Mappatura delle coperture in cemento-amianto tramite riprese iperspettrali MIVIS

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1 Mappatura delle coperture in cemento-amianto tramite riprese iperspettrali MIVIS Lorenzo Busetto (1,2), Martino Michieletti (1,3) (1) DISAT Università Statale di Milano Bicocca - Laboratorio di Telerilevamento; (2) CNR Istituto sull inquinamento atmo sferico Roma; (3) ARPA Lombardia 1. Introduzione e normativa vigente I materiali in cemento amianto sono costituiti da una matrice di cemento contenente dal 6 al 12% di fibre di amianto. Questo materiale è stato utilizzato, tra l altro, per la produzione di lastre da utilizzare come copertura esterna per gli edifici industriali e civili. Grazie alle notevoli caratteristiche di resistenza meccanica e al basso costo le lastre in cemento-amianto sono state largamente impiegate, e sono attualmente diffuse su tutto il territorio nazionale. Dopo un certo numero di anni dalla messa in opera, tuttavia, le lastre tendono a rilasciare in atmosfera una notevole quantità di fibre di amianto, potenzialmente dannose per la salute umana. La Legge n. 257 del 1992, che ha messo al bando tutti i prodotti contenenti amianto, ha vietato la produzione e l utilizzo del cemento-amianto, prevedendo inoltre che le regioni censissero gli edifici nei quali erano presenti materiali o prodotti contenenti amianto. Il recente Decreto 18 marzo 2003 n.101 del Ministero dell ambiente e della tutela del territorio detta le regole per la realizzazione della mappatura completa delle zone del territorio nazionale interessate dalla presenza di amianto e per la realizzazione degli interventi di bonifica di particolare urgenza. Il decreto individua i criteri per l attribuzione del carattere di urgenza agli interventi di bonifica, i soggetti preposti alla realizzazione della mappatura e gli strumenti e le modalità con cui la stessa deve essere realizzata. Secondo le disposizioni di legge, la mappatura deve avvenire in due fasi successive: durante la prima fase i siti caratterizzati dalla presenza di amianto devono essere individuati e delimitati, mentre nella seconda fase è necessario selezionare i siti per i quali sono necessari interventi di bonifica urgenti. Il decreto prescrive inoltre che la mappatura delle zone interessate dalla presenza di amianto venga realizzata avvalendosi di sistemi informatici impostati su base territoriale, imponendo che i siti individuati siano precisamente ubicati su una base cartografica. Le tecniche di telerilevamento iperspettrale da piattaforma aerea rappresentano una valida alternativa ai metodi di censimento tradizionali delle coperture in cementoamianto, effettuati mediante ispezione visiva delle superfici e prelievo sul campo di campioni di copertura da analizzare successivamente in laboratorio. Nel presente contributo viene brevemente descritta la procedura sviluppata presso il Laboratorio di Telerilevamento dell Università di Milano-Bicocca ai fini dell identificazione delle coperture in cemento-amianto presenti in ambito urbano ed agricolo attraverso l utilizzo del sensore aviotrasportato MIVIS (Multispectral Hyperspectral Imaging Spectrometer). Vengono inoltre discussi i risultati ottenuti in termini di accuratezza della classificazione e le possibilità offerte dall integrazione in ambiente GIS della mappa delle coperture con altri strati informativi ai fini della programmazione delle operazioni di bonifica.

2 2. Procedura di classificazione delle coperture in cemento-amianto La tecnica di classificazione delle coperture in cemento-amianto proposta è stata sviluppata utilizzando immagini acquisite sul territorio comunale di Peschiera Borromeo (MI) in data 01/08/2000, mediante il sensore MIVIS. La quota di volo era di circa 1350 metri, cui corrisponde una risoluzione al suolo dell immagine di circa 2.7 metri. Il MIVIS è un sensore iperspettrale in grado di registrare la radiazione elettromagnetica proveniente dalla superficie della terra in 102 canali di ripresa distribuiti nelle regioni spettrali del visibile, dell infrarosso vicino e medio e dell infrarosso termico. L elevato numero di bande di registrazione del MIVIS permette di distinguere con notevole accuratezza i diversi tipi di superfici presenti nelle aree analizzate. L esperienza già acquisita nel corso del lavoro di classificazione delle coperture in cemento-amianto presenti nel comune di Broni (PV) ha permesso di sviluppare una procedura standard per l elaborazione delle immagini MIVIS che viene qui rapidamente descritta. (Fig. 1) Le immagini sono state innanzitutto calibrate utilizzando l algoritmo I.A.R.R. (Internal Avarage Relative Reflectance) allo scopo di normalizzare i valori di radianza misurati nei diversi canali del MIVIS. Le immagini calibrate sono state in seguito sottoposte ad una trasformazione M.N.F. (Maximum Noise Fraction), che permette di ridurre il rumore presente nei dati iperspettrali e di condensare l informazione contenuta nell immagine in un numero ridotto di bande sintetiche. L utilizzo della trasformazione MNF permette di aumentare la separabilità spettrale dei diversi tipi di superficie e consente inoltre di eseguire le successive elaborazioni su un numero ridotto di bande, riducendo quindi considerevolmente i tempi di elaborazione. Figura 0: Diagramma di flusso della procedura di classificazione Figura 0: Selezione di un training set per il cemento- amianto L identificazione delle coperture in cementoamianto è stata a questo punto realizzata mediante una semplice procedura Image Based. Mediante rilievi a terra e analisi di foto aeree ad alta risoluzione sono state quindi innanzitutto identificate, su ognuna delle immagini analizzate, alcune superfici campione in cemento amianto (training sets) (Figura 2). Queste aree campione sono state successivamente utilizzate per determinare il comportamento spettrale medio del cementoamianto. La classificazione è stata infine realizzata utilizzando l algoritmo di classificazione S.A.M. (Spectral Angle Mapper), assegnando alla classe cemento-amianto soltanto

3 i pixel che presentavano una firma spettrale simile alla firma media individuata sul training set. Il valore di soglia utilizzato per la classificazione è stato di 0.5 radianti. In Figura 3 è riportato un esempio della classificazione ottenuta. La verifica dell accuratezza della classificazione è stata eseguita in una zona industriale del Comune di Peschiera Borromeo che presentava un elevata densità di coperture in cemento-amianto. Sono stati quindi selezionati 5000 pixels distribuiti casualmente nella zona considerata, e sono stati realizzati dei rilievi a terra per verificare quali tra questi punti corrispondevano a coperture in cemento-amianto. I risultati della verifica dell accuratezza sono riassunti in Tabella I. L elevato valore della producer s accuracy indica una buona efficacia della metodica di classificazione utilizzata, che permette quindi di individuare la maggior partee delle coperture in cemento-amianto presenti nella zona considerata, anche se di piccole dimensioni. Il minore valore della user s accuracy sta invece ad indicare che alcune coperture di materiale diverso (es. bitume, asfalto) vengono erroneamente classificate come cemento-amianto, per cui la superficie complessiva delle coperture tende ad essere sovrastimata. Verità a terra Altre coperture Cementoamianto Totale Classificato Non classificato Cemento- amianto Totale Errore di commissione Errore di omissione User s Accuracy (%) Producer s Accuracy (%) Classificazione Cemento - amianto 14.1 % 7.4 % 85.9 % 93.6 % Figura 3: Esempio di classificazione delle coperture in cemento-amianto Tabella : Verifica dell'accuratezza della classificazione Un problema riscontrato nel lavoro di classificazione è legato al comportamento non lambertiano delle superfici, che fa sì che la firma spettrale media del cementoamianto sia differente nelle diverse immagini analizzate, a causa della differente geometria sole-superficie-sensore (Figura 4). Questo problema costringe a selezionare un diverso training set per ciascuna immagine analizzata, in quanto non è possibile individuare un comportamento spettrale medio delle superfici valido per tutta l area analizzata. Eventuali nuove campagne di acquisizione di immagini Firme Radianza Cemento-Amianto MIVIS dovrebbero quindi essere realizzate in modo da minimizzare questo effetto: a questo scopo, risulta necessario pianificare attentamente il piano di volo, impostando la rotta in modo che l aereo voli sempre il più possibile vicino al solar principal plane, ossia con il sole direttamente di fronte o direttamente alle spalle. DN Wavelenght (micron) Figura 4: Confronto tra la firma di radianza della stessa superficie in cemento-amianto ripresa in due immagini differenti Strisciata 16 Strisciata 17

4 3. Georeferenziazione e mosaicatura delle immagini Come riportato precedentemente, la normativa vigente prevede che le mappe dei siti a rischio amianto siano georeferenziate ed esportate in un formato utilizzabile in ambiente GIS. A questo scopo, le immagini MIVIS classificate sono state georeferenziate e mosaicate, dopodiché la classificazione del cemento-amianto è stata vettorializzata ed importata in Arcview?. La georeferenziazione è stata realizzata selezionando sull immagine un elevato numero di punti con coordinate note, al fine di individuare una funzione di trasformazione tra le coordinate immagine e le coordinate geografiche (Tecnica di warping polinomiale). Questa tecnica di georeferenziazione richiede tuttavia una notevole quantità di lavoro da parte dell operatore, in quanto il numero di punti di controllo necessari per ottenere una buona accuratezza geometrica risulta molto elevato. Nel caso delle immagini di Peschiera Borromeo, ad esempio, per georiferire una singola immagine MIVIS (corrispondente a una superficie al suolo di circa 18 Km 2 ) è stato necessario individuare circa 60 punti di controllo. La precisione della georeferenziazione può inoltre risultare molto scarsa nel caso in cui la zona coperta dall immagine presenti notevoli variazioni di quota. I problemi sopra descritti rendono quindi sconsigliabile l utilizzazione della tecnica dello warping polinomiale nel caso in cui sia necessario individuare le coperture in cemento-amianto a livello provinciale o regionale. Una possibile alternativa è attualmente offerta dai software per la georeferenziazione parametrica dei dati telerilevati acquisiti da piattaforma aerea. Questi software permettono di ortorettificare le immagini MIVIS utilizzando come input i dati relativi alla posizione dell aereo e ai suoi movimenti durante il volo. Esperimenti preliminari condotti utilizzando il software PARGE? hanno permesso di verificare la notevole accuratezza ottenibile utilizzando le tecniche di georeferenziazione parametrica. Il vantaggio principale di questa tecnica consiste nel fatto che il numero di punti di controllo necessari per la procedura risulta notevolmente inferiore, per cui é possibile ridurre drasticamente il carico di lavoro necessario per georiferire i dati MIVIS. In Figura 5 è riportata a titolo di esempio una porzione di immagine georiferita utilizzando il software PARGE e utilizzando soltanto 15 punti di controllo, numero largamente insufficiente per impostare una georeferenziazione di tipo polinomiale. Figura 5: Sovrapposizione della CTR in scala 1: con una porzione di immagine MIVIS georeferenziata con il software PARGE

5 4. Individuazione delle priorità di intervento L obiettivo perseguito nella ultima parte del presente lavoro di ricerca è stato quello di creare un SIT (Sistema Informativo Territoriale) rivolto alla Pubblica Amministrazione, finalizzato alla gestione delle operazioni di bonifica delle coperture in cemento-amianto. I SIT rappresentano un mezzo di grande utilità nella pianificazione territoriale e nel supporto alle decisioni circa le problematiche ambientali, in quanto consentono di gestire una grande quantità di dati geografici, permettendo di prevedere fenomeni legati al territorio e di esplorare possibili scenari ad essi collegati. La struttura del GIS permette inoltre un rapido aggiornamento delle informazioni, sia in termini di modifica dei dati esistenti che di introduzione di nuovi dati. Nella fase progettuale del sistema informativo si è provveduto alla raccolta dei piani di informazione ritenuti necessari al fine di una completa analisi della problematica cemento-amianto. Gli strati informativi utilizzati sono stati i seguenti: Zone del Piano Regolatore Generale; Reticolo viario; Mappa degli edifici; Mappa dei target considerati più sensibili (es. Scuole, Campi Sportivi, Luoghi di culto.) Superficie m D1: Completamento produttivo B3: Completamento residenziale E1: Produttiva agricola AP: Interesse generale B2: Residenziale satura B1: Risanamento edilizio D2: Sviluppo produttivo F1: Tempo libero ZRE: Recupero edifici rurali Figura 6 Superficie delle coperture in cementoamianto presenti nelle diverse zone del P.R.G. Analizzando la mappa relativa alle zone del piano regolatore è stato possibile analizzare la distribuzione delle coperture in cementoamianto in funzione della destinazione d uso riportata nel P.R.G. La Figura 6 mostra la superficie di coperture in cemento-amianto presente nelle diverse zone. La grande maggioranza delle coperture si trova nelle aree industriali (Aree D1 e D2) in cui sono stati stimati più di m 2 di coperture in cemento-amianto, pari a circa il 61% della superficie totale delle aree edificate industriali. La superficie in cemento-amianto presente nelle zone agricole e industriali risulta invece nettamente inferiore, ma comunque non trascurabile se si considera l elevata densità abitativa di queste aree. A causa dei tempi e dei costi necessari per la bonifica di una così ingente quantità di materiali diventa indispensabile essere in grado di determinare le situazioni di maggiore pericolo per la cittadinanza, per individuare le priorità per gli interventi di messa in sicurezza delle coperture. Sono stati quindi individuati dei criteri che permettessero di valutare quali fossero le aree a maggior rischio. I criteri selezionati sono stati la Distanza dei target sensibili (Aree residenziali, scuole, asili, strutture ospedaliere, parchi, ecc.), le Dimensioni delle coperture (a maggiori dimensioni corrisponde una maggiore quantità di fibre rilasciabili), la Distanza da arterie stradali a traffico elevato (a causa dell azione di triturazione e riduzione delle dimensioni delle fibre di amianto esercitato dal traffico veicolare). In base a questi criteri è stato possibile suddividere le coperture in cementoamianto in quattro principali classi legate alla priorità di bonifica. In Figura 7 è riportato un esempio di suddivisione della mappa ottenuta a partire dalle immagini MIVIS nelle quattro classi di priorità di intervento.

6 5. Conclusioni Le tecniche di telerilevamento iperspettrale da piattaforma aerea si sono dimostrate molto utili allo scopo di identificare e mappare le coperture in cemento-amianto. Tali tecniche permettono di realizzare rapidamente mappe di notevole precisione, riducendo drasticamente i tempi di lavoro e consentendo un semplice inserimento della mappatura all interno di un Sistema Informativo Territoriale, come prescritto dalla legislazione vigente. L analisi in ambiente G.I.S. della mappa del cemento-amianto unitamente ad altri tematismi territoriali permette inoltre di identificare le coperture che rappresentano un rischio potenzialmente più elevato per la popolazione, e consente quindi di pianificare oculatamente le operazioni di bonifica. Bibliografia?? Chiappino G., Venerandi I. - L erosione delle coperture in cemento-amianto: una importante sorgente di inquinamento ambientale, La medicina del lavoro, 82, (1991).?? Fiumi L., Camilucci L., Campopiano A., Casciardi S., Fioravanti F., Ramires D. I dati iperspettrali MIVIS per la mappatura delle superfici in cemento-amianto e prime valutazioni sullo stato di degrado - in Atti della IV conferenza nazionale ASITA, vol. II, (2001).?? Busetto L. Messa a punto di una metodologia di tipo Spectral Library Based per la mappatura di coperture in cemento-amianto, mediante l'applicazione di algoritmi per la correzione atmosferica ad immagini riprese con il sensore iperspettrale MIVIS Tesi non pubblicata, Università degli Studi di Milano-Bicocca (2001).?? Green A. A., Berman M., Switzer P,, Craig M. D. - A transformation for ordering multispectral data in terms of image quality with implications for noise removal - IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, v. 26, no. 1, p (1988).?? Schläpfer D. and Richter R., 2002 Geo-atmospheric Processing of Airborne Imaging Spectrometry Data Part 1: Parametric Orthorectification. - International Journal of Remote Sensing, 23(13): ?? Michieletti Martino Attività propedeutiche alla definizione delle linee guida per la bonifica delle coperture in cemento-amianto nel Comune di Peschiera Borromeo: utilizzo integrato di telerilevamento aereo iperspettrale e analisi di microscopia ottica finalizzate all implementazione di un S.I.T. - Tesi non pubblicata, Università degli Studi di Milano- Bicocca (2002).