MAPPATURA DELLE AREE PERCORSE DAL FUOCO NEI PARCHI NAZIONALI MEDIANTE L UTILIZZO DI IMMAGINI SATELLITARI

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1 B. PETRUCCI (*) - P.A. BRIVIO (**) - P. ZAFFARONI (**) - D. STROPPIANA (**) - M. BOSCHETTI (**) MAPPATURA DELLE AREE PERCORSE DAL FUOCO NEI PARCHI NAZIONALI MEDIANTE L UTILIZZO DI IMMAGINI SATELLITARI (*) Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare, Direzione per la Protezione della Natura, Roma (**) Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell Ambiente, CNR, Milano L obiettivo di questo lavoro è la creazione di una base dati geografica delle aree percorse dal fuoco nei Parchi Nazionali nel quinquennio utilizzando le immagini da satellite. Sono state acquisite ed analizzate circa 500 immagini Terra-ASTER (NASA) e una ventina di immagini SPOT, che hanno una risoluzione spettrale e geometrica adeguata allo studio degli incendi boschivi. L elaborazione delle immagini è stata realizzata sia mediante fotointerpretazione, sia con soglie multiple di trasformate spettrali (NBR e BAI), sia con tecniche di classificazione automatica. Nel periodo esaminato, i Parchi Nazionali più colpiti sono risultati Cilento e Pollino, che da soli contano quasi la metà degli incendi cartografati, il cui totale dal 2001 al 2005 è di circa ha con una dimensione media di 7,7 ha. Oltre alla validazione con tecniche statistiche classiche, il confronto di questi risultati con i dati resi disponibili dal CFS (schede AIB/FN e poligoni GPS) ha provato la validità dei rilievi da satellite, ma soprattutto ha messo in evidenza l opportunità di integrare i due approcci, fortemente complementari, per un monitoraggio efficiente degli incendi boschivi. Parole chiave: incendi boschivi, aree bruciate, Parchi Nazionali, immagini ASTER, indici spettrali. Key words: forest fires, burned areas, National Parks, ASTER images, spectral indices. Mots clés: feux de forêt, superficies incendiées, Parcs Nationals, images ASTER, indices spectrales. 1. INTRODUZIONE Ogni anno in Italia gli incendi provocano enormi danni al patrimonio forestale; nel 2007, anno particolarmente negativo, si sono registrati incendi che hanno percorso una superficie di ettari, di cui boscati (CFS, 2008). I danni maggiori per l ecosistema si hanno quando il fuoco colpisce aree di elevata valenza naturalistica quali le aree protette. La percentuale di superficie protetta annualmente bruciata tende ad aumentare e nel 2007 nei soli parchi nazionali è stata particolarmente rilevante: oltre l 11% sul totale, pari al 2% del corrispondente territorio protetto. La legge quadro sugli incendi boschivi (L. 21 novembre 2000, n. 353) prevede per le aree protette statali una pianificazione antincendi boschivi (AIB) a cura del Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM) su proposta degli Enti gestori, per la quale il rilievo cartografico delle aree percorse dal fuoco riveste un ruolo fondamentale. La Direzione Protezione Natura (DPN-MATTM) ha promosso e finanziato un progetto realizzato da CNR-IREA per mappare le aree percorse dal fuoco nei Parchi Nazionali nel quinquennio , mediante le immagini da satellite. Il telerilevamento da satellite, già strumento insostituibile nello studio e monitoraggio degli incendi a scala globale o continentale, può fornire alla scala nazionale o regionale un prezioso contributo nella lotta contro gli incendi. Le immagini da satellite vengono utilizzate sia per l individuazione degli incendi nella loro fase attiva ( active fires ) sia per lo studio degli effetti degli incendi, in particolare per la delimitazione delle aree percorse dal fuoco. Mentre gli active fires sono studiati da satelliti e sensori con le bande nell infrarosso (IR) medio (MIR) e termico (TIR) e un alta frequenza temporale a discapito della risoluzione spaziale (Flasse e Ceccato, 1996; Brivio e Grégoire, 1997), le superfici bruciate vengono studiate usando le bande spettrali del visibile, infrarosso vicino (NIR) e ad onde corte (SWIR) con sensori a varia risoluzione spaziale (Tansey et al., 2004; Roy et al., 2005; Mitri and Gitas, 2004, Smith et al., 2007). In questo progetto sono state utilizzate immagini Terra- ASTER e SPOT, che grazie alle loro caratteristiche spettrali e di risoluzione spaziale (15-20 metri) consentono il rilievo di superfici anche dell ordine dell ettaro. I metodi di elaborazione utilizzati, sono stati sperimentati in una fase preliminare su un area campione della Sardegna (Zaffaroni et al., 2007). 2. DATI E METODI 2.1 I Parchi Nazionali Si sono considerati 21 Parchi Nazionali: Gran Paradiso, Val Grande, Stelvio, Dolomiti Bellunesi, Cinque Terre, Appennino Tosco-Emiliano, Foreste Casentinesi, Arcipelago Toscano, Asinara, Arcipelago di La Maddalena, Monti Sibillini, Gran Sasso e Monti della Laga, Majella, Abruzzo Lazio e Molise, Gargano, Circeo, Vesuvio, Cilento, Pollino, Sila e Aspromonte. Il regime stagionale degli incendi varia in funzione della latitudine, infatti nei Parchi del Nord Italia si registra una maggiore frequenza di incendi nel periodo inverno-primavera, mentre i Parchi del Centro-Sud sono colpiti soprattutto durante l estate; tra questi, in base ai dati del Ministero dell Ambiente (Petrucci, 2007), i Parchi Pollino, Cilento, Gargano e Aspromonte presentano le maggiori superfici percorse dal fuoco

2 2.2 Le immagini satellitari ASTER e SPOT Le immagini del sensore ASTER sono state acquisite dal servizio EOS Data Gateway della NASA ( grazie al supporto del Department of Geography, University of Maryland. In particolare, è stato scelto il prodotto AST07- ASTER On-Demand L2 Surface Reflectance, che fornisce la riflettanza al suolo dei sensori VNIR (bande 1-3) e SWIR (bande 4-9) corrette per l effetto atmosferico (Tab. 1). Ogni immagine copre un area di 60x60 km in proiezione UTM-WGS84; per sfruttare al meglio la risoluzione geometrica delle prime 3 bande, le bande SWIR sono state ricampionate a 15 metri. Un numero limitato di immagini SPOT sono state acquisite sui Parchi Aspromonte, Cilento, Gargano e Pollino per integrare i dati del 2005, grazie al programma OASIS (Optimising Access to Spot Infrastructure for Science); per alcune di esse è stata applicata una correzione geometrica usando come riferimento le scene ASTER. Per ogni Parco è stato creato un database geografico delle immagini acquisite (circa 500 ASTER e 19 SPOT), con informazioni su data di acquisizione, copertura nuvolosa e percentuale di copertura del territorio del Parco (Tabella 1). 2.3 Metodi Si sono utilizzati tre diversi metodi in funzione delle caratteristiche dell immagine da analizzare: a) fotointerpretazione: per scene con un numero esiguo di aree bruciate, tale da non richiedere l elaborazione dell intera immagine. Il rilievo visivo è stato eseguito su due diverse combinazioni RGB falso colore delle bande spettrali: 832 e 321 per ASTER e 432 e 321 per SPOT. Utilizzando la combinazione 832 per ASTER o 432 per SPOT (SWIR-NIR-RED, Fig. 1), si osserva in corrispondenza dell area percorsa dal fuoco una diminuzione del segnale nel NIR ed un incremento nello SWIR, causata della scomparsa della vegetazione (Figura 1). b) approccio di sogliatura di indici spettrali: applicato solo alle immagini ASTER con molte aree bruciate e scarsa presenza di ombre. I due indici spettrali Normalized Burned Ratio (NBR) (Key and Benson, 2002) e Burned Area Index (BAI) (Chuvieco et al, 2002) mettono in evidenza due diversi effetti del passaggio del fuoco: il primo è sensibile al danno provocato sulla vegetazione dal passaggio del fuoco e dopo l incendio decresce, mentre il secondo rileva la deposizione dei resti della combustione e aumenta. I due indici sono stato calcolati in base alle seguenti formule: NBR = NIR SWIR NIR + SWIR ( ) ( ) 2 2 ( 0.1 RED) + (0.06 ) BAI = 1 NIR dove RED = riflettanza banda 2, NIR = riflettanza banda 3 e SWIR = riflettanza banda 8. In una prima fase i due indici sono stati sogliati con valori calibrati immagine per immagine; successivamente i risultati vengono fusi attraverso l operatore logico AND, che produce una mappa binaria; i pixel classificati da entrambi assumono valore 1 (bruciato) e il resto assume valore 0 (non bruciato). Questa operazione rende il metodo conservativo, ossia si preferisce ridurre i falsi allarmi. Alla mappa binaria viene applicato un filtro mediano con finestra mobile 3x3 e le aree classificate come bruciato vengono vettorializzate, ottenendo così i perimetri delle aree percorse dal fuoco (Figura 2). c) classificazione supervised Maximum Likelihood: applicata alle immagini con molte aree bruciate in cui la classe bruciato presenta un elevata confusione spettrale con altre classi, (tipicamente ombre e alcuni suoli), non risolvibile dal metodo semi-automatico. I pixel di training sono selezionati considerando 7 classi (bruciato, vegetazione, suolo nudo, urbanizzato, nuvole, ombra e acqua) con una numerosità di circa 150 pixel per classe. Nel processo decisionale di classificazione si sono utilizzate le bande 8,4,3,2 e gli indici NBR e BAI per le immagini ASTER, mentre per le SPOT sono state impiegate tutte le bande. 3. ANALISI DEI RISULTATI 3.1 Le aree percorse dal fuoco da satellite (APFS) Il risultato finale del progetto consiste in un database vettoriale delle Aree Percorse dal Fuoco rilevate da Satellite (APFS) nei Parchi Nazionali per il periodo In questo quinquennio è stata rilevata una superficie bruciata pari a 5038 ha per 652 eventi, con una dimensione media di 7.7 ettari per incendio; l anno peggiore è stato il 2004 con 1441 ha, seguito dal 2001 (1182 ha) e dal 2003 (1172 ha). Il Parco in cui si è rilevata la maggiore superficie di aree bruciate è il Cilento con 1159 ha, seguito dal Pollino con 1150 ha, dall Aspromonte con 785 ha e dal Gargano con 717 ha. Il primo Parco che non si trovi nel Sud Italia è quello dell Arcipelago Toscano con 627 ha. (Tabella 2) (Figura 3). Un analisi statistica dei risultati mostra (Fig. 4) che il 50% delle aree percorse dal fuoco rilevate da satellite è composta da poligoni superiori ai 20 ettari, che corrispondono a meno del 10 % del numero di eventi totale. Invece un terzo del numero totale di eventi rientra nella classe di superficie inferiore ai 2 ettari, corrispondente al 6% della superficie bruciata totale. Questa distribuzione per classi di superficie e di numero di eventi è del tutto paragonabile a quanto descritto in letteratura dall analisi delle serie storiche su tutto il territorio nazionale dal 1990 al 2000 (Blasi et al., 2004) (Figura 4). 3.2 Valutazione dei risultati Sono stati condotti diversi tipi di analisi volti a stimare l accuratezza dei risultati. Il metodo degli indici NBR e BAI è stato valutato mediante un approccio statistico (Congalton, 1991) di confronto fra le mappe e dati di riferimento ottenuti dalla fotointerpretazione di venti immagini ASTER relative a Parchi e anni diversi. E emersa una tendenza a sottostimare le superfici percorse dal fuoco (errore di omissione del 50 %), legata all approccio conservativo adottato, tuttavia le aree riconosciute come bruciate corrispondono a verità con un buon livello di sicurezza (errore di omissione del 15 %). Il risultato APFS è stato confrontato con due tipi di dataset forniti dal CFS: database Foglio Notizie Incendi

3 (AIB/FN) dal 2003 al 2005 e rilievi a terra in formato vettoriale per gli anni 2004 e 2005 sui Parchi Pollino, Gargano e Cilento. In entrambi i casi, considerando solo gli eventi potenzialmente rilevabili in base alla disponibilità delle immagini, si è osservato che si ha un numero maggiore di eventi e superfici rilevate da satellite rispetto ai dati CFS, tranne nel caso di poche immagini ASTER disponibili e con un elevata copertura nuvolosa. In generale, i risultati da satellite permettono di localizzare le aree percorse da incendio e di delimitarne il perimetro con un accuratezza che è funzione soprattutto del tempo trascorso tra la data dell incendio e quella di acquisizione della scena satellitare. Inoltre, per il P.N. del Pollino si è realizzata un analisi dettagliata di confronto tra i dati vettoriali delle APFS e quelli GPS del CFS (per l anno 2004 di sperimentazione), grazie ad una collaborazione fra CFS, DPN-MATTM e IREA-CNR. Una delle cause di discrepanza tra i due set di dati è l imprecisione della georeferenziazione delle immagini da satellite o dei rilievi CFS eseguiti senza GPS. In generale questo confronto ha messo in evidenza la validità della perimetrazione degli incendi da immagini satellitari. Sul sito è riportato lo studio in dettaglio. 4. CONCLUSIONI Le immagini satellitari ASTER e SPOT acquisite hanno permesso di delimitare le aree percorse dal fuoco nei Parchi Nazionali italiani per il periodo verificando e consolidando una metodologia che sia idonea a livello nazionale. Le superfici individuate sono pari a circa ha in corrispondenza di 650 eventi, con una dimensione media di 7.7 ha per incendio. Il risultato finale del progetto è costituito da un database vettoriale, con attributi quali area totale bruciata, data del rilievo, data dell immagine precedente e metodo applicato, perfettamente integrato nel Sistema Informativo Geografico (GIS) della DPN-MATTM. Va sottolineato che per molti dei Parchi Nazionali i risultati vettoriali prodotti rappresentano l unica fonte di informazione cartografica georiferita sugli incendi del periodo esaminato. La valutazione dell accuratezza del metodo ne ha evidenziato il carattere conservativo, infatti è risultata un omissione del 50 %, che tuttavia si accompagna ad una buona corrispondenza al vero (commissione del 15%). Inoltre il confronto fra prodotto APFS e i dati messi a disposizione da DPN e CFS ha evidenziato una capacità delle immagini satellitari di individuare eventi non rilevati a terra e viceversa per gli incendi minori di ha. I rilievi a terra forniscono importanti informazioni per validare e integrare le mappe derivate dai dati satellitari e rimangono un elemento fondamentale nel monitoraggio e nelle attività di prevenzione e lotta attiva contro gli incendi. In ultima sintesi, il confronto dei diversi metodi di rilievo delle aree percorse dal fuoco e le varie osservazioni sopra riportate, supportano la tesi di una validità oggettiva dei perimetri rilevati da satellite, nonché l importanza di integrare e confrontare questi perimetri con i poligoni da rilievo GPS post incendio. ASTER B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 spettro verde rosso NIR SWIR SWIR SWIR SWIR SWIR SWIR intervallo spettrale(nm) ris. geom. (m) SPOT-2, 4, 5 B1 B2 B3 B4 spettro verde rosso NIR SWIR intervallo spettrale(nm) ,4 20 2,4 20 2,4 == ris. geom. (*) (m) ,5 (*) Gli apici per la risoluzione geometrica indicano rispettivamente i satelliti SPOT-2, 4 e 5. Tabella 1. Caratteristiche delle immagini ASTER ( e delle immagini SPOT ( utilizzate nel progetto. Table 1. Characteristics of the ASTER ( and SPOT ( ) images used in the project. Tableau 1. Caractéristiques des images ASTER ( et SPOT ( ) utilisées dans le projet

4 Parco Nazionale n. immagini superficie (ha) n. poligoni sup. media (ha) Cilento , ,22 Pollino , ,82 Aspromonte ,6 91 8,63 Gargano , ,10 Arc. Toscano , ,42 Gran Sasso ,9 22 6,68 Val Grande 8 119,0 2 59,50 Vesuvio 17 78,2 13 6,02 Maiella 21 49,1 3 16,37 Circeo 12 46,1 2 23,05 Sila 18 45,1 14 3,22 Arc. Maddalena 14 33,5 3 11,17 Gran Paradiso 26 27,8 2 13,90 Cinque Terre 20 22,3 1 22,30 M. Sibillini 18 20,3 2 10,15 Dol. Bellunesi 18 6,6 3 2,20 Stelvio 29 6,4 1 6,40 Abruzzo 17 1,3 1 1,30 App. Tosco-Emil For. Casentinesi Asinara Totale ,73 Tabella 2. Sintesi delle Aree Percorse dal Fuoco rilevate da Satellite (APFS) nei Parchi Nazionali nel periodo utilizzando le immagini ASTER e SPOT: numero di poligoni e relative superfici complessive e medie. Table 2. Synthesis of the burned areas as observed by satellite within the Italian National Parks in the period using ASTER and SPOT: number of polygons and total and average burned surface. Tableau 2. Synthèse des superficies parcourues par les feux, détectées par observation satellitaire ASTER et SPOT, dans les Parcs Nationaux pour la période : nombre de polygones et superficies correspondantes (cumulées et moyennes). Figura 1. a) Immagine ASTER in falsi colori (RGB: 832) dell incendio avvenuto nel comune di Olbia il 27/06/2005. b) Valori radiometrici spettrali misurati lungo la sezione tratteggiata in giallo in corrispondenza dell area bruciata (blu: banda 2, rosso; verde: banda 3, NIR; rosso: banda 8, SWIR). Figure 1. a) False colour (RGB: 832) ASTER image of a forest fire started on June 27, 2005 in Olbia municipality (Sardinia). b) Spectral radiometric values measured over the burned area along a transect (dashed yellow line) (Red: band 8, SWIR; Green: band 3, NIR; Blue: band 2, red). Figure 1. a) Image ASTER en fausse couleur (RVB: 832) du feu de forêt du 27/06/2005 dans la commune d Olbia (Sardeigne). b) Valeurs radiométriques spectrales mesurées le long du transect (ligne jaune) correspondant à la zone brûlée (Rouge: bande 8, moyen IR; Vert: bande 3, proche IR; Bleu: bande 2, rouge). Figura 2. Area percorsa dal fuoco rilevata da satellite nella rappresentazione in falsi colori con le bande ASTER (RGB: 832) e nei relativi indici spettrali NBR e BAI. Figure 2. Burned areas from satellite observation shown as false colour composition using ASTER bands (RGB: 832) and NBR and BAI spectral indices. Figure 2. Surface parcourue par le feu détectée par observation satellitaire ASTER en fausse couleur (RVB: 832) et indices spectraux NBR et BAI correspondants

5 Figura 3. Distribuzione spaziale e temporale delle Aree Percorse dal Fuoco rilevate da Satellite (APFS) per il Parco Nazionale del Pollino nel periodo Figure 3. Spatial and temporal distribution of burned areas as observed by satellite within the Pollino National Park for the period. Figure 3. Distribution spatio-temporelle des surfaces parcourues par le feu, détectées par observation satellitaire dans le Parc National du Pollino pour la période Figura 4. Distribuzione percentuale cumulativa di frequenza di eventi-incendio e di superficie percorsa, per classi di superficie nei Parchi Nazionali derivata da immagini ASTER e SPOT ( ). Figure 4. Percentage cumulative frequency distribution of forest fires and burned areas, as derived from ASTER and SPOT imagery ( ) within the National Parks, plotted out for fire size classes. Figure 4. Distribution, en pourcentage des fréquences cumulées, des épisodes de feux de forêt et des surfaces brûlées, par classes de superficie, detectés par observation satellitaire ASTER et SPOT ( ) dans les parcs nationaux. SUMMARY MAPPING BURNED AREAS WITHIN THE NATIONAL PARKS USING SATELLITE DATA The aim of this work is to build a geographic data base of burned areas within the National Parks for the period using satellite images. Around five hundred Terra-ASTER (NASA) images and twenty SPOT images were acquired and processed. These images presents spectral and spatial resolution suitable for mapping burned areas. Methodologies adopted for processing include visual interpretation, multiple threshold of spectral transforms (NBR and BAI) and automatic classification technique. In this five year period the overall burned area amounts more than 5000 ha (fire average size 7,7 ha) and the most affected Parks were Cilento and Pollino, responsible for almost the half of total burned surface. Validation has been done with appropriate statistical technique. A comparison with data made available from CFS (AIB/FN database and GPS polygons) indicated the validity of satellite maps and confirmed the importance of space and ground based techniques integration for an efficient forest fires monitoring. RÉSUMÉ CARTOGRAPHIE DES SUPERFICIES INCENDIEES DANS LES PARCS NATIONALS PAR IMAGES SATELLITAIRES Le but du travail est la construction d une base de données geograhiques des superficies incendiées dans les Parcs Nationals pour la période avec l imagerie satellitaire. Cinq cent images Terra-ASTER (NASA) et vingt images SPOT ont été acquises et élaborées. Les méthods d élaboration d image

6 comprendent l interprétation visuelle, les seuilles multiples sur transformées spectrales (NBR et BAI) et une technique de classification automatique. Les superficies incendiées dans les cinq ans sont plus de 5000 ha avec une dimension moyenne de 7,7 ha. Les Parcs Nationals les plus affectés sont Cilento et Pollino, responsables de presque la moitié du total des superficies incendiées. Les resultats ont été validés par techniques statistiques. Une comparaison avec le données du CFS (AIB/FN et polygons GPS) support la validité des cartes par satellite et confirme l importance de intégrer information spatial e terrain pour un efficace control des feux de forêt. BIBLIOGRAFIA Blasi C., Bovio G., Corona P., Marchetti M., Maturani A., Incendi e complessità ecosistemica: dalla pianificazione forestale al recupero ambientale. Ministero dell Ambiente, DPN p Brivio P.A., Grégoire J.M., Gli incendi nella fascia tropicale del globo: aspetti metodologici nell analisi di dati da satellite. Rivista Italiana di Telerilevamento, 11: Chuvieco E., Martin M.P., Palacios A., Assessment of different spectral indices in the red-near-infrared spectral domain for burned land discrimination. International Journal of Remote Sensing, 23: Congalton R.G., A review of assessing the accuracy of classifications of remotely sensed data. Remote Sensing of Environment, 37: CFS - Corpo Forestale dello Stato, Dossier Incendi Boschivi Flasse S., Ceccato P., A contextual algorithm for AVHRR fire detection. Int. Journal of Remote Sensing, 17 (2): Key C.H., Benson N.C., Measuring and remote sensing of burn severity. Wildland Fires Workshop, 31 Oct - 03 Nov 2000, Los Alamos, (USGS Open File Report 02-11) p. 55. Mitri G., Gitas J., A semi-automated object-oriented model for burned area mapping in the Mediterranean region using Landsat-TM imagery. Int. Journal of Wildland Fire, 13: Petrucci B., Azioni del Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare nel settore degli incendi boschivi. L Italia Forestale e Montana, 1: Roy D., Jin Y., Lewis P.E., Justice C.O., Prototyping a global algorithm for systematic fire affected area mapping using MODIS time series data. Remote Sensing of Environment, 97: Smith A.M.S., Drake N.A., Wooster M.J., Hudak A.T., Holden Z.A. Gibbons C.J., Production of Landsat ETM+ reference imagery of burned areas within Southern African savannahs: comparison of methods and application to MODIS. Int. Journal of Remote Sensing, 28 (12): Tansey K., Grégoire J.M., Binaghi E., Boschetti L., Brivio P.A., Ershov D., Flasse S., Fraser R., Graetz D., Maggi M., Peduzzi P., Pereira J.M., Silva J., Sousa A., Stroppiana D., A global inventory of burned areas at 1km resolution for the year 2000 derived from SPOT Vegetation data. Climatic Change, 67 (2): Zaffaroni P., Stroppiana D., Brivio P.A., Boschetti M., Utilizzo di immagini ASTER per la delimitazione di aree percorse da incendio, Rivista Italiana di Telerilevamento, 39: