Dipartimento Interateneo di Fisica Michelangelo Merlin, Università degli Studi e Politecnico di Bari 2

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1 267 ESTRAZIONE SEMI-AUTOMATICA DELLA LINEA DI COSTA DA IMMAGINI SATELLITARI AD ALTA RISOLUZIONE: VALUTAZIONE ED APPLICABILITÀ Maria Teresa Chiaradia 1, Roberto Francioso 2, Raffaella Matarrese 1 ; Antonio Felice Petrillo 2, Gennaro Ranieri 2, Cesar Urrutia 3 1 Dipartimento Interateneo di Fisica Michelangelo Merlin, Università degli Studi e Politecnico di Bari 2 Dipartimento di Ingegneria delle Acque e di Chimica - Laboratorio di Ricerca e Sperimentazione per la Difesa delle Coste, Politecnico di Bari 3 SPACEDAT srl - Lecce Introduzione La conoscenza della posizione della linea di riva è uno degli elementi fondamentali nella pianificazione della fascia costiera. È noto che essa subisce spostamenti di carattere stagionale, ma che mediamente tende ad una situazione di equilibrio, a meno di modificazioni del trasporto solido costiero determinato da azioni antropiche nei bacini idrografici in cui è inserita l unità fisiografica del litorale in esame o dalla realizzazione di opere a mare. Da qui la necessità di supportare la pianificazione della fascia costiera con il monitoraggio della linea di riva con rilievi almeno semestrali al fine di correggere le variabilità stagionali o le singolarità indotte da mareggiate intense. La linea di riva normalmente si ricava da rilievi tradizionali in situ, tuttavia non mancano esempi di estrazione da cartografia ortografica e da immagini satellitari. Uno degli obbiettivi del progetto IMCA 1 finanziato con fondi PON, è stato quello di attivare una procedura semi-automatica per l estrazione della posizione della linea di riva da immagini satellitari ad alta risoluzione. Nel presente lavoro è illustrata la tecnica utilizzata per questa procedura, i risultati ottenuti in un caso reale di applicazione e la valutazione della loro affidabilità. 1 IMCA Integrated Monitoring of Coastal Areas (2003). Progetto PON finanziato dal MIUR in data 26/06/2003 ai sensi dell art. 5 del DM 593 del 8/8/2000. Partecipano al Progetto: PLANETEK ITALIA S.r.l., Bari; COASTAL CONSULTING & EXPLORATION S.r.l., Bari; SPACEDAT S.r.l., Lecce; POLITECNICO DI BARI: Dipartimento Interateneo di Fisica, Dipartimento di Ingegneria delle Acque e Chimica; UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI BARI: Dipartimento di Zoologia.

2 268 Convegno di Maratea 1 - Il tratto di litorale in esame Lo studio è stato condotto su un tratto di costa di circa 1800 m adiacente il porto di Margherita di Savoia in provincia di Foggia (fig. 1). Il litorale in studio, negli ultimi 60 anni ha subito una notevole trasformazione a causa della realizzazione negli anni 50 del porto di Margherita di Savoia. Infatti, il molo di levante, intercettando il trasporto solido netto proveniente dalla foce del fiume Ofanto, ha determinato un notevole ripascimento a levante del porto ed ha innescato un processo erosivo a ponente dello stesso. In questo ultimo tratto di litorale, per una lunghezza di circa 10 chilometri, il processo erosivo è stato molto intenso e per difendere la fascia costiera sono state realizzate numerose opere di protezione; nella figura 1 si notano alcune di queste. Le profonde modifiche del litorale iniziate a cavallo degli anni 50 sono tuttora in atto. La figura 1 evidenzia l evoluzione nel tempo sia del processo di accumulo a ridosso del molo di levante che di quello erosivo a ponente del porto. Dal 1956 si è avuto un avanzamento di circa 180 m a levante e un arretramento di circa 80 m a ponente. Il fenomeno è continuato anche negli ultimi anni, infatti dalla figura 1 infatti si nota che dal 2000 al 2005 è aumentato l accumulo a levante del porto e in corrispondenza del molo si è avuto un avanzamento della linea di riva di circa 20 m. L accumulo ha raggiunto valori così elevati che negli ultimi anni parte dei sedimenti trasportati dalla corrente longitudinale non sono più trattenuti dal molo e vanno ad insabbiare l imboccatura del porto. Figura 1 - In tratteggio la linea di costa del 1956, in chiaro la linea di costa del 2000, in scuro la linea di costa del Trasversalmente alla linea di costa sono riportati il primo e l ultimo transetto lungo i quali sono stati effettuati rilievi con il GPS (Base ortofoto del 2005)

3 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare La metodologia di estrazione semi-automatica della linea di riva Ad oggi non esiste una metodologia standard o automatica per l estrazione della linea di costa, in generale questo processo viene realizzato mediante fotointerpretazione a video con la possibilità concreta che il processo di vettorializzazione avvenga ad una scala non constante. L obiettivo di estrarre la linea di riva dal dato satellitare è stato realizzato mediante una procedura consistente nello sfruttamento dell elevato contenuto informativo offerto dai dati satellitari ad alta risoluzione spaziale e che è stata ideata in modo tale da poter essere applicata anche alle immagini aeree, siano esse a colori o in bianco e nero. Nella figura 2 è riportata l immagine satellitare Ikonos del 21/09/2006 che insieme a quella del 16/05/2007, non riportata per brevità, saranno utilizzate per l estrazione semi-automatica della linea di riva L estrazione della linea di riva si basa sull applicazione di tre algoritmi: il Datafusion, il Filtro Direzionale e il Band Math. Il Datafusion è un procedimento che permette di combinare le informazioni ad altissima risoluzione contenute nelle immagini satellitari pancromatiche con quelle radiometriche contenute nei dati satellitari multispettrali. Questa fase della procedura è esclusiva delle immagini satellitari. I dati Ikonos acquisiti sono stati sottoposti al Datafusion del dato pancromatico a 1m di risoluzione spaziale con il dato multispettrale a 4 m di Figura 2 - Immagine Ikonos del 21 /09/2006

4 270 Convegno di Maratea risoluzione spaziale. Il risultato è una immagine a falsi colori con risoluzione spaziale di 1 m. Successivamente è stato applicato un filtro direzionale per evidenziare la consistenza del territorio ed in particolare la direzionalità degli elementi presenti. Il filtro permette di evidenziare caratteristiche lineari che possiedono un orientamento particolare quale la linea di costa. Il filtro viene applicato ad un angolo di 180 mediante una matrice (KERNEL) di dimensione 3 x 3 con le seguenti caratteristiche: Partendo dal presupposto che il mare è interpretabile come un liquido in quiete e che quindi non presenta caratteristiche lineari, l immagine dovrebbe evidenziare principalmente la differenza tra terra e mare, esaltando le features lineari quali la linea di riva, le strade e le case. L immagine satellitare Ikonos del 21 settembre del 2006 dopo l applicazione del filtro direzionale si presenta come in figura 3. In questa figura si notano le caratteristiche principali dette innanzi, alle quali, in alcuni tratti del litorale, si aggiungono strutture lineari dovute ai piccoli frangimenti che si verificano in prossimità della linea di riva. Il risultato ottenuto dalla applicazione del filtro direzionale viene moltiplicato per la Banda 4 mediante l algoritmo Band Math, al fine di rendere la differenza tra terra e mare ancora più evidente (figura 4). Figura 3 - Elementi lineari evidenziati attraverso l applicazione del filtro direzionale (Base Immagine Ikonos del 21 /09/2006)

5 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare 271 Figura 4 - Output dell applicazione dell algoritmo Band Math (Base Immagine Ikonos del 21 /09/2006) L immagine ottenuta come output di questa elaborazione viene utilizzata in ambiente GIS per supportare la successiva fase di interpretazione a video e vettorializzazione finale della linea di rivaa. Data la risoluzione spaziale dell immagine satellitare utilizzata, ovvero un metro lineare, la scala di vettorializzazione ottimale è compresa tra 1:2.500 e 1: La campagna di raccolta di dati di verità sul tratto di costa in esame Come detto in premessa, uno degli scopi del progetto IMCA è l analisi della fattibilità di un processo di estrazione semi-automatico della linea di riva da immagini satellitari. Anzitutto, questo processo necessita di una preparazione dell immagine satellitare, infatti, essa viene fornita con un errore di posizionamento rispetto alla realtà di circa 15 m a causa del modello utilizzato per l ortorettifica. Al fine di ridurre tale errore si è reso necessario un processo di georeferenzazione di precisione per il quale è stato effettuato un rilievo di campo preliminare indirizzato all acquisizione della posizione di punti riconoscibili anche sull immagine satellitare, da utilizzare per la definizione della geoposizione. Il rilevamento dei punti sul terreno è stato eseguito con uno strumento GPS con metodologia di acquisizione RTK. L output del rilievo è un data set di una decina di punti caratterizzati da un errore di posizione inferiore al metro sia sulla coordinata orizzontale che sulla coordinata verticale.

6 272 Convegno di Maratea Il numero di punti è stato considerato sufficiente per la georeferenzazione di precisione dell area di interesse. L applicazione del processo di geoposizionamento con un apposito software ha comportato la minimizzazione degli errori, all interno dell immagine, per valori inferiori a 2 m, errori confrontabili con quelli delle ortofoto della Regione Puglia del 2005, che al momento sono il prodotto disponibile più accurato. Contestualmente alle acquisizioni satellitari è stata effettuata anche una campagna di rilievi, con il GPS, della spiaggia emersa lungo il tratto di litorale in esame riportato nella figura 1. I rilievi sono stati eseguiti in 250 transetti (110 e 140 rispettivamente a ponente e levante del porto) posti ad una distanza di circa 7 m. I rilievi hanno evidenziato che la pendenza media del litorale sia a ponente che a levante del porto è di circa 8. I dati così rilevati sono stati poi corretti per tener conto delle diverse condizioni di marea registrate al mareografo installato nel porto di Manfredonia tra l ora di passaggio del satellite e l ora in cui sono state effettuate le misure di campo. Tale correzione permette di definire la nuova posizione plano-altimetrica dei rilievi in funzione dei valori di pendenza della spiaggia e della variazione verticale della marea. I dati così ottenuti sono stati impiegati per valutare l affidabilità della linea di riva estratta dall immagine satellitare con la procedura semiautomatica. La procedura innanzi esposta è stata eseguita per due immagini satellitari Ikonos acquisite il 21 settembre del 2006 e il 16 Maggio Validazione dei risultati Di seguito sono esposti i risultati del confronto tra le linee di riva estratte con la procedura semi-automaticamente e quelle ricavate dai rilievi GPS. In figura 5 è riportata l immagine del tratto di litorale a ponente del porto rilevato da Ikonos II il 21 settembre del 2006, sulla quale sono state sovrapposte le linee di riva ottenute attraverso il processo semi-automatico (linea chiara) e il rilievo GPS (linea scura). Nella figura 6 sono riportate in tratteggio la linea estratta semi-automaticamente e in scuro quella rilevata con il GPS per il tratto di costa a levante del porto. Le due figure evidenziano che le due linee di riva, pur intersecandosi in diversi punti, sono qualitativamente molto simili.

7 Coste: Prevenire, Programmare, Pianificare 273 Figura 5 - Lato a ponente del porto di Margherita di Savoia. Le linee di riva ottenute con il processo semi-automatico e con i rilievi di campo sono, rispettivamente, in chiaro e in scuro. (Base immagine Ikonos II del 21 /09/2006) Figura 6 - Lato a levante del porto di Margherita di Savoia. Le linee di riva ottenute con il processo semi-automatico e con i rilievi di campo sono, rispettivamente, in tratteggio e scuro. (Base immagine Ikonos del 21 /09/2006)

8 274 Convegno di Maratea Analoghi andamenti si sono ottenuti per l immagine Ikonos acquisita il 16 maggio del 2007 che qui non si riportano per brevità. Per ricavare indicazioni quantitative sull affidabilità del processo di restituzione semi-automatica sono stati elaborati i dati delle linee di riva calcolando le loro differenze nei transetti utilizzati per i rilievi di campo. Successivamente sono stati calcolati i valori minimi, massimi, medio e lo scarto quadratico medio. Per l immagine acquisita il 21 settembre 2006 la fascia di indeterminazione delle differenze è di +/- 6 m con uno scarto quadratico medio di 3,2 m, mentre per quella acquisita il 16 maggio 2007 la fascia di indeterminazione delle differenze è di +/- 6,35 m con uno scarto quadratico medio di 3,02 m. Per le due prove, quindi, anche se effettuate in tempi diversi, le differenze tra la linea di riva estratta semi-automaticamente e quella rilevata sul campo sono del tutto paragonabili e, in complesso, indicano che con il processo di restituzione adottato si ottengono risultati soddisfacenti. Nell ambito del progetto di ricerca IMCA sono previste altre due elaborazioni di immagini satellitari con le quali si intende verificare ed, eventualmente, migliorare i risultati. In particolare si cercherà di effettuare i rilievi di campo in contemporanea al passaggio del satellite e, in alcuni transetti, sarà effettuata una caratterizzazione della sabbia al fine di migliorare la fase di interpretazione a video dell immagine ottenuta dopo l applicazione dell algoritmo Band-Math. Bibliografia Bo G., Delle Piane S., De Laurentiis R. (2000) - Semiautomatic coastline detection in remotely sensed images, Geoscience and Remote Sensing Symposium, Proceedings. IGARSS 2000, 5, Damiani L., Petrillo A.F., Ranieri G. (2002) - Management of coastal area in Apulia Region, Landscapes of Water, History, Innovation and Sustainable Design, 1, Uniongrafica Corcelli Editrice, Bari. Dominici D., Feltrami G.M., De Girolamo P., Visca C., Del Guzzo F., Caputi P. (2006) - Monitoraggio costiero a scala regionale mediante immagini satellitari ad alta risoluzione, XXX Convegno di Idraulica e costruzioni idrauliche, Roma, Settembre 2006 Sterponi L., Urrutia C., Ciurlia S., De Pascalis S., Moschettini A. (2007) - Sistema WEBGIS di monitoraggio satellitare delle coste della Provincia di Lecce, SIMONCOSTA. ASITA Nov, 2007 Victorov S., Bychkova I., Popova T., Sukhacheva L. (2004) - Remote sensing change detection in coastal zone landscapes: Case study of St. Petersburg Region, EcoSys Supplements, Zakariya R., Rosnan Y., Saidin S.A., Yahaya M.H., Kasawani I., Lokman H. (2006) - Shoreline detection and changes for Terengganu river mouth from satellite imagery (Landsat 5 and Landsat 7), Journal of Sustainability Science and Management, 2006, 1 (1),