ATTIVITA' DI RICERCA SVOLTA

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1 ATTIVITA' DI RICERCA SVOLTA Raimondo De Laurentiis Dottorato in Scienza ed Ingegneria dello Spazio Introduzione Il primo anno di attività nell ambito del dottorato di ricerca in Scienza ed Ingegneria dello Spazio ha avuto come argomento l individuazione delle potenzialità delle tecniche di telerilevamento nell ambito del monitoraggio della zona costiera. In tale contesto è stato inoltre applicato a particolari immagini telerilevate, un algoritmo basato sul concetto di connettività fuzzy, per la determinazione della linea di costa. Inoltre, le attività condotte nel corso del primo anno hanno riguardato lo studio relativo al trasferimento delle tecnologie sviluppate in ambito spaziale ad altri settori dell industria. Il monitoraggio della zona costiera utilizzando le tecniche del telerilevamento La zona costiera: definizione e problematiche: L'ambiente marino rappresenta circa i due-terzi della superficie terrestre, la rimanente parte è rappresentata dall'ambiente terrestre e la zona di transizione viene definita ambiente costiero. Nonostante esso rappresenti solamente il 15% dell'intera superficie terrestre, è qui che la maggioranza della popolazione terrestre vive e lavora: il 60% dell'intera popolazione mondiale risiede infatti entro i primi 60 Km dalla linea di costa (Conferenza di Rio de Janeiro 1992; Agenda 21, Cap.17) e questa percentuale è destinata a raggiungere, nel 2020, il 75%. Nella zona di costa l'ambiente marino e quello terrestre interagiscono e risulta quindi difficile delinearne l'area dal momento che questa varia a seconda della zona in esame. Da uno studio effettuato dall'esa nel 1995 (Coastal Zone Earth Watch Study) le principali caratteristiche e le principali minacce per le zone costiere europee possono essere descritte come segue: le condizioni climatiche delle zone costiere europee variano enormemente a seconda della posizione geografica; da Nord a Sud infatti troviamo climi freddi, umidi e ventosi e climi caldi e secchi; ciò comporta una consistente e varia richiesta di sistemi di monitoraggio; la copertura delle nuvole è molto più frequente nel Nord rispetto al Mediterraneo e questo crea delle complicazioni nella scelta e utilizzo di dati satellitari; il fenomeno della marea risulta poco significativo nel Mediterraneo e nel Mar Baltico, ma è di grande rilevanza in molte regioni del Nord-Ovest europeo; le zone costiere sono in genere densamente abitate (circa 70% della popolazione europea), considerando anche i picchi che si raggiungono durante la stagione estiva nelle zone turistiche; molte zone di costa sono altamente industrializzate (industrie off-shore, traffico marittimo, pesca, maricoltura ecc.) e ciò aumenta il rischio di inquinamento; in molte aree l'erosione costiera ed il trasporto di sedimenti hanno grande impatto sulla batimetria e sulla linea di costa; la protezione contro l'innalzamento del livello del mare e contro le esondazioni fluviali è questione di vitale importanza in paesi, come l'olanda, nei quali si sono resi necessari sistemi di monitoraggio continui. La conferenza di Rio de Janeiro segna un passo importante per la gestione integrata e la protezione della zona costiera. In particolare in base all'agenda 21, Capitolo 17 dal titolo "Protection of the oceans, all kinds of seas, including enclosed and semi-enclosed seas, and coastal areas and the protection, rational use and development of their living resources" gli stati costieri partecipanti si impegnano a: Integrare, a livello di giurisdizione nazionale, lo sviluppo sostenibile delle zone costiere e la protezione dell'ambiente marino; Sponsorizzare lo sviluppo e l'applicazione di metodologie per il monitoraggio delle zone costiere ed in particolare dell'inquinamento e dell'erosione della costa; Creare appositi organismi di coordinamento per la gestione integrata delle zone costiere sia a livello locale che nazionale, e per l'identificazione delle aree critiche in erosione; - 1 -

2 Implementare la capacità di gestione di tutti i dati riguardanti la zona costiera ed in particolare le informazioni relative all'impatto ambientale delle attività umane, dirette ed indirette, che influiscono sull'ambiente costiero. All'interno di questo grande quadro di Gestione Integrata delle Coste, viene quindi espressa a livello internazionale la necessità di ricercare nuove tecnologie per un monitoraggio ad ampio raggio della zona costiera. In ragione di questo il telerilevamento gioca il suo ruolo avendo tutte le potenzialità per essere la tecnica efficace e veloce che si ricerca. Un recente studio promosso dall'unione Europea (EU Geospatial and Environment Information Needs, in collaborazione con JRS-SAI e DGXII, 1998), evidenzia il ruolo potenziale dei dati satellitari nel fornire le informazioni necessarie alla politica dell'unione nel settore ambientale. Risulta evidente il tentativo di far conoscere ai possibili utenti le potenzialità del telerilevamento. Individuazione delle risoluzioni necessarie: L'attività di ricerca svolta ha avuto l'obiettivo di identificare le potenzialità delle tecniche di telerilevamento a seconda dell'applicazione considerata. Le principali caratteristiche che determinano l'applicabilità di un tipo di dati rispetto ad un altro sono: la risoluzione spaziale; la risoluzione temporale. E' necessario quindi, per ciascuno dei possibili settori di applicazione in considerazione, definire quali siano i sensori più idonei in base alle loro caratteristiche di acquisizione. E' stata identificata come applicazione base da cui partire il monitoraggio della linea di costa in quanto, in base allo stato dell'arte, esso risulta essere tra le principali problematiche relativa alla zona costiera. L'erosione della costa comporta infatti la perdita di vaste porzioni di arenile. La spiaggia costituisce una risorsa naturale difficilmente rinnovabile, un vero e proprio capitale per le località turistiche balneari. Si ricorda inoltre che la costa è un sistema in continua evoluzione: oltre a quelle stagionali, possono infatti verificarsi variazioni del profilo di costa, dovute a forti mareggiate oppure dovute alla ricerca nel tempo, da parte del litorale, di un profilo di equilibrio. Da qui la necessità di scegliere tre differenti livelli a cui riferirci: Natural hazards: se ci riferiamo a questo livello, lo studio della costa va inteso come il poter determinare i rapidi cambiamenti dovuti ad eventi estremi; ricordiamo infatti come la linea di costa possa subire repentine variazioni dovute all effetto combinato di forti correnti litoranee e forte vento. Questa è probabilmente il livello in cui il monitoraggio del litorale risulta più complesso per due fattori principali: l elevata risoluzione temporale richiesta per la campagna dati (le variazioni sono infatti dell ordine delle poche ore) e la copertura nuvolosa che tipicamente accompagna i cosiddetti eventi estremi; Ecological assessment: va inteso come il livello a cui ci si riferisce se si esegue il monitoraggio della costa per conoscerne lo stato di avanzamento o di arretramento. Questo è il livello in cui il monitoraggio della linea di costa ha un importanza maggiore: dalle variazioni annuali infatti si può prevedere la dinamica evolutiva, la cui conoscenza è indispensabile per un organica programmazione degli interventi sui litorali e, più in generale, per una corretta gestione del territorio. Environmental management: è il livello in cui il monitoraggio viene eseguito in maniera quasi continua nel tempo; esso è utile non solo per conoscere lo stato della costa ma anche per studiare i processi (erosione, sedimentazione, trasporto di sedimenti) che ne determinano i cambiamenti

3 Naturalmente le risoluzioni spaziali e temporali richieste variano a seconda del livello di analisi a cui ci si riferisce. L'attività svolta ha messo in evidenza che tramite le tecniche del telerilevamento satellitare: non si è in grado di rilevare i cambiamenti dovuti a eventi estremi perché la risoluzione temporale richiesta, dell'ordine di un'ora, risulta troppo elevata (Natural hazards); è possibile monitorare, in determinate condizioni gli effettivi cambiamenti della linea di costa su una scala temporale annuale (Ecological assessment); risulta difficile studiare i processi che influenzano l'evoluzione del litorale per il fatto che la precisione richiesta, dell'ordine di 0.5 metri, risulta troppo elevata (Environmental monitoring). A prescindere da ciò, i dati telerilevati da satellite risultano non sufficienti al monitoraggio della costa a questo livello: troppi sono infatti i fattori che influenzano i cambiamenti della geomorfologia litoranea da poter presupporre l utilizzo del dato telerilevato come unico strumento di informazione e calcolo. L ingegneria costiera, ed in particolare lo studio riguardante i modelli di simulazione del trasporto solido litoraneo, prende in considerazione le cosiddette unità fisiografiche in quanto sistemi aperti: i flussi di materiale sabbioso in entrata ed in uscita dipendono da innumerevoli fattori che non è possibile quantificare unicamente con il dato telerilevato. In base alle osservazioni precedenti, i satelliti che possono venire utilizzati per un monitoraggio della costa sono: Landsat [figura 1-2] IRS [figura 3] I satelliti che forniscono dati SAR (ERS-1, JERS, ecc.) [figura 4] I satelliti SPOT [figura 5] COSMOS [figura 6] Per ciascuno dei satelliti citati si riporta una breve tabella contenente i sensori installati con le relative risoluzioni. Sensore Risoluzione Temporale [giorni] LANDSAT TM IRS LISS ERS-1 ERS-2 SAR SPOT HRV COSMOS KVR Risoluzione Spaziale [m] - 3 -

4 Raimondo De Laurentiis Dottorato in Scienza ed Ingegneria dello Spazio Figura 1: Immagine acquisita dal LANDSAT riguardante una porzione di costa canadese Figura 2: Immagine acquisita da LANDSAT raffigurante il porto di Seoul Figura 3: Immagine LISS acquisita dal satellite IRS-1 raffigurante il porto di Toronto, Canada -4-

5 Figura 4: Immagine SAR acquisita da ERS-1 il 7 Gennaio 1992 raffigurante lo stretto di Gibilterra Figura 5: Immagine acquisita da satellite SPOT, raffigurante l'isola di Hilton (USA) Figura 6 Immagine KVR-1000 acquisita dal satellite Cosmos raffigurante la città di Dublino

6 E necessario inoltre prendere in considerazione il fatto che ultimamente sono state commercializzate nuove tipologie di dati, detti ad alta risoluzione spaziale, che, per le loro caratteristiche intrinseche, risulterebbero in prima analisi ideali per l applicazione di cui sopra. Tali dati, caratterizzati da una risoluzione dell ordine di un metro, aprono un importante scenario, caratterizzato però da alcune problematiche. Tale elevata risoluzione spaziale infatti comporta una sovrabbondanza di dettaglio che, al fine dell individuazione della linea di costa, potrebbe determinare una complicazione di calcolo. Dai dettagli relativi ad un ponte, un molo o addirittura un palazzo proiettato in altezza sullo specchio dell acqua potrebbero derivare risultati di estrapolazione della linea di costa imprecisi [figura 7]. Figura 7: Immagine di Londra acquisita da satellite Ikonos. Si noti come la sovrabbondanza di dettaglio complichi la determinazione della linea separatrice acqua-terra. Nell ambito del monitoraggio della zona costiera, l'attività di ricerca ha inoltre riguardato l'applicazione di un algoritmo basato sui concetti fuzzy e di estrazione delle caratteristiche di tessitura per l'elaborazione di immagini telerilevate al fine di individuare la linea di costa. Si sono presi in esame dati di tipo radar ad apertura sintetica (SAR). Il buon risultato ottenuto, porta considerevoli vantaggi nel problema della generazione della mappa di elevazione; infatti, la linea di costa estratta può essere imposta come condizione al contorno del dominio spaziale per la risoluzione dello srotolamento della fase (phase unwrapping) mediante l'approccio ai minimi quadrati, eliminando informazioni inutili e producendo una mappa di elevazione più precisa. Ricerca delle ricadute applicative delle tecnologie spaziali in settori industriali non spaziali L'attività di ricerca svolta rientra nelle azioni dell'agenzia Spaziale Europea che, dal 1990, supporta il Programma di Trasferimento Tecnologico, rivolto alla ricerca di applicazioni non convenzionali delle tecnologie spaziali in settori industriali non spaziali. Avendo a disposizione un portafoglio di tecnologie sviluppate in programmi di ricerca ESA, e tramite l'identificazione delle necessità tecnologiche delle società contattate, l'attività di ricerca ha permesso di identificare la tecnologia spaziale che meglio si adattasse, in prima battuta, alla necessità tecnologica. Grazie alle diverse visite a società attive nei diversi settori industriali, quali ad esempio il settore lapideo, il tessile e quello automobilistico è stato possibile identificare situazioni nelle quali effettivamente la soluzione "spaziale" poteva essere presa in considerazione

7 ATTIVITÀ DI RICERCA PREVISTA Raimondo De Laurentiis Dottorato in Scienza ed Ingegneria dello Spazio Il monitoraggio della zona costiera utilizzando le tecniche del telerilevamento In tale ambito l'attività di ricerca sarà concentrata sulle possibili applicazioni delle nuove tipologie di dati telerilevate ad alta risoluzione nell'ambito del monitoraggio della zona costiera. In particolare verrà condotto uno studio approntato sull'utilizzo di dati telerilevati applicato alle strutture di ingegneria marittima e civile. Le tecniche tradizionali risultano infatti dispendiose in termini di campagne di acquisizione dati: per questo motivo ultimamente tali tecniche, che comprendono ad esempio la rilevazione del terreno tramite topografia tradizionali, vengono affiancati a ben più evolute metodologie di acquisizione quali utilizzo di ricevitori GPS. L'utilizzo delle tecniche di telerilevamento per il monitoraggio delle strutture marittime (dighe, moli ecc) potrebbe portare un notevole miglioramento in termini di ottimizzazione delle risorse economiche necessarie. Una possibile problematica relativa all'utilizzo di tali tecniche potrebbe essere tuttavia l'aumento, ancora da verificare, dei costi per il processing dei dati. Nell ambito delle attività di ricerca previste, verrà quindi condotto uno studio riguardante un analisi di applicabilità economica dei dati telerilevati. Confrontando i costi relativi alle tradizionali operazioni di acquisizione dati con i costi relativi all acquisto delle immagini telerilevate ed al processing delle stesse, necessario per l estrapolazione delle informazioni di interesse, sarà infatti stimare l impatto sul mercato che il telerilevamento applicato potrà avere nel prossimo futuro. Da una prima analisi lo scenario presente è in continua evoluzione ed il lancio in orbita di nuovi satelliti e sensori, contribuiscono a questo. Lo studio sarà condotto sia prendendo in esame la sensoristica odierna sia, considerando i satelliti che verranno lanciati nel prossimo futuro come ad esempio COSMO-SKYMED, nuova collaborazione tra le Agenzie italiana e francese sullo sviluppo di una costellazione di satelliti dedicati all area geografica del mediterraneo. Ricerca delle ricadute applicative delle tecnologie spaziali in settori industriali non spaziali L'attività di ricerca avrà come scopo l'individuazione di ulteriori applicazioni non convenzionali per le tecnologie ed il know-how sviluppato nel settore non spaziale. Saranno inoltre messo a punto, in collaborazione con ESA nuove metodologie per la divulgazione delle tecnologie spaziali, in pieno accordo con le finalità dell'agenzia stessa ed in sinergia con le azioni dedicate alle piccole e medie imprese della Commissione Europea

8 ATTIVITA' DIDATTICA SVOLTA "Strutture intelligenti: Monitoraggio e controllo attivo" - Lezioni tenute dal Prof. Andrea Del Grosso (DISEG). ATTIVITA' DIDATTICA PREVISTA "Teoria e Tecniche di riconoscimento 1 e 2" - Lezioni tenute dal Prof. Serpico e dalla Prof.ssa Dellepiane (DIBE). PARTECIPAZIONI A CONVEGNI 4 a Conferenza Nazionale ASITA, Genova - Magazzini del Cotone, 3-6-Ottobre th International Conference "High-Tech Cars and Engines Modena Maggio 2000 (relatore) Convegno Nazionale "Nuove opportunità per la Ricerca e lo Sviluppo Tecnologico nelle PMI: servizi e finanziamenti", Modena, 31 Marzo 2000 (relatore) PUBBLICAZIONI G. Bo, S. Dellepiane, R. De Laurentiis, "Semiautomatic coastline detection in remotely sensed images", Proc. The International Geoscience and Remote Sensing Symposium - IGARSS 2000, July 2000, Honolulu, USA, pp A.Barbagelata, R. De Laurentiis, S.Carosio The automotive high-tech sector: improvements related to the use of technologies developed in space research projects ; 6th International Conference "High-Tech Cars and Engines", Modena, Maggio

Dott. Raimondo De Laurentiis

Dott. Raimondo De Laurentiis Dott. Raimondo De Laurentiis RELAZIONE SULL'ATTIVITA' E LE RICERCHE SVOLTE ALLA CONCLUSIONE DEL II ANNO DEL XV CICLO DEL CORSO DI DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE E INGEGNERIA DELLO SPAZIO 1. TEMATICHE

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