La tecnologia LiDAR per il settore forestale

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1 La tecnologia LiDAR per il settore forestale Firenze, ARSIA Toscana e Compagnia delle Foreste Misura 111 del PSR 2007/2013 Reg. CR 1698/2005 Azioni nel campo della formazione professionale e dell informazione Utilizzo del Modell o Digitale del Terreo ad elevata risoluzione per la valutazione della viabilità di interesse forestale Esempio di utilizzo del M odello Digitale del Terreno ad elevata risoluzione per la valutazione della accessibilità alle aree forestali e alla pianificazione delle operazioni forestali Dott. Stefano Grigolato Università degli Studi di Padova Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali Gruppo Operazioni Forestali - Finalità del seminario Utilizzo pratico dei Modelli digitali da dati LiDAR - Inquadrare le potenzialità e i limiti dell utilizzo dei dati LiDAR n ell analisi della viabilità di interesse forestale - Impostare un modello semplificato per l analisi dell accessibilità di un area - Confronto tra risoluzioni diverse nella valutazione del profilo di un versante - Impostare un modello semplificato per la caratterizzazione di un area in relazione ai sistemi di esbosco 1

2 DTM alta risoluzione e viabilità forestale introduzione DTM e DSM ad alta risoluzione Funzioni della viabilità silvo-pastorale Per viabilità silvo-pastorale si intende la viabilità di accesso e di percorrenza delle aree pastorali e forestali La principale funzione è quella di garantire l accesso alle aree silvo-pastorali, facilitarne la gestione e favorire le attività agricole, pastorali e selvicolturali Altre funzioni specifiche: accesso del personale tecnico e di custodia accesso da parte delle squadre AIB, Protezione Civile, Soccorso Alpino compartimentazione del bosco a fini gestionali fruizione turistico e ricreativa delle aree naturali Strumento di pianificazione strategica Piano della viabilità forestale Rilievo dello stato attuale dell accessibilità Analisi delle esigenze di accessibilità Elaborazione sullo stato futuro della rete viabile 2

3 Carrello Fune Portante Direzione di esbosco Percorso MTB Punto di accesso alla superficie utilizzata Deposito temporaneo Fune traente a riposo Strada silvo-pastorale Verricello riposto a bordo strada 3

4 Valutazione della viabilità di interesse forestale Necessità Dove sono le strade forestali principali e secondarie? Quali sono le loro caratteristiche di massima (larghezza, pendenza, fondo) Strumenti Verifica su CTR/CTP e controllo con ortofoto informazione sommaria sull estensione metodo veloce e speditivo, ma limitato nella completezza e accuratezza Rilievi per percorrenza valutazione sullo stato di manutenzione e percorribilità metodo decisamente accurato con alcuni limiti nel tracciamento delle grafo delle strade nel caso di limitata o assente ricezione GPS costoso in termini di tempo (in campo e in ufficio) DTM DSM ad elevata risoluzione!?! Possono essere utili a migliorare l accuratezza nella verifica a vid eo sulla presenza della viabilità, di certo non sostituiscono allo stato attuale le informazioni acquisibili con la percorrenza delle strade m m m 4

5 Utilizzo pratico dei Modelli digitali del terreno a risoluzione 5 m Utilizzo pratico dei Modelli digitali del terreno ad elevata risoluzione 1 m 5

6 DTM alta risoluzione e viabilità forestale verifica dei tracciati in aree montane Valutazione della viabilità di interesse forestale 6

7 Valutazione della viabilità di interesse forestale Valutazione della viabilità di interesse forestale 7

11 Valutazione della viabilità di interesse forestale Valutazione della viabilità di interesse forestale Non sempre è possibile L immagine del DTM a cui si associa il modello dell effetto dell ombreggiamento non sempre è in grado di ritornare una informazione chiara del tracciato Potrebbe essere utile cambiare l impostazione della direzione della luce per modificare le ombre e quindi agevolare l individuazione del tracciato 11

13 Valutazione della viabilità di interesse forestale Non sempre è possibile Alcuni spot possono essere falsati a causa della mancanza di continuità dei dati o di una densità di punti limitata da una forte pendenza del terreno Non è sempre ben chiaro caratterizzare in modo certo alcuni tracciati in particolare nel caso di aree marginali in forte pendenza dove le ridotte dimensioni della viabilità secondaria non permettono di distinguerla dai sentieri) Valutazione della viabilità di interesse forestale 13

14 Valutazione della viabilità di interesse forestale Tracciato non facilmente determinabile Aree con informazione falsata Valutazione della viabilità di interesse forestale Krogstad F. and Schiess P. (2005) hanno evidenziato che aree forestali con elevata densità di copertura possono disturbare il ritorno dell impulso laser che associato ad una filtrazione non ben calibrata dei dati grezzi può determinare una scarsa accuratezza delle informazioni relative alle infrastrutture presenti nelle aree forestali (viabilità) da KrogstadF. and Schiess P. (2005). THE ALLURE AND PITFALLS OF Using LIDAR topography in harvest and road design. IUFRO 3.06 Forest perations under Mountainous Conditions and the 12th International Mountain Logging Conference June 13-16, 2004, Vancouver, B.C. 14

15 Impiego di DTM ad alta risoluzione esempio di caratterizzazione di massima della pendenza dei tracciati di strade silvo-pastorali Selezione del tracciato Il tracciato è selezionato così come presente nel database del Piano della Viabilità 15

16 Suddivisione del tracciato Il tracciato può essere suddiviso da spezzate o punti Determinazione della variazione di pendenza di una strada Pendenza media di un tratto Una procedura GIS per la determinazione d ella variazione di p endenza di una strada prevede di suddividere la strada in tratti rettilinei determinandone: la lunghezza (distanza orizzontale) Δ x la differenza di quota tra il punto di inizio e fine del tratto (dislivello) Δ y a Pendenza media tratto = 100 * (Δ y / Δ x) b Tratto Δ x Δ y Pendenza ID m m % c d e a-b b-c c-d d-e

17 Determinazione della variazione di pendenza di una strada Determinazione della lunghezza e del dislivello la lunghezza di un tratto può essere determinata attraverso un ricalcolo della lunghezza della spezzata degli elementi (features negli shapefile) attraverso un tool di calcolo geometrico la differenza di quota tra il punto di inizio e fine d el tratto può essere calcolato evidenziando i valori del DTM a cui sottendono i tratti considerati (la differenza assoluta tra valore minimo e massimo definisce il dislivello) attraverso una procedura di zonal statistic Determinazione di Δ x Determinazione con Zonal statistic Calcolo di Δ y Calcolo pendenza FID Shape* Lenght ID_Tratto DTM_MIN DTM_MAX Dislivello Pendenza 54 Polyline Polyline Polyline Polyline Polyline Polyline Determinazione della pendenza dei singoli tratti DTM 10m 17

18 Pendenza, % Dislivello, m 17/11/2010 Determinazione della pendenza dei singoli tratti DTM 1m Rappresentazione del profilo e delle pendenze (su foglio di calcolo) DTM - 1 m DTM - 10 m Distanza orizzontale, m DTM - 1 m DTM - 10 m Pendenza max per brevi tratti Valori non realistici Distanza orizzontale, m 18

19 Suddivisione del tracciato in spezzate Suddivisione del tracciato in spezzate 19

20 Suddivisione del tracciato in spezzate Suddivisione del tracciato in spezzate 20

21 Pendenza, % Dislivello, m 17/11/2010 Suddivisione del tracciato in spezzate Rappresentazione del profilo e delle pendenze (su foglio di calcolo) DTM - 1 m DTM - 10 m Distanza orizzontale, m DTM - 1 m DTM - 10 m Pendenza max per brevi tratti Distanza orizzontale, m 21

22 differenza, % differenza, m differenza, errore m differenza, % 17/11/2010 Suddivisione del tracciato in spezzate Quale è livello di accuratezza raggiungibile? Verifica in campo delle informazioni estratte a video Errore verticale del DTM valutato sulla mezzaria (centreline) In relazione alla copertura (%) In relazione alla pendenza della strada (%) Errore nella pendenza della strada sulla mezzaria (centreline) In relazione alla copertura (%) In relazione alla pendenza della strada (%) White R.A. et al Forest Roads Mapped Using LiDAR in Steep Forested Terrain. Remote Sens. 2010, 2, ; doi: /rs

23 Impiego di DTM ad alta risoluzione Esempio di creazione e applicazione di un modello per la valutazione del livello di accessibilità di un area forestale Modello applicativi Disporre diuna base dati aggiornata della viabilità e di una base dati sulla morfologia del terreno accurata può portare allo sviluppo di modelli su base GIS semplici o complessi per la valutazione del: livello di accessibilità: valutazione dell accessibilità di un area in relazione alla percorribilità dei mezzi lungo la viabilità e ai tempi di percorrenza a piedi fuori strada: MODELLO ACCESSIBILITÀ 23

24 Parametri morfometrici del terreno 17/11/2010 Modello applicativo: accessibilità Modello accessibilità: valuta i tempi di acc essibilità di un area in relazione alla presenza di viabilità e alla velocità delle squadre di lavoro, controllo o AIB. Parametri velocità di percorrenza delle squadre Banca dati viabilità Modello applicativo: accessibilità Il metodo impiegato fa rif erimento al metodo di valutazione dell accessibilità al bosco proposto da Hippoliti (1976) che si basa sulla determinazione del tempo c he un operatore impiega a piedi per raggiungere dalla strada più vicina l area oggetto di utilizzazione. I parametri che rientrano nella valutazione dell acc essibilità all area sono la distanza dell area dalla strada e il dislivello percorsi rispetto il punto di partenza sulla strada. La valutazione dell accessibilità tiene in considerazione sia il tempo di andata che quello di ritorno. Un area raggiungibile in un tempo c omplessiv o di andata e ritorno superiore ai trenta minuti e f ino alle due ore è considerata scarsamente servita, oltrepassando le due ore l area è considerata non servita. Modello impostato su ArcGIS 9.2 Sviluppabile anche in programmi e ambienti non proprietari 24

25 Modello applicativo: accessibilità Parametri percorribilità della viabilità Modello applicativo: accessibilità Parametri velocità di percorrenza delle squadre 25

26 Modello applicativo: accessibilità Risoluzione 10 m Velocità squadre : 3 km/h (in piano) 300 m/h (in terreni con pendenza > 8%) Modello applicativo: accessibilità Risoluzione 1 m Velocità squadre : 3 km/h (in piano) 300 m/h (in terreni con pendenza > 8%) 26

27 Modello applicativo: accessibilità Risoluzione 10 m Velocità squadre : 4 km/h (in piano) 400 m/h (in terreni con pendenza > 8%) Modello applicativo: accessibilità Risoluzione 1 m Velocità squadre : 4 km/h (in piano) 400 m/h (in terreni con pendenza > 8%) 27

28 Quota altimetrica, m slm 17/11/2010 Impiego di DTM ad alta risoluzione Tecnologia a supporto dell individuazione di linee di esbosco aeree Individuazione di massima di linee di esbosco aereo Ulteriori impieghi dei DTM ad alta risoluzione possono riguardare la determinazione del profilo del terreno per la valutazione delle possibili linee di gru a cavo Profilo terreno Altezza Chiome Distanza planimetrica, m Tesi di Laurea in Scienze Forestali e Ambientali Andrea Bagattini 28

29 Variazione verticale, m Variazione verticale, m Variazione verticale, m 17/11/2010 Individuazione di massima di linee di esbosco aereo Individuazione di massima di linee di esbosco aereo Area A: profili del terreno e delle chiome per una prima valutazione delle linea di esbosco. In evidenza i punti con nuclei di alberi con altezze superiori ai 17 m (da interpretare come aree potenziali in cui può essere collocato un cavalletto) DSM 1m DTM 1m Punti cavaletto Distanza planimetrica, m Ipotesi A DSM 1m DTM 1m Punti cavaletto Distanza planimetrica, m DSM 1m DTM 1m Punti cavaletto Distanza planimetrica, m Ipotesi A2 Ipotesi A3 29

30 Variazione verticale, m Variazione verticale, m Variazione verticale, m 17/11/2010 Individuazione di massima di linee di esbosco aereo Individuazione di massima di linee di esbosco aereo Area B: profili del terreno e delle chiome per una prima valutazione delle linea di esbosco. In evidenza i punti con nuclei di alberi con altezze superiori ai 17 m (da interpretare come aree potenziali in cui può essere collocato un cavalletto) DSM 1m DTM 1m Punti cavaletto Distanza planimetrica, m Ipotesi B DSM 1m DTM 1m Punti cavaletto Distanza planimetrica, m DSM 1m DTM 1m Punti cavaletto Distanza planimetrica, m Ipotesi B1 Ipotesi B2 30

31 Variazione verticale, m 17/11/2010 Individuazione di massima di linee di esbosco aereo Individuata il profilo del terreno e delle chiome che può soddisfare i requisiti per la realizzazione di una linea si può procedere nel riportare i punti di interesse nel GPS per la verifica in campo 500 DSM 1m 450 DTM 1m 400 Punti cavaletto Distanza planimetrica, m Impiego di DTM ad alta risoluzione Esempio di creazione e applicazione di un modello per la valutazione di massima dei sistemi di esbosco 31

32 Modello applicativi Disporre diuna base dati aggiornata della viabilità e di una base dati sulla morfologia del terreno accurata può portare allo sviluppo di modelli su base GIS semplici o complessi per la: Caratterizzazione di massima dei sistemi di esbosco: caratterizzazione di un area forestale in relazione ai sistema di esbosco sulla base dei parametri morfometrici del terreno e sulla distanza dalla strada Modello applicativo: esbosco Modello sistema di esboco: classificazione dell area in relazione al sistema di esbosco, considerata l estensione e percorribilità della viabilità e i parametri morfometrici del terreno Banca dati viabilità Algoritmi e processo di elaborazione Parametri morfometrici 32

33 Modello applicativo: esbosco Il metodo impiegato fa riferimento al metodo di valutazione del sistema di esbosco sulla base dei parametri morfometrici del terreno e sulla distanza dalla strada. Il modello ha l obiettivo di classificare le aree forestali in relazione al sistema di esbosco. Le c lassi definite sono: esbosco terrestre (dir/ind), esbosco aereo/terrestre, esbosco aereo Modello impostato su ArcGIS 9.2 e in fase di perfezionamento Sviluppabile anche in programmi e ambienti non proprietari Modello applicativo: esbosco Parametri percorribilità della viabilità 33

34 Modello applicativo: esbosco Parametri morfometrici e direzione di esbosco relativamente ai sistemi di esbosco aerei Modello applicativo: pianificazione utilizzazioni Risoluzione 10 m 34

35 Modello applicativo: pianificazione utilizzazioni Risoluzione 1 m Impiego di DTM ad alta risoluzione note conclusive 35

36 Note conclusive Valida base informativa per l interpretazione delle infrastrutture viarie sottocopertura e la valutazione di massima di alcuni elementi caratterizzanti (piazzali, piazzole e pendenza dei tratti) Miglioramento della qualità e precisione dei modelli accessibilità e pianificazione L elaborazione richiede sempre la consapevolezza che i risultati dei modelli vanno valutati, validati e quindi interpretati Sulla base degli obbiettivi da raggiungere e sul livello di accuratezza richiesto si dovrebbe inoltre valutare i tempi di elaborazione e l adeguatezza dei calcolatori. Note conclusive 36

37 Parte delle ricerche pres entate sono in corso di sviluppo nell ambito del progetto Creazione di uno strumento di supporto della pianificazione del sistema infrastrutturale viario nell ambito forestale regionale, sviluppato dal Dip. Te.S.A.F. dell Università degli Studi di Padova, responsabile Prof. Raffaele Cavalli, e promosso e finanziato dalla Regione del Veneto - Direzione Regionale Foreste ed Economia Montana. Stefano Grigolato Università degli Studi di Padova Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali Gruppo Operazioni Forestali