ATTIVITA’ di RICERCA
Riciclaggio e Compostaggio (G. Giavelli)
In Italia viviamo ormai da molti anni in piena emergenza rifiuti. E’ una emergenza ambientale e
gestionale: ogni Italiano produce in media 462 kg di rifiuti all’anno. Nel nord Italia si ricicla il 17 %
del prodotto, mentre al sud si ricicla l’ 1,4 %. Complessivamente nel 1997 sono state raccolte in
modo differenziato 782.000 t di carta e cartone, 640.000 t di vetro (raccolte ormai consolidate da
molti anni anche nel nostro Paese), 598.000 t di organico e verde, 97.000 t di plastica e 6.300 t di
alluminio. Non è razionale accantonare questi ‘rifiuti’ nell’ambiente e si devono dunque proporre
nuove forme di riutilizzo e riciclaggio convenienti dal punto di vista economico, sociale ed ambientale.
Non esiste una unica soluzione tecnica da adottare in una determinata realtà territoriale, ma esistono
sinergie integrate che possono coesistere ed interagire efficacemente. Le principali strategie per
eliminare i rifiuti ed i residui prodotti dalle attività umane sono tre: l’inceneritore, il collocamento in
discarica ed il riciclaggio. Queste tre pratiche devono coesistere e non devono essere considerate
una alternativa dell’altra.
Nell’alternativa del riciclaggio si inserisce il compostaggio delle biomasse, che rientra pienamente
in questo dibattito, essendo un’attività “sostenibile”. L’uso del compost rispetta il concetto di
sostenibilità dell’impiego delle risorse in quanto evita l’impiego di materiali organici non rinnovabili,
inoltre rispetta i principi della sostenibilità economica per i bassi costi di produzione, inoltre la
valorizzazione delle biomasse non interrompe il ciclo biogeochimico degli elementi nutritivi.
Le ricerche in corso mirano ad individuare e armonizzare, per alcune realtà territoriali oggetto di
indagine, le componenti del cosiddetto ‘sistema integrato’ (S.I., impianto centralizzato per la
valorizzazione delle biomasse, discarica, impianti di selezione differenziata, sistema di raccolta).
Queste componenti considerate in stretta connessione per ottimizzare al massimo l’efficienza
energetica e ambientale del S.I. E’ in questo tipo di valutazioni che la Life Cycle Assessment diventa
un valido strumento per l’analisi energetico-ambientale dei processi e quindi un supporto analitico
di pianificazione territoriale per l’Amministrazione preposta alla gestione del rifiuto in un determinato
bacino di utenza.
Energie Rinnovabili (G. Giavelli)
A livello mondiale nell’ultimo decennio le fonti energetiche rinnovabili (RES, renewable energy
sources), ad esclusione delle biomasse, hanno complessivamente rappresentato meno del 10% del
consumo energetico, ed il ‘solare’ ha rappresentato solo una minima frazione di tale scenario. In
Italia le RES, incluso l’idroelettrico, coprono circa il 6% della produzione interna; al ‘solare’ afferisce
il 3% della produzione da fonti rinnovabili, cioè meno dello 0,18% dell’energia prodotta in Italia.
Eppure l’Italia presenta condizioni geografiche e climatiche ideali per l’affermarsi di strategie basate
sulle RES, specialmente nel meridione e nelle piccole isole.
- Costruzione di scenari energetici di sviluppo. Rappresentano, in termini quantitativi, le probabili
variazioni della domanda di energia nelle diverse realtà territoriali con crescita o marcata variabilità
stagionale di domanda. Le indagini vengono condotte in relazione alla quantità di energia richiesta
e alla luce delle caratteristiche ecologico-ambientali degli scenari stessi (per esempio: relazione tra
percentuale di terreni abbandonati, domanda energetica per lo sviluppo, ipotesi “fotovoltaica”).
- Scelte energetiche e ‘tipologia’ dello sviluppo sostenibile perseguito mediante (1) l’estrinsecazione
dei vantaggi / svantaggi per gli ecosistemi legati all’uso di una specifica RES; (2) la ricerca del
miglior compromesso nell’adozione di più RES, sulla stessa realtà territoriale o in realtà similari (la
comparabilità tra le diverse forme di energia sfruttabili viene sovente “oscurato” dalla tendenza a
considerare i soli costi diretti - investimento, impianto, ecc. - monetizzabili, tralasciando i costi
indiretti dovuti agli effetti sull’ambiente naturale e umano). Le proposte operative, scaturite dai
risultati delle ricerche applicate a specifici contesti territoriali, dovranno superare in termini razionali quella sorta di conflittualità latente tra le ipotesi di sviluppo e le necessità della salvaguardia ambientale.
Salvaguardia delle risorse naturali in ecosistemi piccolo-insulari (Rossi O.)
La capacità dell’uomo di comprendere e prevedere il comportamento dei sistemi complessi è ancora
limitata, e a tutt’oggi non esiste un metodo soddisfacente per anticipare l’impatto di interventi
umani sugli ecosistemi.
Negli ecosistemi in genere, e nei sistemi antropizzati piccolo-insulari in particolare, le componenti
naturale, sociale, economica e culturale formano un insieme altamente connesso ad elevato livello
di organizzazione. Ne consegue che la gestione delle risorse naturali, oltre che alla complessità del
sistema in sé, deve fronteggiare anche l’eterogeneità delle tante variabili ambientali implicate.
La ricerca, a carattere interdisciplinare, dovrà permettere di tracciare un aggiornato quadro
ambientale e socio-economico dei sistemi piccolo-insulari mediterranei, e di configurare in termini
concreti alcune ipotesi di futuro sostenibile. Più in dettaglio, il fenomeno “turismo”, nei diversi
contesti, verrà esaminato attraverso studi specifici su: 1) possibilità di recupero degli ambienti
naturali con manifesti segni di degrado; 2) evoluzione delle pratiche agricole attraverso l’inventario
dei terreni abbandonati e degli incolti produttivi, le tecniche colturali, la struttura degli agroecosistemi;
3) servizi per la collettività quali sanità, trasporti, istruzione; 4) analisi dei flussi e della capacità
portante ambientale; 5) raccolta e smaltimento dei rifiuti; 6) popolazione, nei suoi aspetti demosocio-
economici; 7) approvvigionamento energetico, con riferimento all’attivazione di fonti di energia
alternative alle centrali termoelettriche tradizionali.
Pianificazione e gestione ecologica di parchi e riserve naturali (Rossi O.)
Lo studio degli aspetti strutturali e dinamici delle comunità costituisce un punto di particolare
importanza per qualsiasi programma di conservazione e valorizzazione del territorio. Infatti, l’impatto
delle attività umane sul patrimonio naturale si manifesta secondo modalità legate ai meccanismi
che governano la dinamica dell’ecosistema; in questo contesto, la salvaguardia dipende da un
bilanciamento di forze: da una parte l’intensità dell’impatto, dall’altra il grado di resistenza, o
stabilità, della comunità nei confronti dell’impatto che su di essa agisce.
Si deve tuttavia tenere presente che la relazione diretta tra diversità e stabilità riguarda comunità
che sono il risultato di lunghi cammini evolutivi. Spesso l’introduzione di nuovi organismi può
invece determinare nella comunità drastici cambiamenti strutturali e funzionali; ciò é stato osservato
in alcuni ecosistemi acquatici, caratterizzati da comunità strutturalmente diverse, prima e dopo
l’immissione di specie ittiche predatrici.
Interventi di rimboschimento o di ripopolamento vanno dunque attentamente valutati, onde evitare
conseguenze inattese e negative sulle comunità della riserva.
Metodi avanzati di analisi, gestione e programmazione territoriale
(Rossi O., Ferrarini A., Rossi P., Soliani L.)
I dati derivati da sensori multispettrali (satellitari) e iperspettrali (aviotrasportati) costituiscono
una insostituibile sorgente di informazione per l’analisi, la gestione e la progettazione del territorio.
Nella letteratura scientifica sono documentate numerose applicazioni dei sistemi informativi ambientali
e dei dati telerilevati (congiuntamente a ortofoto digitali e modelli digitali del terreno), tra le quali
spiccano per importanza: a) la cartografia territoriale b) gli studi sulle modifiche temporali del
paesaggio c) le mappe di idoneità territoriale per le specie animali d) le mappe della pressione
antropica gravante sugli ecosistemi e) la produzione di scenari evolutivi del territorio.
A seconda delle risoluzioni spaziale e spettrale necessarie, nel nostro Paese vengono utilizzati
principalmente due sensori, molto differenti tra loro. Il Landsat TM è un sensore satellitare dotato
di 7 bande spettrali, le prime 3 nel visibile, la banda 4 nell’infrarosso vicino, le bande 5 e 7
nell’infrarosso medio e la 6 nell’infrarosso termico. La sua risoluzione al suolo (dimensione del pixel
dell’immagine) è costante ed è pari a 30 metri mentre l’intervallo temporale tra due passaggi
successivi sulla stessa regione terrestre è di 16 giorni. Il MIVIS è un sensore aviotrasportato che
presenta un’elevatissima risoluzione spettrale e spaziale. E’ dotato di 102 bande spettrali, le prime
20 nel visibile, dalla 21 alla 28 nell’infrarosso vicino, dalla 29 alla 92 nell’infrarosso medio e dalla 93
alla 102 nell’infrarosso termico. La sua risoluzione al suolo varia in funzione della quota di volo e
può spingersi fino a 3 metri, rendendo possibili alcune tipologie di analisi altrimenti precluse. Tra
queste possono essere citate la stima di parametri strutturali (altezza delle piante, L.A.I., fipar) e
funzionali (contenuto fogliare di pigmenti fotosintetici, amido, lignina ecc...) della vegetazione,
l’individuazione di discariche organiche e inorganiche non controllate e molte altre ancora, alcune
delle quali saranno illustrate di seguito. Anche le tradizionali applicazioni del satellite Landsat possono
essere realizzate in modo molto più efficace utilizzando il sensore MIVIS.
Nuovi sensori si stanno affacciando sulla scena della ricerca in campo ambientale: tra questi, è
bene ricordare l’Ikonos (pancromatico a 1 m di risoluzione e multispettrale nel VIS e nel NIR a 4
metri) e il Quick Bird (pancromatico a 0,5 m di risoluzione e multispettrale nel VIS e nel NIR a 2,5
metri).
Il nostro gruppo di ricerca ha messo a punto una serie di metodologie tecnico-scientifiche finalizzate
ad utilizzare al meglio le recenti tecnologie per poterle applicare in modo efficace a problematiche
ambientali di grande attualità ed interesse. Tali problematiche rientrano in tre grandi settori: a)
monitoraggio; b) gestione; c) pianificazione territoriale.
Cartografia degli habitat
Si tratta di una delle più comuni applicazioni del telerilevamento. Gli habitat (antropizzati, naturali
e seminaturali) vengono riconosciuti nei loro differenti comportamenti spettrali tramite l’utilizzo di
algoritmi appositi. Le tecniche classificatorie tradizionali (es. spectral angle mapper, maximum
likelihood) forniscono spesso risultati scarsamente accurati. Per tale motivo il nostro Gruppo di
Ricerca ha messo a punto l’impiego di tecniche supervised a reti neurali (MLP, RBF) e di segmentazione
gerarchica (CART, CHAID), ottenendo livelli di accuratezza superiori al 98%. Abbiamo realizzato la
mappatura sia di aree urbanizzate che naturali (o seminaturali), come le città di Parma e Sulmona,
il bacino idrografico del Torrente Baganza, le aree della Sila Greca e del Maremmano. Per aree di cui
non si abbiano punti di campionamento al suolo, risulta molto efficace l’utilizzo delle reti neurali di
Kohonen (al posto dei più tradizionali algoritmi di cluster analysis di tipo isodata e a k-medie) di cui
abbiamo fatto uso per diverse aree oggetto di studio. I sistemi di classificazione territoriale di cui
abbiamo fatto uso sono stati il CORINE Biotopes per le aree naturali ed il CORINE Landcover per le
aree urbanizzate.
Stima di parametri strutturali della vegetazione
Diversi parametri strutturali della vegetazione possono essere stimati tramite dati MIVIS e Landsat.
In mancanza di campioni al suolo è possibile solo fare stime di variazione relativa di parametri
quali: altezza delle piante, frazione della radiazione fotosintetica intercettata (fipar) e indice di area
fogliare (LAI). La disponibilità anche di poche misure al suolo consente una loro stima puntuale e
quantitativa. Si tratta, in sostanza, di risolvere funzioni matematiche del tipo y=f(x1, x2, É xn)
dove y è il parametro vegetazionale da stimare e x1, x2, ..xn le lunghezze spettrali fornite dal
sensore. Per trovare la migliore funzione interpolatrice, facciamo uso di tecniche multivariate avanzate
(analisi delle ridondanze e delle correlazioni canoniche) e di algoritmi ad intelligenza artificiale
(modelli what-if). Le tradizionali tecniche statistiche di regressione sono scarsamente utili per via
dei numerosi problemi di campionamento dei dati (multicollinearità e autocorrelazione spaziale).
Stima di parametri funzionali della vegetazione
I dati telerilevati MIVIS consentono stime quantitative (in presenza di alcune misure rilevate al
suolo) o qualitative (in loro assenza) di parametri funzionali quali: a) produttività primaria lorda, b)
contenuto fogliare di clorofilla a, b e carotenoidi, c) contenuto fogliare di lignina, amido, azoto e
acqua, d) temperatura superficiale fogliare, e) contenuto fogliare d’acqua. Anche in questo caso si
tratta di trovare la funzione migliore che lega l’informazione spettrale del sensore (variabile
indipendente) al parametro vegetazionale di interesse. Per questo tipo di applicazione, il satellite
Landsat non è adatto per via della limitatezza spettrale e spaziale dell’informazione. Abbiamo,
invece, ottenuto ottimi risultati con i dati del sensore MIVIS (r2 della funzione interpolante superiori
a 0.97).
Analisi dell’incidenza dei dati ancillari sui parametri vegetazionali
I dati ancillari (modelli digitali del terreno e ortofoto digitali) rappresentano un ottimo strumento
interpretativo delle informazioni telerilevate. Può risultare interessante chiedersi, per esempio, se
esistono differenze statisticamente significative nell’attività fotosintetica di una specie al variare
dell’altezza sul livello del mare o del versante. Le tecniche statistiche multivariate (analisi
discriminante e analisi multivariata della varianza) permettono di valutare l’incidenza di fattori
geomorfologici sulle caratteristiche della vegetazione. Anche l’utilizzo di tecniche geostatistiche,
come i semivariogrammi, permette lo studio dell’andamento spaziale delle caratteristiche principali
della vegetazione relazionandole ad aspetti di tipo fitoclimatico, geo-pedologico e altitudinale. I
dati ancillari sono anche utili per isolare quelle porzioni dell’area di studio che rispondono a determinati
requisiti di altezza s.l.m., pendenza, esposizione del versante.
Mappature del rischio di incendi
Ogni anno in Italia vengono persi circa 50 mila ettari di bosco a causa di incendi boschivi. Le
informazioni deducibili dall’elaborazione dei dati telerilevati MIVIS e Landsat (mappature dell’uso
reale del suolo, biomassa fotosinteticamente attiva, contenuto d’acqua, andamento altimetrico del
terreno) possono servire per produrre mappature del rischio di incendi. In questo caso vengono
utilizzati indici sintetici che rappresentano per lo più combinazioni lineari complesse dell’informazione
telerilevata. Questa applicazione ha un grande interesse nel campo della protezione delle aree
boscate e delle popolazioni residenti nelle zone a maggior rischio di scoppio di incendio. Il nostro
gruppo di ricerca sta utilizzando questi indici per il calcolo della sensibilità abiotica di diverse aree
del territorio italiano (Sila Greca, Maremmano, Piacentino, Val Baganza).
Analisi del grado di frammentazione, di disturbo antropico e di connettività
del territorio
L’analisi del paesaggio, condotta mediante indicatori del suo pattern, permette di ricavare numerose
e preziose informazioni a tre livelli gerarchici: di habitat, di classe e di paesaggio. Le mappature
ottenute dalla classificazione di immagini telerilevate vengono elaborate ottenendo indici sintetici
che forniscono informazioni sulla frammentazione, connettività, contrasto, contiguità, forma... degli
oggetti presenti nell’area di studio. La cosiddetta “tessitura del paesaggio” rappresenta sia il risultato
di precedenti azioni di pianificazione che la base di partenza per nuovi progetti. L’analisi del landscape
pattern costituisce la base dell’ecologia del paesaggio e della pianificazione territoriale poiché
evidenzia le principali caratteristiche degli habitat e i rapporti spaziali esistenti tra essi.
Mappe della vocazionalità faunistica
Le informazioni fornite dai dati telerilevati (mappe dell’uso reale del suolo, parametri strutturali e
funzionali della vegetazione, grado di frammentazione/connettività degli habitatÉ), insieme ai dati
ancillari, permettono di produrre modelli della vocazionalità faunistica potenziale per le specie
animali. Questa applicazione consente di conoscere quali habitat potenziali verrebbero persi in caso
di conversione di talune aree ad uso antropici. L’analisi ha importanza soprattutto per le specie rare
o vulnerabili. Il nostro gruppo di ricerca sta svolgendo questo tipi di analisi per più di 1 milione di
ettari del territorio italiano.
Analisi delle variazioni temporali del territorio
Una delle più importanti applicazioni del telerilevamento è l’analisi, mediante algoritmi di change
detection (rapporto e differenza tra immagini, componenti principali, composizioni in falso colore),
delle variazioni temporali intercorse nel territorio. Questi studi possono interessare diversi aspetti
come le modifiche dell’uso reale del suolo, di parametri strutturali e funzionali della vegetazione,
del grado frammentazione e vulnerabilità del paesaggioÉ Per questo tipo di applicazione facciamo
uso solo di immagini satellitari poiché spettralmente confrontabili tra loro.
Modellizzazione degli scenari evolutivi del territorio
Disponendo di immagini telerilevate della stessa area in tempi diversi, è possibile utilizzare algoritmi
in grado di estrapolare le regole secondo cui il territorio si è evoluto per poi utilizzarle allo scopo di
modellizzare i probabili sviluppi futuri. In particolare, gli automi cellulari rappresentano modelli
dinamici, stocastici e spazialmente espliciti ormai ritenuti più che affidabili dalla letteratura scientifica.
Questa appplicazione risulta di grande interesse per tutti gli Enti che si occupano di monitoraggio e
pianificazione del territorio.
Utilizzo di analisi multicriterio per la pianificazione territoriale
Le informazioni telerilevate congiuntamente a quelle che possono essere introdotte in un Sistema
Informativo Territoriale possono essere utilizzate per proporre alternative gestionali del territorio.
Il nostro gruppo di ricerca ha condotto uno studio nel bacino idrografico del Torrente Baganza per
decidere la disposizione ottimale di una strada che congiunge due frazioni del Comune di Felino
(Parma) mediante l’applicazione di analisi multicriterio a diverse alternative progettuali. Sempre
nell’ambito del bacino del torrente Baganza, abbiamo realizzato uno studio per decidere il sito
ottimale per la disclocazione di una discarica inorganica utilizzando 15 criteri decisionali, la maggior
parte dei quali provenienti dal remote sensing.
Valutazione del grado di scenicità del paesaggio
Per aumentare la percezione della struttura del paesaggio, è possibile impiegare tecniche che
utilizzano le informazioni provenienti dal telerilevamento e le restituiscono sotto forma di paesaggi
virtuali ad alta fedeltà di riproduzione in cui ci si può muoversi liberamente cogliendo particolari
non discernibili in una rappresentazione bidimensionale del territorio. In molti casi di valutazione di
impatto ambientale, la scenicità viene utilizzata come valore intrinseco del paesaggio e come criterio
di valutazione della fattibilità di certi manufatti. Abbiamo ricostruito in 3D quasi 1 milione di ettari
del territorio italiano con tecniche che permettono di muoversi all’interno di un paesaggio (tecniche
walk through) o di sorvolarlo (tecniche fly-by).
Studio degli ambienti aquatici
Relativamente agli ambienti acquatici, il nostro gruppo di ricerca ha realizzato alcune applicazioni
che, seppure di importanza limitata, potrannno in futuro essere ampliate. In particolare:
1. Mappature di specie macroalgali
2. Pattern spaziale (variabilità spaziale locale mediante finestre mobili, transetti e semivariogrammi)
della distribuzione macroalgale
3. Stime quantitative ( pixel per pixel) del carico di solidi sospesi (mg/m2)
4. Pattern spaziale del carico di solidi sospesi
5. Stime della temperatura superficiale delle acque
6. Stima ( pixel per pixel) della profondità del disco di Secchi (infiltrazione luminosa)
Individuazione, delimitazione e caratterizzazione del materiale presente
in discariche
Utilizzando particolari algoritmi di elaborazione delle immagini (algoritmi tessiturali) è possibile
individuare in modo probabilistico la presenza e le dimensioni di siti a discarica non controllata. In
presenza di campionamenti a terra, è possibile anche fare stime approssimative della percentuale
di materiale presente in discarica. Abbiamo applicato con successo alcuni algoritmi tessiturali
innovativi in un’area vicina a Parma, individuando con successo tre aree a discarica non controllata.
Analisi multiscalare delle informazioni telerilevate
Avere informazioni ambientali a scale diverse (differenti sensori) significa coniugare diverse risoluzioni
(dimensione al suolo del pixel) e diversi extent (finestra spaziale telerilevata). Quali informazioni si
perdono o si guadagnano passando da una scala ad un’altra (sapendo, per esempio, che più sono
dettagliate le immagini e maggiori sono i costi e i tempi di elaborazione) ? Abbiamo potuto dare una
risposta a queste domande utilizzando tecniche geostatistiche. Il risultato è di notevole interesse
applicativo.
Inserimento dei precedenti tematismi entro i Sistemi Informativi Ambientali
(SIT)
L’ultimo step per l’analisi del territorio è la messa a sistema delle informazioni precedentemente
descritte. Questa operazione permette di ricavare tematismi derivati quali, per esempio, il grado di
sensibilità, valore e fragilità ecologici e di pressione antropica. La messa a punto del SIT non è un
punto di arrivo delle analisi territoriali ma, bensì, un punto di partenza per la realizzazione e la
validazione di nuove ipotesi progettuali.
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