Marisa Amadei - Nicola Lugeri (APAT); Alessandro Ferrarini - Orazio Rossi - Pierfrancesca Rossi (Università degli Studi di Parma)

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1 L impiego delle immagini satellitari e la metodologia per la stima della qualità ambientale e della vulnerabilità territoriale in Carta della Natura alla scala 1: Marisa Amadei - Nicola Lugeri (APAT); Alessandro Ferrarini - Orazio Rossi - Pierfrancesca Rossi (Università degli Studi di Parma) Reti di Monitoraggio e Telerilevamento Gestione sostenibile del territorio e conservazione della natura Introduzione La Carta della Natura è uno strumento atto ad individuare lo stato dell'ambiente naturale in Italia, evidenziando i valori naturali e i profili di vulnerabilità territoriale, introdotto dall art.3, comma 3, della legge quadro sulle aree protette (L. 394/91). L articolo prevede che la Carta venga predisposta a cura del Dipartimento per i Servizi Tecnici Nazionali (DSTN) della presidenza del Consiglio, i quali, dall ottobre 2002, sono confluiti nell APAT, Agenzia per la protezione dell ambiente e per i servizi tecnici. L'importanza della Carta della Natura ai fini della pianificazione e programmazione territoriale ed ambientale è fondamentale. Essa infatti rappresenta lo strumento territoriale a cui dovranno subordinarsi tutti gli altri strumenti di pianificazione e di programmazione previsti dalla normativa ed operanti sul territorio. La metodologia per la realizzazione della Carta della Natura si basa su due principali scale di studio e rappresentazione, 1: e 1:50.000; a ciascuna scala, la distribuzione sul territorio dell aspetto emergente che descrive l ambiente naturale, viene scelta come base di calcolo delle valutazioni di Qualità ambientale e Vulnerabilità territoriale. Alla scala 1: è già stata portata a termine per l intero territorio nazionale la copertura dei tipi e unità di paesaggio, con la produzione della Carta delle Unità Fisiografiche dei Paesaggi. Per il territorio delle Regioni Veneto e Friuli-Venezia Giulia sono state anche realizzate le valutazioni di qualità e vulnerabilità territoriale delle singole unità di paesaggio cartografate. Alla scala 1:50.000, oggetto del presente documento, le unità territoriali di riferimento sono gli "Habitat" (o Biotopi), per le cui stime di qualità ambientale e vulnerabilità territoriale, è stata messa a punto una metodologia basata su un prototipo a piccola (fine) scala realizzato dal Prof. Rossi (Università di Parma) nell isola di Salina (Eolie). In applicazione del dettato legislativo il DSTN ed ora APAT ha stipulato una serie di convenzioni, predisponendo le condizioni strutturali e di conoscenze per contribuire alla realizzazione della Carta della Natura e del corrispondente Sistema Informativo. Le attività oggetto della convenzione principale, quella con l'università di Parma, hanno permesso di mettere a punto:

2 ?? una procedura atta ad identificare porzioni omogenee del territorio (unità ambientali) sulla base del sistema di classificazione del Programma CORINE Progetto BIOTOPI, adottato dal Consiglio della Comunità Europea (direttive n. 85/338/CEE del 27 giugno 1985 e n. 90/150 del 22 marzo 1990, Coordination of information of the environment ) utilizzando allo scopo tecniche di telerilevamento;?? una metodologia di valutazione delle unità ambientali (e del sistema di unità ambientali) sulla base dei valori naturalistico-ambientali e dei profili di fragilità (vulnerabilità territoriale);?? un prototipo di sistema informativo in ambiente GIS (Geographical Information System) relativo al sistema di cartografia di base e tematica di Carta della Natura. Va precisato che la scelta del sistema di classificazione del territorio CORINE Biotopes ha un significato metodologico del tutto strategico sotto diversi aspetti: il sistema CORINE Biotopes (con i suoi derivati più recenti) ha una valenza europea, nel senso che è stato adottato da tutti i paesi della UE e pertanto permette in tema di gestione ambientale scambi, confronti operativi tra diversi Paesi; inoltre, esso mette direttamente al centro delle attività di conservazione non tanto la specie quanto il Figura 1

3 Biotopo (Habitat Approach). Ciò che viene valutato è il biotopo; in altre parole, il Valore o la Fragilità di un Biotopo dipendono non solo dalla qualità /quantità dei suoi contenuti biologici, ma anche dalle caratteristiche biotiche proprie del biotopo che sono strettamente correlate con quelle biologiche dello stesso. Infine, l analisi della variazione nel tempo della struttura del mosaico CORINE Biotopes, eseguita con tecnologie moderne di tipo speditivo, rappresenta il metodo d elezione per chi abbia, ai diversi livelli decisionali, responsabilità di controllare e governare l uso del territorio, lo stato di conservazione delle aree protette e non del Paese, l efficacia delle politiche di conservazione e gestione del territorio. Nella figura 1 viene mostrata la mappa delle aree del Paese (7 milioni di ettari, cioè circa il 30% del territorio italiano) sulle quali è in corso di realizzazione della Carta della Natura alla scala 1: Il telerilevamento e la Mappa degli Habitat Le immagini satellitari rappresentano lo strumento ottimale per garantire il miglior rapporto tra costi e risultati attesi in un progetto su vasta estensione territoriale come è la Carta della Natura. Infatti, lo studio del territorio tramite satellite, da un lato consente un analisi sufficientemente accurata delle proprietà emergenti a partire da una scala di sintesi regionale sino ad una di maggior dettaglio compatibile con la scala 1:50.000, dall altro consente di ottimizzare le risorse umane ed economiche in un progetto che richiede il contemporaneo coinvolgimento di esperti e tecnici sull intero ambito territoriale nazionale. La procedura adottata per l individuazione del mosaico di habitat è basata sull impiego delle immagini satellitari "Landsat" Thematic Mapper, secondo un metodo che prevede l interazione tra l operatore che interpreta le informazioni telerilevate e un botanico esperto della realtà locale, il quale fornisce le necessarie informazioni di carattere ecologico a supporto della classificazione guidata. Il metodo di classificazione utilizza inoltre un modello interpretativo, detto "di nicchia ecologica", che permette di distinguere ulteriormente le classi di habitat sulla base di caratteristiche ecologiche e geomorfologiche. Nei casi in cui la sola firma spettrale ricavata dall'immagine satellitare (o dalle immagini multitemporali) non sia sufficiente a discriminare habitat differenti, conoscendo le caratteristiche ecologiche che ogni tipologia di habitat predilige è possibile guidare l individuazione degli stessi sulla base delle caratteristiche geomorfologiche del sito (litologia e tipo di suolo ricavabili dalla carta geologica ed elevazione, esposizione e pendenza ricavabili da un modello digitale del terreno sufficientemente dettagliato).

4 Il protocollo esecutivo del procedimento di classificazione può essere descritto schematicamente come segue:?? Valutazione comparata delle immagini Negli anni scorsi il DSTN ha acquistato una copertura multitemporale di immagini Landsat georiferite, formata da tre passaggi in stagioni diverse escluso l'inverno- più un passaggio estivo datato intorno al 1990 come riferimento. Le immagini interessate dalla zona in esame vengono analizzate in dettaglio per valutarne pregi e difetti e selezionare quindi quella (o quelle) più adatta alla discriminazione spettrale dei vari tipi di vegetazione Vengono considerati principalmente fattori quali la stagione vegetativa, la presenza di copertura nevosa o nuvolosa (con relativa ombra proiettata al suolo), la presenza di aree ombreggiate dovute al fattore topografico o la presenza di aree incendiate.classificazione preliminare automatica (unsupervised) Viene quindi effettuata una prima classificazione automatica del territorio, in 20 classi, da utilizzare come guida nella scelta delle aree campione. L'assegnazione dei pixels ad una classe spettrale è eseguita su base puramente statistica. L'interpretazione delle classi così generate è quindi basata sullo studio delle firme spettrali dei singoli cluster e sull'analisi dei valori ottenuti utilizzando indici di vegetazione (Normalized Difference Vegetation Index - NDVI).Intervento degli esperti botanici nel processo di classificazione I referenti botanici di ogni area sulla base della conoscenza dettagliata del territorio e della distribuzione delle cenosi contribuiscono innanzitutto alla valutazione dei risultati della classificazione automatica e successivamente alla selezione delle aree campione da inserire nell algoritmo della classificazione guidata, ed inoltre forniscono un'interpretazione ecologica del territorio indispensabile per i passi successivi della classificazione.?? Realizzazione della classificazione guidata (supervised) Il punto centrale del processo di classificazione è costituito dalla cosiddetta classificazione guidata. Vengono inseriti nell'algoritmo classificatore i risultati dei campionamenti rilevati in campagna, che servono ad "istruire" il software sul significato delle firme spettrali di gruppi di pixel sufficientemente simili, in punti diversi, il più possibile omogeneamente distribuiti, dell'immagine (training set). Tali campioni possono essere costituiti anche da informazioni ottenute dall'osservazione di foto aeree o altri dati ancillari provenienti da altre fonti affidabili, purchè opportunamente georeferenziate. La procedura di classificazione automatica è di tipo fuzzy; l algoritmo applicato va sotto il nome di Maximum Likelihood (massima verosimiglianza).

5 ?? Controlli a terra della carta prodotta ed applicazione di modelli di nicchia Data la complessità strutturale intrinseca della vegetazione è necessario integrare l informazione spettrale con quella relativa alle nicchie delle singole cenosi presenti sul territorio. Viene quindi creato un modello che permetta quanto più possibile di discriminare le tipologie di vegetazione definite secondo i criteri imposti, detti di "nicchia ecologica", basato sulla distribuzione altitudinale delle singole cenosi, sui parametri di inclinazione ed esposizione del versante, sul substrato litologico e altre considerazioni specifiche. Anche in questo caso ci si avvale di informazioni specifiche ottenute da controlli di campagna e da conoscenze Figura 2 pregresse del territorio in esame. In figura 2 è mostrato lo schema realizzativo del modello secondo il software ERDAS Imagine, in cui l'elemento centrale è la "matrice delle condizioni" che applica sui dati di input precedentemente descritti le condizioni logiche impostate. É da notare il fatto che queste analisi possono avvenire incrociando dati di formato raster o vettoriale, anche se, dato il carattere raster dell'immagine di base, per motivi di congruenza e precisione geometrica è preferibile operare con tutti gli strati in versione raster.validazione della mappa e produzione della carta finale degli habitat Il passaggio finale del procedimento è quello di ottimizzazione del risultato in termini geometrici: eliminazione dei poligoni con una superficie inferiore all'area minima cartografabile, scelta pari a un ettaro, vettorializzazione della carta (passaggio da un modello di gestione del dato geometrico a pixel ad un modello di tipo vettoriale), applicazione di opportuni algoritmi di generalizzazione per eliminare la "spigolosità" delle linee derivante dai pixel originari.a questo punto la carta viene consegnata ai tecnici dell'apat, che effettuano un collaudo in campo della validità del prodotto. Una volta passato tale collaudo, dopo eventuali correzioni, la carta è pronta per le successive applicazioni delle procedure di valutazione.

6 La metodologia di valutazione Il sistema di valutazione (del valore, della fragilità, etc) di un biotopo tramite un set di indicatori ambientali tendenzialmente indipendenti è volutamente semplice per quanto riguarda gli aspetti operativi, ma concettualmente assai robusto in quanto la scelta di ogni singolo indicatore deriva dalla consultazione e analisi critica di pressoché tutta la migliore letteratura scientifica recente disponibile sull argomento. Si tratta di indicatori di tipo prevalentemente strutturale e composizionale. Gli indicatori su base composizionale sembrano essere, con quelli strutturali, più pronti, più adatti ad impostare una politica di prevenzione a breve/medio termine a tutela della biodiversità e della integrità specifica di un ambiente. Tale tipo di indicatori sembra essere più in linea con l Integrity Approach. Le valutazioni ecologico-quantitative ai fini della stima del Valore Ecologico-naturalistico di un biotopo (o habitat) CORINE o di un gruppo di habitat CORINE sono di particolare complessità dato il carattere multidimensionale del concetto stesso di Valore Ecologico. Tale problematica è stato affrontata e risolta nella realizzazione di Carta della Natura mediante l utilizzo integrato di opportune trasformazioni statistico-quantitative e di un set di indicatori appropriati. A fini esemplicativi si consideri lo schema della figura 3: rarità biodiversità aspetti strutturali Valore Ecologiconaturalistico complessivo dell habitat aspetti istituzionali Figura 3 Si noti che ogni criterio che concorre a determinare il Valore Ecologico-naturalistico complessivo di un biotopo CORINE può essere rappresentato da uno o più indicatori ecologici. Ad esempio, aspetti istituzionali che "danno valore" al biotopo sono l'inclusione nella lista del progetto Bioitaly (confluito nella Direttiva habitat CEE) o nella Direttiva Uccelli; al fattore "biodiversità" contribuisce la presenza di specie animali (indipendentemente dalla loro appartenenza a liste di specie a rischio), aspetti strutturali sono legati ad esempio alle dimensioni del

7 biotopo, mentre per la rarità si fa riferimento alla distribuzione di quel particolare biotopo nelle aree studiate La Sensibilità Ecologica è correlata con il rischio potenziale di un habitat CORINE Biotopes di essere deteriorato o di perdere la propria identità a causa di eventi esterni. La Sensibilità ecologica complessiva di un biotopo CORINE o di gruppi di biotopi CORINE può essere stimata con un set di indicatori di rischio opportunamente integrati mediante appropriate metodologie ecologicoquantitative, secondo lo schema di figura 4. Alcuni esempi di indicatori utilizzati per la stima della Sensibilità sono l'appartenenza a liste di habitat prioritari, l'isolamento del biotopo, la presenza di specie a rischio secondo le liste IUCN, il rischio di perdita di biodiversità. aspetti strutturali dell habitat isolamento aspetti composizionali dell habitat (specie a rischio) Sensibilità ecologica complessiva dell habitat aspetti istituzionali dell habitat Figura 4 Anche per la stima della Pressione Antropica gravante su ciascun biotopo o su un gruppo di biotopi è stato necessario ricorrere ad un set di appropriati indicatori che tengano conto dei diversi tipi di Pressione Antropica. Gli indicatori di pressione antropica utilizzano le potenzialità dei GIS di rielaborare gli elementi territoriali già presenti nelle banche dati in modo tale da produrre gli indicatori richiesti. Infatti la maggior parte delle informazioni si ottiene tramite l' "overlay mapping" di dati di censimento e di infrastrutture sulla mappa dei biotopi (per esempio l'indice di frammentazione dato dal rapporto fra la lunghezza delle strade presenti nel biotopo e pesate secondo l'importanza della strada stessa, e l'area del biotopo). E certamente utile tener conto anche della pressione antropica potenziale intesa come tendenza demografica prevedibile. La tendenza di un biotopo a subire un "carico demografico" (pressione antropica crescente, stabile, calante) potrà essere determinata dall analisi demografica dei censimenti ISTAT che gravitano su ciascun biotopo CORINE. In definitiva, la tendenza è

8 determinata mediante analisi (Simulazioni Demografiche) degli ultimi due censimenti ISTAT ufficiali e mediante opportune rielaborazioni in ambito GIS per riportare i dati della tendenza demografica di ogni Comune sui corrispondenti biotopi CORINE del mosaico stesso. Effettuate le analisi relative agli indicatori del Valore ecologico, della Sensibilità ecologicoambientale e della Pressione antropica si procede con un analisi di tipo statistico (Distanza Euclidea) che calcola la distanza dal Vettore Ideale, cioè dall'insieme di valori dei vari indicatori che dovrebbero essere otenuti in un caso di "perfezione ecologica". Questo approccio permette una ranghizzazione più affidabile dei risultati ottenuti ed una loro più efficace combinazione per il calcolo della Fragilità territoriale. La Fragilità o Vulnerabilità nella letteratura scientifica internazionale è infatti definita come prodotto della Sensibilità ecologica opportunamente ranghizzata di un biotopo per la Pressione Antropica gravante sul biotopo stesso. Nel metodo adottato per la Carta della Natura, la ranghizzazione ottenuta col metodo del Vettore Ideale, è limitata a tre classi per la Sensibilità e per la Pressione antropica, portando in principio a nove classi di Fragilità. Per una miglior lettura, e per permettere l'importante incrocio con le stime di tendenza demografica, tali classi sono condensate in tre: Attuale Bassa, Attuale Media ed Attuale Elevata, ciascuna delle quali assume il carattere di "Crescente", "Stabile" o "Decrescente", in funzione della tendenza demografica, per giungere a definire le nove classi di fragilità finali. Bibliografia essenziale Rossi O., Zurlini G., Primi elementi conoscitivi essenziali per la realizzazione della Carta della Natura (Legge n 394 del ). S.It.E. Notizie, Bollettino della Società Italiana di Ecologia, vol. XIV, numero unico 1993: Rossi O., Procedure di identificazione e valutazione di unità ambientali. In: S.It.E. Notizie vol. XV: Rossi O., Zurlini G., Biodiversità e Carta della Natura. Atti dei Convegni Lincei 145: Accademia Nazionale Lincei, Roma. Zurlini G., V. Amadio, O. Rossi, A landscape approach to biodiversity and biological health planning: The Map of Italian Nature. Ecosystem Health 5(4): Ferrarini A., Zaccarelli N., Rossi P., Cristiano D., Orlandini L., 2000 "Change detection degli habitat CORINE nel bacino del Torrente Baganza (Prov. Parma) tramite l indice NDVI" Rivista Italiana di Telerilevamento, 19, ISSN: Rossi O. (a cura di ), 2001, Cartografia multiscalare della Natura, SITE Atti XXIII

9 Rossi O., 2001, Introduzione. In : Cartografia Multiscalare della Natura, SITE Atti XXIII, Rossi O., 2001, La Carta della Natura del Paese: aspetti generali e prospettive. In Cartografia Multiscalare della natura, SITE Atti XXIII, Zurlini G., Rossi O., Ferrarini A., Rossi P., Zaccarelli N., 2001 "Assessing multi-scale fragility of landscapes: concepts, methods and recent results of the Map of Italian Nature", in: "Geospatial knowledge processing for natural resources management" - Belward A., Binaghi E., Brivio P.A., Lanzarone G.A. e Tosi G. - European Commission - JRC ISPRA, National Researc Council, Artestampa, Baveno, Varese: pp Zurlini G., Rossi O., Ferrarini A., Rossi P., Zaccarelli N "Risultati preliminari sulla relazione tra pattern spaziali di mosaici di habitat CORINE e tassi di disturbo ambientale"- S.It.E. Atti XXV, ISSN ROSSI O., ROSSI P., FERRARINI A., 2002 " Principii e metodologie generali per la Carta della Natura del Paese", in: "Le Ofioliti: isole sulla terraferma. Per una rete di Aree Protette", Regione Emilia-Romagna, pp ROSSI O. (relatore), FERRARINI A. (correlatore), ROSSI P. (correlatore), ALLESINA S. (correlatore), MIGLIAZZI M., 2002 "Metodi avanzati di analisi dell'ecomosaico ambientale mediante tecniche quantitative applicate alla base di dati di un Sistema Informativo Territoriale", Tesi di laurea - Università di Parma, pp FERRARINI A., ROSSI P., ROSSI O., SOLIANI L., 2002 "Metodi avanzati di analisi e progettazione territoriale", Notiziario della Società Italiana di Ecologia (S.It.E.), 7-9. SOLIANI L., ROSSI O., FERRARINI A., ROSSI P., 2003 "Applicazioni in campo ambientale dei dati telerilevati (sensore MIVIS e satellite Landsat)", in: ARPA Emilia-Romagna (a cura di), 2003 "Telerilevamento e ambiente", ISBN , pp Rossi O., Ferrarini A. e Rossi P., 2003 "Analisi quantitativa del paesaggio: metodi, modelli e loro applicazione", volume in stampa.

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