GPS per il monitoraggio di aree percorse da incendio

Impiego di strumentazione GPS per il monitoraggio speditivo di aree percorse da incendi boschi

Riassunto
Sono stati sperimentati ed analizzati tutti i passaggi necessari dalla progettazione del rilievo fino alla implementazione del Sistema Informativo Forestale ed alla restituzione degli elaborati cartografici e non.
Considerati i tempi occorsi, dal rilievo alla restituzione cartografica, la metodologia applicata è risultata nel suo insieme valida e, viste le sue potenzialità operative, meritevole di ulteriori approfondimenti.

Summary
USING GPS TECHNOLOGY FOR BURNT FORESTAREAS MONITORING
This is the testing result of an effective methodology which, by using the GPS technology, permits an operative joint exploitation of GPS data and cartographic material for the rapid monitoring of areas effected by forest fires. Tests and evaluations were carried out on all necessary steps from the survey plan to the implementation of the Forestry Informative System, and restitution and out-put of noncartographic data. Considering the time required from the survey to the cartographic restitution, the method used was altogether valid and, seeing the procedures potentiality, was worthy of further investigation.

Premessa
L' esperienza di seguito illustrata riguarda l'utilizzo di metodologie e attrezzature GPS espressamente finalizzate al rilievo cartografico di due aree percorse da incendio ed il successivo inserimento dei dati ottenuti all'interno del GIS, operante su PC in ambiente i ARC-View, dedicato alla raccolta ed alla gestione dei dati dell'Inventario Forestale della Regione Emilia-Romagna.
La prova è stata svolta da tecnici e collaboratori del Servizio Paesaggio, Parchi e Patrimonio Naturale della Regione Emilia-Romagna in collaborazione con il Corpo Forestale dello Stato al fine:

  • di valutare le possibilità operative delle attrezzature GPS nel campo cartografico;

  • di mettere a punto delle corrette metodologie di rapido intervento da adottarsi per il monitoraggio di aree interessate da calamità naturali (nel caso in esame incendi boschivi).

Area di indagine
Come oggetto della sperimentazione sono state scelte due aree che il 2 agosto 1995 sono state interessate da due incendi di origine dolosa. Queste aree sono situate nella parte montana della Provincia di Bologna, lungo la strada statale 64 (Porrettana) e ricadono nel territorio dei comuni di Marzabotto (Loc. Sibano) e di Vergato (Loc. Tabina). In entrambi i casi l'incendio, probabilmente applicato dalla stessa persona (sono scoppiati quasi simultaneamente tra le 12 e le 12 e trenta) è partito dalla statale 64 ed ha interessato la massicciata e le zone ad essa sovrastanti.
Dei due siti il primo (Loc. Sibano) poteva essere diviso in tre diverse tipologie:

  • una fascia a fortissima pendenza ad arbusteto, già più volte nel passato percorsa da incendi, comprendente la massicciata della strada statale e le aree ad essa immediatamente limitrofe;

  • una zona di coltivi relativamente pianeggianti;

  • una zona a bosco (prevalentemente costituito da roverella) situata nella parte a quota più elevata.

La seconda area (Loc. Tabina) era invece costituita nella quasi totalità da un arbusteto molto degradato, conseguenza del passaggio di numerosi incendi nel corso degli ultimi anni e del terreno fortemente argilloso.
L'ampiezza delle aree percorse dai due incendi era stata stimata visualmente dal personale del Corpo Forestale dello Stato, ma non era stato eseguito alcun rilievo cartografico di precisione né alcun tipo di monitoraggio fotografico.

Scopo dell'indagine
Lo scopo dell'indagine è stato:

  • planimetrare con precisione le aree percorse da incendio;

  • verificare l'accuratezza topografica del rilievo attraverso l'acquisizione GPS di elementi già presenti in cartografia ed il confronto dei risultati ottenuti con la Cartografia Tecnica Regionale (CTR) in scala l:5.000 e I: 10.000 (questa operazione risultava necessaria anche per collocare spazialmente l'elaborazione grafica del rilievo all'interno delle CTR);

  • verificare le possibilità di gestire mediante il datalogger del sistema GPS un database complesso espressamente dedicato al rilievo degli incendi boschivi (in questo caso la scheda di segnalazione incendi in uso al CFS) servendosi delle opzioni del programma di gestione PFinder 3.00 (software Trimble di gestione del GPS);

  • verificare i tempi di rilievo in campagna e le difficoltà ad operare in condizioni complesse;

  • stabilire una superficie minima ed una massima per cui il rilievo GPS risulti conveniente;

  • stabilire altresì una metodologia di intervento che massimizzi le potenzialità del rilievo;

  • testare le difficoltà nella elaborazione e nella correzione dei dati e nel loro trasferimento da GPS su GIS (nel nostro caso ARC-View 2. 1), ed eventualmente mettere a punto le procedure corrette di trasferimento dati;

  • verificare i tempi uomo complessivi delle operazioni informatiche dalla correzione differenziale alla produzione cartografica, ed il livello tecnico necessario all'esecuzione di ciascuna operazione.

Materiali e Metodi
Base
Per il rilievo GPS è stato utilizzato il Trimble Pathfinder Mapping System. In particolare come stazione di riferimento per le correzioni differenziali è stata utilizzata la Community Base Station a 12 canali che riceve i segnali da 12 satelliti e registra le correzioni necessarie per garantire precisione sub-metrica alle misurazioni operando in post processino. Detta stazione è collocata all'interno dell'Assessorato Territorio, Programmazione ed Ambiente della Regione Emilia Romagna ed è collegata ad un'antenna ricevente Trimble Geodetic Compact CI con Grand Plane posizionata sopra la cima del palazzo in un punto precisamente determinato e ad orizzonte libero. La CBS viene attivata quando necessario ed utilizzata per tutte le campagne di rilievo GPS del servizio "Paesaggio, Parchi e Patrimonio Naturale". In queste prove la base è venuta a trovarsi a circa 20 Km dal luogo di intervento garantendo una precisione submetrica al rilievo.

Rover (GPS mobile)
Come rover è stato utilizzato un Trimble Pro XL implementato con un datalogger MC-V Il Pro XL è un ricevitore ad 8 canali che opera in modalità Real Time e Post Processing, ed in quest'ultima modalità è in grado di fornire una precisione submetrica. Il datalogger MC-V è stato scelto in quanto estremamente robusto e progettato per operare in ogni condizione ambientale. Permette inoltre di gestire database personalizzati per archiviare dati durante l'esecuzione del rilievo grazie al software PFinder.

Operazioni di rilievo
Le operazioni di rilievo sono state svolte in due giornate (11 e 22 agosto 1995), una per ogni area.
Immediatamente prima della partenza per le operazioni di rilievo sono state effettuate le operazioni preliminari (planning della missione e check-in delle attrezzature di campagna).
Il rilievo degli incendi è stato realizzato da due tecnici regionali addetti al GPS e da una squadra del CFS come guida e controllo dei risultati. I tecnici GPS hanno percorso a piedi l'intero perimetro dei due incendi ed hanno inserito le informazioni nel data base durante la marcia.
Al termine del rilievo a piedi, durante il rientro in sede, è stato effettuato il rilievo della viabilità principale (SS 64) e di accesso alle aree bruciate (elementi noti scelti per la verifica della precisione strumentale e necessari al rapido posizionamento cartografico). Questa operazione è stata realizzata posizionando l'antenna GPS sul tetto dell'auto (attraverso l'apposito magnete in dotazione) e archiviando una serie di dati descrittivi del percorso.

Operazioni di rilievo in campagna.

Digitalizazione di dati stazionali eseguita in contemporanea
di dati GPS.

DGPS
La correzione differenziale è stata calcolata in post processing immediatamente al rientro in sede, utilizzando il software PFinder, in dotazione al sistema Pro XL. Dopo la correzione, le coordinate geografiche dei vari punti sono state trasformate dall'ellissoide WGS84 (sistema di riferimento GPS) all'ellissoide ED 50 in proiezione UTM allo scopo di rendere il rilievo sovrapponibile alla cartografia esistente.
Si è scelto di operare utilizzando tecniche di correzione differenziale in post processing poiché, quando non vi è la necessità di operare in tempo reale e quindi di collegare via radio la base al rover, questa tecnica rende le operazioni di rilievo più rapide ed economiche.

Passaggio dei dati GPS all'interno del Sistema Informativo Forestale
I dati acquisiti ed elaborati nel modo sopra descritto sono stati ulteriormente trattati al fine di essere esportati ed immagazzinati all'interno del Sistema Informativo Forestale della Regione Emilia-Romagna. Questo è un GIS, parte autonoma, ma interconnessa, del Sistema Informativo Regionale (SIR), operante su PC in ambiente ARC-View all'interno del quale, oltre alle informazioni di base provenienti dal SIR, sono stoccati: i dati (puntuali) provenienti dall'Inventario Forestale Regionale, i limiti e gli attributi dei parchi, delle riserve e delle foreste demaniali.
Il trasferimento dei dati dal rover ad ARC-View passa necessariamente attraverso una serie di operazioni:

  • il trasferimento dati dal rover al PC mediante il software PFinder fornito con il sistema GPS;

  • la correzione differenziale in automatico dei dati rilevati mediante il software PFinder;

  • l'eventuale correzione manuale dei dati mediante il software PFinder;

  • l'esportazione dal formato gestito dal software PFinder al formato ARC-Info ;

  • l'esportazione dal formato ARC-Info al formato ARC-View mediante il software ARC-Info.

Risultati
I risultati del rilievo sono sintetizzati nelle figure (Area in località Sibano e Area in località Tabina) che rappresentano le mappe delle aree percorse da incendio evidenziando in legenda la superficie interessata divisa per tipologia di uso del suolo.
Venendo ad esaminare nel dettaglio i singoli scopi prefissati si è riscontrato quanto segue:

  • le aree percorse da incendio sono state mappate agevolmente; la precisione topografica del rilievo è stata verificata e valutata estremamente soddisfacente fino alla scala di l:5.000 nonostante non sia stato utilizzato alcun algoritmo di ottimizzazione a posteriori dei tracciati rilevati;

  • all'interno del rover è stata implementata senza difficoltà la scheda relativa al rilievo degli incendi in dotazione ai Comandi Stazione del CFS utilizzando direttamente il data editor interno a PFinder. E' stata altresì constatata l'inutilità del rilievo diretto in campagna di gran parte di questa scheda che nel rilievo GPS potrebbe essere semplificata per la parte relativa alle procedure antincendio ed invece implementata di un maggior numero di dati (anche puntuali) di descrizione stazionale;

  • il rilievo delle due aree, effettuato in due giornate separate per un totale di 10 ore di lavoro complessivo in campagna, composto da:

  • 6 ore per il rilievo dell'area di Sibano, più complessa nella forma e quindi con un perimetro più lungo da coprire e fondata anche da soprassuoli forestali di non facile transitabilità;

  • 4 ore per il rilievo di Tabina, più regolare come forma e quasi interamente composto da soprassuoli arbustivi de-gradati di facile transitabilità.
    Il tempo di rilievo è comprensivo:

    1. della preparazione della strumentazione e dell'avvio della base;

    2. del raggiungimento delle località da rilevare;

    3. del montaggio delle componenti del rover e del controllo del loro funzionamento;

    4. della delimitazione degli incendi (che è stata eseguita percorrendo a piedi il perimetro esterno delle aree bruciate) e della loro zonizzazione in base alla tipologia colturale preesistente;

    5. del ritorno in sede con il monitoraggio della viabilità;

    6. dello smontaggio delle componenti del rover e della messa a ricarica delle batterie e del datalogger;

  • la situazione orograficamente complessa del territorio (a forte pendenza, estremamente accidentato e con notevoli problemi di percorribilità, soprattutto all'interno dell'area di Sibano) non hanno influito sulla speditezza del rilievo, né lo strumento è risultato limitato da questi fattori. E' risultata altresì determinante la capacità dell'operatore a lavorare in condizioni disagiate mantenendo costante l'attenzione sulle opzioni di controllo dello strumento;

  • il numero dì persone utilizzato per i rilievi in campagna è risultato sovradimensionato rispetto alle reali necessità. La squadra ottimale può prevedersi essere composta da due persone, una addetta al GPS e l'altra come appoggio e guida;

  • il rilievo GPS presenta le stesse problematiche e tempistiche dei rilievi speditivi a terra, e di questo tipo di rilievi risulta avere anche i medesimi ambiti operativi. Dimensioni minime simili a quelle rilevate in questo lavoro sembrano ottimali per essere monitorate senza una accurata pianificazione della missione. Su aree di maggiore estensione o difficoltà (quantomeno sopra i 30 ettari) risulta assolutamente necessaria una programmazione accurata del rilievo, sia dal punto di vista operativo che da quello logistico;

  • la fase di prima elaborazione dei dati e di correzione di sistema non è risultata particolarmente complessa e viene supportata ottimamente da PFinder. Maggiori difficoltà sono state, per contro, riscontrate nella correzione di precisione e nel trasferimento dei dati in formato GIS. Tali passaggi non risultano completamente supportati dal programma, ma necessitano di un continuo apporto dell'operatore. Altra limitazione riscontrata è stata l'impossibilità di passaggio diretto dei dati da PFinder ad ARC-View che ha obbligato ad utilizzare specifiche funzioni ARC-Info e quindi Work Station e tecnici in grado di gestirle;

  • l'elaborazione dei dati è stata eseguita, immediatamente al rientro da ciascuna campagna di rilievo, da un tecnico con conoscenze informatiche adeguate ad operare su PFínder e ARC-View (in ambiente PC) ed in grado di effettuare alcune operazioni su ARC-Info.Nell'arco di un'ora sono stati ottenuti i dati areali corretti (elaborazioni interamente svolte su PFinder) mentre l'immissione dei dati in ARC-View e l'elaborazione cartografica hanno richiesto 3 ore per l'area di Sibano e 2,5 ore per quella di Tabina.
    Dopo l'elaborazione dei dati sono stati ottenuti:
     

    1. l'ampiezza delle aree ed i loro perimetri, che sono stati trasmessi immediatamente al CFS per essere confrontati con i valori risultanti dalle precedenti ricognizioni effettuate;

    2. un insieme di elementi territoriali corretti e pronti per essere gestiti sul GIS;

    3. attraverso ARC-View 2.1 sono state prodotte le mappe delle aree in esame comprensive della viabilità principale e secondaria. Queste elaborazioni sono state stampate su supporto lucido e sovrapposte alla Cartografia Tecnica Regionale utilizzando la viabilità come punto di ancoraggio e controllo. Appositamente per il CFS sono state prodotte e consegnate copie in scala l:5.000.

Conclusioni
La sperimentazione realizzata ha mirato a massimizzare gli aspetti tecnico realizzativi delle operazioni di rilievo GPS.
La strumentazione GPS si è dimostrata facile da utilizzare, estremamente flessibile e solida, valida quindi per sopportare operazioni di rilievo da svolgere in tempi brevi ed in condizioni disagiate. Detta strumentazione potrebbe essere utilizzata proficuamente anche da personale non esperto in campo informatica, dopo un breve periodo di formazione specifica.
Maggiori difficoltà, unite alla necessità di tecnici più specializzati, si sono avute nell'organizzazione dell'inserimento dei rilievi all'interno del GIS. Questo soprattutto per evitare un caotico ingresso dei dati ed una disorganizzazione complessiva della struttura relazionale del GIS.
Considerati i tempi occorsi, dal rilievo alla restituzione cartografica (15 ore) per una superficie complessiva calcolata pari a 21, 3454 ha, la metodologia applicata è risultata nel suo insieme valida e, viste le sue potenzialità operative, meritevole di ulteriori approfondimenti.

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