Tecnica di video monitoraggio applicata all'osservazione dell'evoluzione della linea di riva

Descrizione

Nell'ambito del P.O.R. Puglia 2000 - 2006, la Regione Puglia ha previsto una serie di azioni di monitoraggio fra cui quella degli interventi di difesa costiera già finanziati e realizzati (Misura 1.3 - Sottoazione 2b dell'area di azione 2 - Difesa delle coste regionali colpite da fenomeni di subsidenza ed erosione dei litorali sabbiosi e dissesto dei litorali rocciosi) e quella dell'evoluzione costiera, basato su riprese aeree ripetute a cadenza stagionale, con successiva restituzione cartografica (Misura 1.3 - Sottoazione 4c dell'area di azione 4 - Miglioramento delle conoscenze di base, adeguamento e ampliamento del sistema di monitoraggio del suolo, dei corpi idrici superficiali, sotterranei e costieri).

Le azioni sono state affidate al Politecnico di Bari - Laboratorio di Ricerca e Sperimentazione per la Difesa delle Coste (LIC), all'Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Geologia e Geofisica (DGG) e all'Istituto di Ricerca delle Acque (IRSA) del C.N.R., riunite in A.T.I., con la stipula di una apposita Convenzione.

In tale contesto è stata sviluppata una procedura per l'estrazione semiautomatica della linea di riva da immagini prodotte da webcam.
La procedura include la media delle immagini, effettuata a partire da un numero di immagini istantanee acquisite in un breve periodo di tempo, la ortorettifica delle stesse, la loro georeferenzazione e, infine, la estrapolazione della linea di riva, intesa come linea di separazione fra bagnato e asciutto. E' possibile, inoltre, effettuare una correzione di marea e il calcolo della pendenza della spiaggia intertidale.
Tale procedura, interamente sviluppata in linguaggio MATLAB, permette di studiare l'evoluzione delle linea di riva basandosi su un numero elevatissimo di dati acquisiti e con costi relativamente bassi, se paragonati a quelli delle tecniche tradizionali di rilievo. E' quindi possibile correlare la posizione della linea di riva con i dati di vento e di moto ondoso, osservando, in tempo reale, la risposta della spiaggia ad una particolare mareggiata.
I risultati di questo tipo di monitoraggio, infine, permettono di testare gli output dei modelli numerici che simulano l'evoluzione della linea di riva, basandosi su fenomeni reali.

Il sito

La località scelta per l'applicazione della metodologia è stata la spiaggia di Alimini in provincia di Brindisi. Il sito è stato selezionato in quanto caratterizzato: da evidenti fenomeni di erosione, dalla possibilità di accedere a parecchi servizi (energia elettrica, sistemi di manutenzione,..) e dalla presenza di dune con una elevazione tale da fornire buoni punti d'installazione delle webcam.

Metodologia

Il sistema di acquisizione consiste in due webcam posizionate sulla sommità di un palo a circa 10 metri sul livello medio del mare. Le camere sono collegate ad un PC per l'immagazzinamento di tutti i dati e ad un modem GSM per la trasmissione, in tempo reale, di alcune immagini selezionate sul sito web del progetto (http://www.puglia-coste.it).
In fase di installazione del sistema è stata condotta una campagna topografica che ha permesso di determinare le coordinate spaziali di una serie di punti (1739) costituenti i vertici di due griglie, una per ogni webcam. Ogni vertice di tali griglie è stato quindi usato come punto di controllo per le successive trasformazioni delle immagini.
Per tale operazione è stato utilizzato un processore di immagini computerizzato per produrre immagini digitali ottenute dalla media di una sequenza preimpostata di scatti. Ogni tre ore diurne ha inizio un processo di acquisizione consistente in 20 scatti per ogni webcam con frequenza pari a uno scatto per secondo.

Dopo le succitate operazioni, l'immagine trasformata viene ortorettificata e georeferenziata sulla base delle coordinate spaziali dei punti di controllo. Infine l'immagine mediata viene trasmessa in rete.

Estrazione della linea di riva ed elaborazioni del dati

La procedura di estrazione sviluppata è basata sulla distinzione del colore dei pixel, che permette di separare l'asciutto dal bagnato nelle immagini.
A differenza di altre tecniche presenti in letteratura, non sono richieste trasformazioni di immagini nello spazio HSV (height, saturation, value); la sola operazione richiesta all'operatore è di identificare nell'immagine una quantità sufficiente di punti corrispondenti a sabbia (o ad acqua); successivamente il sistema provvederà ad identificare e raggruppare automaticamente i pixel che hanno gradazioni di colore simili a quelli individuati visivamente utilizzando un grado di tolleranza preimpostato, e, comunque, variabile in qualsiasi momento dall'operatore durante l'elaborazione.
Il controllo della bontà del risultato avviene in tempo reale in quanto il sistema fornisce, prima di richiedere l'archiviazione definitiva del dato, una immagine nella quale la linea di riva estratta è sovrapposta all'immagine ortorettificata.

Estraendo la linea di riva per un numero significativo di immagini, se ne può ricavare l'evoluzione nel tempo. Nella figura sottostante, a titolo di esempio, è mostrata l'evoluzione della linea di riva nel 2006, rappresentata su 9 transetti, del tratto di spiaggia inquadrato da una delle due webcam. Il numero e la posizione dei transetti sui quali rappresentare tale andamento è assolutamente arbitrario potendo contare sulla possibilià teorica di utilizzare una rappresentazione di 1911 transetti (uno per ogni riga di pixel della fotografia di origine).

L'informazione sulla posizione della linea di riva che si ottiene dal solo esame di immagini, ovviamente, non tiene conto della variazione dei livelli di marea nel tempo; questo può portare a grossolani errori di valutazione, in quanto un innalzamento del livello medio del mare, provocando un arretramento della linea di riva, può essere interpretato come una conseguenza di un fenomeno erosivo in atto; allo stesso modo si può intendere come ripascimento un avanzamento della linea di riva dovuto , in realtà, al solo abbassamento della marea.
In virtù di quanto appena esposto è stata elaborata una procedura che permette di effettuare la cosiddetta "correzione di marea". Tale procedura parte dalla considerazione che in condizioni di mare calmo la linea di riva, se correttamente associata ad un livello del mare registrato nell'istante stesso dell'acquisizione dell'immagine, può essere vista come una curva di livello avente quota pari a quella del livello di marea stesso.
E' stato quindi possibile, vista la presenza di un mareografo a pochi Km di distanza dal sito del monitoraggio, costruire, sulla base di, almeno, tre acquisizioni relative ad una stessa giornata caratterizzata da condizioni di mare calmo, delle carte batimetriche, ovviamente limitate alla fascia intertidale della spiaggia, e calcolare la pendenza della spiaggia stessa. Assumendo che tale pendenza non cambi significativamente tra una condizione di mare calmo e quella successiva si è potuto tracciare una curva rappresentativa dell'evoluzione della linea di riva "slegata" dall'effetto della marea. (linea tratteggiata nelle figura centrale sottostante).
Nella stessa figura, in alto, sono rappresentati gli stati di marea così come registrati dal mareografo, mentre in basso è riportata una rappresentazione degli stati ondosi (in termini di altezza significativa dell'onda e direzione) ottenuta a partire dai dati di vento registrati durante il periodo di osservazione, da un anemometro posizionato sempre nelle vicinanze.

Conclusioni

Il monitoraggio della linea di riva mediante l'utilizzo di webcam permette di trattare una enorme quantità di dati - dipendenti in realtà solo dal numero di acquisizioni giornaliere che si vogliono effettuare - a costi relativamente bassi, se comparati a quelli dei metodi tradizionali (rilievi con GPS o tramite stazioni totali).
L'estrazione semiautomatica della linea di riva riduce, altresì, notevolmente i tempi di elaborazione. Correggendo i dati elaborati e depurandoli dagli effetti della marea, si può sostanzialmente ottenere un idea piuttosto precisa del trend evolutivo di una spiaggia nel lungo periodo.
E' inoltre immediato controllare gli effetti di una singola mareggiata sull'evoluzione della linea di riva e sulla morfologia della spiaggia nella zona di escursione delle maree.