Dinamica costiera: monitoraggio tramite web camera del litorale da Sestri Levante a Lavagna

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1 Dinamica costiera: monitoraggio tramite web camera del litorale da Sestri Levante a Lavagna D. C. Conley 1, M. R. Erdman 2 1 SACLANT Undersea Research Centre La Spezia, Italia 2 Erdman Video Systems Inc SW 129th Miami FL U.S.A. Riassunto I litorali compresi fra Sestri Levante e Lavagna rappresentano un tratto di costa interessato da significativi problemi di erosione, con presenza di numerose opere di difesa costiere trasversali rigide (pennelli) e con frequenti e ripetuti interventi di difesa morbida (ripascimenti artificiali). La presenza di queste strutture rende particolarmente interessante effettuare un monitoraggio di dinamica costiera in questo tratto per una valutazione dell influenza che queste opere hanno sull idrodinamica generale dell area. Scopo di questa ricerca è di dimostrare la praticità di utilizzare un sistema automatico di immagini per documentare la posizione della linea di riva ed evidenziare la dinamica costiera, anche attraverso le osservazioni di torbidità sottocosta. Introduzione Negli ultimi anni l avvento di nuove tecnologie ha profondamente cambiato le metodologie che riguardano il monitoraggio ambientale.in particolare il monitoraggio della fascia costiera per lo studio della variazione della linea di riva è stato interessato da tecniche quali il telerilevamento (Anthony et al, 2002), il GPS (Global Position System) (Stockdon et al, 2002) ed il video monitoraggio (Holman et al, 1993). In particolare, il monitoraggio di zone costiere usando apparati video è diventato recentemente abbastanza frequente con il diminuire dei prezzi dei sistemi di video digitalizzazione e dei computer, anche di notevole potenza, per la gestione delle immagini. Questa tecnologia è più economica di un sistema basato sul telerilevamento e nel suo utilizzo più generale permette di controllare le variazioni delle linee di costa (Plant & Holman, 1997), l andamento dei sedimenti in sospensione (Bezerra et al, 1998), il ripascimento di spiagge ( il traffico marittimo, l uso delle spiagge etc. Inoltre tale sistema di monitoraggio può essere associato ad un sistema software di gestione delle immagini collegato a Internet permettendo così la loro archiviazione e pubblicazione on-line in tempo reale. Il video monitoraggio quindi si rivela un ottima alternativa ai più costosi sistemi di telerilevamento per lo studio della fascia costiera in considerazione del fatto che tale sistema presenta un accuratezza dello stesso ordine di grandezza del monitoraggio con immagini satellitari. Il sistema di video monitoraggio è stato utilizzato nel Golfo del Tigullio, per valutare la sua efficacia nello studio della variazione della linea di riva e dell andamento dei sedimenti in sospensione. Tecniche per il Video monitoraggio di zone costiere Il sistema utilizzato in questo studio contiene una fotocamera digitale ad altissima risoluzione 2.5 megapixels con zoom 10X ottico. Con queste caratteristiche si ottiene un estrema precisione nei colori e nelle sfumature fornendo così una preziosa fonte d'informazione per le correnti, il fondale la direzione del moto ondoso e del vento (fig. 1) 46

2 Fig. 1. Esempio di immagine con fotocamera digitale. Nonostante la distanza della sistema (circa 1 Km) si notano chiaramente i movimenti di torbidità esaltati dalla perfetta rappresentazione dei colori il moto ondoso e la direzione del vento. Un'altra caratteristica di questo sistema e quella di effettuare la media delle immagini riprese (tecnica di "averaging") (Lippmann & Holman, 1989) usando un nuovo approach. La media d'immagini è ottenuta usando un filtro neutro e un lungo tempo di esposizione. Con un filtro appropriato, un'esposizione di oltre 16 secondi può essere ripresa un'immagine che è realmente la media delle immagini in quel periodo (16 secondi appunto). Il sistema metterà insieme una serie di queste immagini facendone poi ulteriormente la media, in pratica ad es. se ogni immagine rappresenta 16 secondi di media, in 10 minuti facendo ulteriormente la media di queste immagini avremmo un'immagine che rappresenta 160 secondi di media e così via. Questo è uno dei pochi semplici modi di elaborare una tecnica di "averaging" che può rivelare particolari che l'occhio umano difficilmente percepirebbe. La parte dell'immagine che non cambia apparirà infatti come una buona immagine particolarmente nitida, la parte che cambia (es. la gente che si sposta sulla spiaggia o il movimento della linea del bagnasciuga) apparirà come sfumato ma molto intenso nel colore (fig. 2). Spesso le immagini di questo tipo sono convertite nella scala di grigi per essere manipolate più facilmente, ma pensiamo che il colore possa rivelare informazione che altrimenti sfuggirebbero, come ad esempio cambi minimi della torbidità di superficie. Fig. 2. Tecnica di averaging : Con la media d'immagini i colori si sommano nei punti dove rimangono costanti, esaltando le differenze di fondale, il tragitto di eventuali correnti o dispersione d'inquinanti. Inoltre, da come si può osservare dalla fig. 2, questo sistema di video monitoraggio crea delle immagini composte ottenute dallo spostamento automatico della fotocamera per mezzo di un motore detto di brandeggio. Questa tecnica comporta delle piccole sovrapposizioni tra un'immagine e l'altra dovuti all'imperfetto allineamento delle immagini,soprattutto con forti zoom. Per evitare questo problema un apposito software corregge con un algoritmo la posizione delle immagini all'interno della composizione "attaccandole" con una precisione di 1 pixel. La necessità di avere immagini rettificate (ribaltate su di un piano orizzontale) per poter effettuare delle misurazioni di punti deve essere una delle principali caratteristiche per un buon 47

3 sistema di monitoraggio costiero, in modo tale da poter effettuare delle misure lineari all'interno delle immagini stesse. Una volta presi dei punti di riferimento e possibile avere delle misure di distanze per esempio determinare a che distanza dalla costa sono presenti delle barre sommerse, o semplicemente disegnare sull'immagine un contorno della linea di riva in un determinato periodo e valutarne le variazioni. La precisione di tale misurazioni, che può anche essere di poche decine di centimetri, dipende dalla distanza della fotocamera dalla zona monitorata (fig. 3). Fig. 3. Jupiter Inlet Fl (USA). L 'immagine a sinistra è reale; quella al centro è la stessa immagine rettificata. L'immagine a destra è ottenuta da una media d'immagini. Il sistema di video monitoraggio può essere collegato in Internet (web-camera) permettendo così lo scaricamento delle immagini, il controllo totale sul sistema e sulla sua programmazione, il controllo dello zoom e del motore di brandeggio con la possibilità, attraverso un solo sistema, di riprendere centinaia di scene. La stazione di video monitoraggio del Golfo del Tigullio La strumentazione utilizzata per la stazione del Golfo del Tigullio è composta dai seguenti componenti (fig. 4): una fotocamera con risoluzione di 2,1 megapixel con uno zoom ottico 10x. un anemometro un sensore termico un sensore igrometrico un pluviometro un computer connesso via cavo alla telecamera ed alla rete telefonica che raccoglie ed invia le immagini e i dati ottenuti Fig. 4. I componenti della stazione di video monitoraggio. 48

4 La scelta del sito di installazione della stazione di video monitoraggio è di notevole importanza. Tale posizione deve permettere alla fotocamera di comprendere l intera area di studio minimizzando la distanza tra la stazione e l area stessa in modo tale da ottenere il massimo dettaglio delle immagini. Nel golfo del Tigullio la posizione ottimale si è trovata sul campanile della chiesa di S. Giulia (Lavagna) (fig.5). Fig. 5. Il campanile della chiesa di S. Giulia (Lavagna). La stazione di video monitoraggio è a circa 1 Km dalla linea di riva ad una quota di circa 180 m; in questa posizione la fotocamera è in grado di monitorare l area della fascia costiera compresa tra Sestri Levante e Chiavari per un ampiezza di circa 9 Km (fig. 6). Fig. 6. Il campo visivo totale della fotocamera installata. I siti di interesse Lungo l area compresa tra Sestri Levante e Lavagna sono stati individuati 9 siti caratterizzati dalla presenza di opere marittime quali moli e pennelli. La presenza di queste strutture rende particolarmente interessante effettuare un monitoraggio costiero in questi punti per l influenza che queste opere hanno sull idrodinamica generale dell area (fig. 7 e fig. 8). Fig 7. I siti di interesse dell area di studio. L immagine è composta automaticamente dal sistema dalla somma di tre immagini distinte. 49

5 P1 P5 Fig. 8. Alcuni dei 9 siti di interesse. P7 P9 Variazione della linea di riva Per una valutazione della variazione della linea di riva è necessario che le immagini siano calibrate e rettificate (Holland et al, 1997). Il processo di calibrazione di un immagine comporta tutte quelle operazioni che vertono ad informare il sistema riguardo alle grandezze nelle quali vogliamo che vengano espressi i risultati. Come già accennato, il processo di rettificazione di un immagine ribalta la stessa immagine su un piano orizzontale in modo tale che le distanze possano essere misurate direttamente sull immagine. Tale tecnica è effettuata tramite algoritmi specifici ed è necessario conoscere con estrema precisione le coordinate geografiche di almeno due capisaldi all interno dell immagine stessa e la quota della fotocamera dal livello del mare. In prima approssimazione si può effettuare un processo di rettificazione di un immagine tramite uno stiramento della stessa immagine lungo le direzioni X e Y compatibilmente con la geometria dell immagine. Gli oggetti che non sono sul piano XY, ad es. in questo caso gli edifici, saranno distorti. La figura 9 illustra il sito P5. L immagine è ottenuta dalla media di 15 immagini registrate in 7 minuti; in questo modo la posizione della linea di riva ha una maggiore accuratezza rispetto ad un immagine singola. Fig. 9. Il sito P5. L immagine è ottenuta dalla media di 15 immagini registrate in 7 minuti 50

6 La figura 10 mostra un esempio di monitoraggio della linea di riva per un periodo di due mesi. Per determinare la variazione della linea di riva si traccia quest ultima sulle immagini; le immagini vengono poi sovrimposte utilizzando gli edifici come punti di riferimento. Le immagini ottenute dalla stessa angolazione possono essere allineate con immagini più vecchie permettendo così un rapido confronto della linea di riva in periodi diversi. In questo modo si ottiene una veloce valutazione qualitativa sull andamento della linea di riva, identificando così la sua tendenza all arretramento o all avanzamento. Per la valutazione quantitativa della variazione della linea di riva, ovvero il valore in metri di tale variazione è necessario rettificare l immagine. a) 21 dicembre 2001 b) 16 gennaio 2002 c) 3 febbraio 2002 Fig. 10. Si può osservare la variazione della linea di riva durante un periodo di due mesi. La linea di riva è tracciata sull immagine a) insieme agli spigoli dell edificio arancione. Tale traccia viene poi sovrimposta alle due immagini successive b) e c) utilizzando come riferimento le tracce degli spigoli dell edificio. Si può così osservare rapidamente un avanzamento della linea di riva alla sinistra del pennello. La figura 11 mostra l immagine della figura 10 c) rettificata; in questo modo è possibile misurare direttamente su questa immagine l avanzamento in metri della linea di riva con un errore di circa 50 cm. Si può così osservare un avanzamento di circa 7 metri immediatamente a sinistra del pennello e fino a 15 metri allontanandosi sempre alla sinistra del pennello. La figura 12 illustra un altro esempio di variazione della linea di riva. In questo caso si considera il sito P1, il quale è tra i più distanti dalla stazione di monitoraggio (circa 2 Km) e per questo motivo l errore nella determinazione della linea di riva è di circa 1 metro. 51

7 Fig. 11. Immagine della fig. 10 c) rettificata. La linea rossa indica la linea di riva del 24 dicembre Tramite la scala in metri è possibile misurare l avanzamento della linea di riva direttamente sull immagine. N.B. Lo spessore della linea rossa è alterato dal processo di rettificazione. a) 21 dicembre 2001 b) 16 gennaio 2002 c) 4 febbraio 2002 Fig. 12. Un altro esempio di variazione della linea di riva (sito P1). 52

8 Osservazioni della torbidità Il sistema di video monitoraggio utilizzato ha permesso anche di osservare l andamento dei sedimenti in sospensione nelle immediate vicinanze della linea di riva. Si è potuto così individuare le correnti di rip currents mettendo in evidenza che si generano in posizioni variabili lungo il litorale (fig. 13). a) 7 Luglio :30 b) 7 Luglio :30 Fig. 13. Andamento dei sedimenti in sospensione in un periodo di due ore. Si può osservare come le posizioni delle rip currents non coincidano con i pennelli. Le immagini sono state filtrate sul canale rosso e stirate per ottenere una migliore visibilità delle correnti di torbida. La figura 14 illustra un altro esempio analogo al precedente, ma in questo caso le rip currents sembrano coincidere con i pennelli. Queste caratteristiche suggeriscono diversi tipi di circolazione litorale. 53

9 a) 8 Luglio :30 b) 8 Luglio :00 c) 8 Luglio :30 d) 8 Luglio :00 Fig. 14. Andamento dei sedimenti in sospensione in un periodo di 4 ore e mezza. In questo caso le rip currents coincidono con la posizione dei pennelli (a, b). Discussione Il sistema di video monitoraggio utilizzato nel golfo del Tigullio ha mostrato la sua efficacia sia nella misura della variazione della linea di riva sia nella visualizzazione dei fenomeni di trasporto e dispersione dei sedimenti nell area costiera. I dati di dinamica costiera relativi all area del Tigullio, ottenuti con metodologie convenzionali, raccolti nello studio Corradi 2003 (stesso volume), hanno mostrato una sostanziale concordanza con quanto evidenziato dal sistema di video monitoraggio. Infatti le misure in campo delle ampiezze delle spiagge, presentano oscillazioni stagionali della linea di riva dello stesso ordine di quelle determinate dalle immagini. Allo stesso modo, le analisi tessiturali dei sedimenti della spiaggia sommersa, individuano la presenza di una dinamica costiera trasversale con rip currents come evidenziato dalle immagini della torbidità. Il sistema ha prodotto una serie di dati per il periodo , direttamente reperibili in rete all indirizzo e sarà ancora attivo per tutto il

10 Bibliografia Anthony E.J., Gardel A., Dolique F. and Guiral D., Short-term changes in the plan shape of a sandy beach in response to sheltering by a nearshore mud bank, Cayenne, French Guiana. Earth Surface Processes and Landforms 27 (8), Bezerra M.O., Diez M., Medeiros C., Rodriguez A., Bahia E., Sanchez-Arcilla A. and Redondo J.M., Study on the influence of waves on coastal diffusion using image analysis. Applied Scientific Research 59 (2-3), Holland K.T., Holman R.A., Lippmann T.C., Stanley J. and Plant N., Practical use of video imagery in nearshore oceanographic field studies. IEEE Journal of Oceanic Engineering 22 (1), Holman R.A., Sallenger A.H., Lippmann T.C. and Haines J.W., The application of video image processing to the study of nearshore processes. Oceanography 6 (3), Lippmann T.C. and Holman R.A., Quantification of sand bar morphology: A video technique based on wave dissipation. Journal of Geophysical Research 94 (C1), Plant N.G. and Holman R.A., Intertidal beach profile estimation using video images. Marine Geology 140 (1-2), Stockdon H.F., Sallenger A.H., List J.H. and Holman R.A., Estimation of shoreline position and change using airborne topographic Lidar Data. Journal of Coastal Research 18 (3),