index (SHDI)

Patch Density index (PD)

LPI (Largest Patch Index)

NP (Number of Patches)

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L’espansione urbana

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Un notevole incremento delle aree urbanizzate si è verificato nel periodo successivo al 1985, in concomitanza con il processo di ricostruzione avviato dopo il terremoto dell’Irpinia del1980.

Si è verificata una significativa diffusione dell’urbanizzato verso le aree periferiche, per effetto della realizzazione di nuove aree residenziali e della nuova zona industriale a NE della città.


Strumenti Urbanistici

Le leggi varate dopo il sisma dell’80 hanno

rappresentato la cornice normativa

all’interno della quale sono stati prodotti gli strumenti urbanistici

del P.I.C.A. e del P.U.C..

Questi hanno fornito le indicazioni sulle

nuove aree da destinare ad uso

residenziale, artigianale o industriale.

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Zona Industriale di

Avellino

Aree Residenziali


Transformazione delle aree rurali (1954÷2004)

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Il fenomeno di urban sprawl ha prodotto ulteriore “attrito” tra le aree urbanizzate in espansione e le residue zone agricole intorno alla città, con un ulteriore consumo di suolo a discapito delle aree rurali.

Questa dinamica si è manifestata maggiormente nelle aree di frangia

urbano-rurale (analisi condotta mediante l’applicativo

ULAT1).

1 Urban Landscape Analysis Tool (http://clear.uconn.edu/tools/ugat/index.htm)


Espansione urbana e dinamiche demografiche

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Avellino è in continuità territoriale con altri centri urbani (Atripalda, Mercogliano e Monteforte Irpino, più di 10.000 abitanti).

Le dinamiche demografiche hanno contribuito all’espansione delle aree urbane intorno Avellino.


Espansione urbana e Rete stradale

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La presenza di due assi stradali importanti come l’Autostrada A16 e la Statale S.S. 7bis (utilizzate, ad esempio, per gli spostamenti casa-lavoro) ha fatto da catalizzatore per l’espansione urbana lungo le loro direzioni.


Sviluppi in corso Approfondimento delle analisi ad una scala di maggior dettaglio; Elaborazione immagini satellitari ad alta risoluzione geometrica e

spettrale: • QuickBird (ris. 0,60-2,80 m, 4 bande, Maggio 2005) • WorldView-2 (ris. 0,50-2,00 m, 8 bande, Giugno 2010)

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WorldView-2• Blu, Verde, Rosso ed Infrarosso Vicino

(B,G,R,NIR)• Coastal (400 - 450 nm) • Yellow (585 - 625 nm)• Red Edge (705 - 745 nm) • Near Infrared 2 (860 - 1040 nm)

Landsat ETM+ (30m)

WorldView-2 (2m)


Conclusioni

Le attività qui descritte rappresentano una parte specifica di una più ampia linea di ricerca, riguardante l’analisi e la comprensione dei fenomeni di trasformazione del territorio nelle aree di frangia urbano-rurale.

I risultati qui ottenuti confermano la capacità delle tecniche di Telerilevamento di fornire strumenti utili ed efficaci per comprendere le dinamiche del cambiamento nell’uso del suolo, mediante dettagliate analisi spazio-temporali.

Il ricorso alle metriche del paesaggio ha consentito di mettere in evidenza determinati processi di trasformazione del territorio.

L’utilizzo congiunto di Telerilvamento, GIS e Metriche del paesaggio è di fondamentale importanza nel fornire supporto alle politiche di pianificazione, gestione e monitoraggio del territorio, specie quando si voglia tener conto di uno sviluppo sostenibile dello stesso.

Infine, la tecnologia GIS ha permesso di gestire in modo integrato le informazioni spaziali dell’area di interesse, costituendo altresì la base per strumenti di verifica dell’efficacia delle politiche di pianificazione nonché per la previsione dei trend futuri di trasformazione.

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Elaborazione di immagini telerilevate multi-temporali per l’analisi dei

cambiamenti nell’uso del suolo: un approccio integrato mediante tecniche GIS

e metriche del paesaggioCarmelo Riccardo Fichera1, Giuseppe Modica1, Maurizio Pollino1,2

1Università degli Studi ‘Mediterranea’ di Reggio Calabria Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Forestali ed Ambientali

2ENEA - Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile Laboratorio Analisi e Osservazioni sul Sistema Terra (UTMEA-TER)

Convegno Nazionale di medio termine dell'Associazione Italiana di Ingegneria Agraria

Gestione e controllo dei sistemi agrari e forestali Hotel Villa Carlotta - Belgirate (VB) 22-24 settembre 2011

Grazie per l’attenzione!

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