Monitoraggio del corpo glaciale della Marmolada tramite classificazione di ortofoto con Grass 7.0

MONITORAGGIO DEL CORPO GLACIALE DELLA
MARMOLADA TRAMITE CLASSIFICAZIONE DI
ORTOFOTO
CON GRASS 7.0.0
Accordini Nicola
Bonanno Giuseppe
Fianelli Francesco
Anno Accademico 2015-2016
INDICE

INDICE............................................................................................................................ 2
1.0 - INTRODUZIONE.......................................................................................................3
1.1 DEFINIZIONE GHIACCIAIO......................................................................................3
1.2 METAMORFISMO DELLA NEVE................................................................................3
1.3 BILANCIO DI MASSA...............................................................................................4
1.4 I GHIACCIAI DELLA MARMOLADA..........................................................................5
2.0 STUDIO DELLE ORTOFOTO........................................................................................6
2.1 ORTOFOTO 2006...................................................................................................6
2.1.1 CLASSIFICAZIONE NON CONTESTUALE............................................................7
2.1.2 CLASSIFICAZIONE CONTESTUALE....................................................................9
2.2 ORTOFOTO 1973.................................................................................................17
2.3 ORTOFOTO 2000.................................................................................................19
2.4 SOVRAPPOSIZIONE VETTORIALI...........................................................................25
3.0 CONCLUSIONI.........................................................................................................26
4.0 FONTI......................................................................................................................28
4.1 BIBLIOGRAFIA......................................................................................................28
4.2 SITOGRAFIA.........................................................................................................28
1.0 - INTRODUZIONE
1.1 DEFINIZIONE GHIACCIAIO
2

Secondo il GLIMS (Global Land Ice Measurements from Space) un ghiacciaio è
costituito dal ghiaccio che si può osservare alla fine della melt season o, in caso di
ghiacciai tropicali, dopo che la neve superficiale si sia sciolta.
Esistono vari tipi di ghiacciai che si dividono in due grandi categorie:
 Ghiacciai di Montagna
 Ghiacciai Continentali
Il ghiacciaio della Marmolada, che si colloca nella prima categoria, si può ulteriormente
descrivere come Ghiacciaio Montano: corpo glaciale che fluisce lungo una valle
rocciosa con versanti ripidi e netti.
Figura 1 - Ghiacciaio della Marmolada Principale (941) nel gruppo della Marmolada; a destra in alto la
calotta di Punta Penia (941.2), a destra in basso Marmolada Centrale (941.1) e all’estrema destra
Marmolada Ovest (942) (foto F. Bugnara, 2007)
1.2 METAMORFISMO DELLA NEVE
Indipendentemente dalla famiglia di appartenenza ogni ghiacciaio ha un proprio
bacino alimentatore, dove si accumula la neve, e una zona di ablazione dove il
ghiaccio fonde.
Come descritto da Barry and Yew Gan (2011) nei bacini di accumulo inizia il processo
metamorfico della neve che la porta da una densità di 60
Kg
m
3 a densità di 910
Kg
m
3 . Termodinamicamente parlando la neve è un materiale altamente instabile, per
cui una volta depositatasi a terra, inizia subito a cambiare struttura cristallina e con
essa cambiano anche le sue proprietà. Sotto il loro stesso peso i cristalli di neve si
compattano, diminuendo la porosità del 40% e formando il firn : un particolare stadio
metamorfico della neve che presenta una forma granulare e una densità che varia tra i
3

400 e i 650
Kg
m
3 . Grazie al processo di sinterizzazione attraverso cui i bordi dei
singoli fiocchi di neve si uniscono tra loro grazie alla diffusione di molecole d'acqua il
firn aumenta la propria densità raggiungendo valori di ≈ 830
Kg
m
3 . Dopo vari cicli di
gelo e di disgelo (tra i 150 e 300 anni) e grazie all'azione meccanica prodotta dagli
strati di neve superiori il firn,compattandosi ulteriormente, diventa ghiaccio (917
Kg
m
3 ) andando così ad alimentare il corpo glaciale.
1.3 BILANCIO DI MASSA
La nascita, la sopravvivenza e l'estinzione di un ghiacciaio derivano dal bilancio tra gli
accumuli di neve e la fusione dei ghiacci (ablazione). Come descritto da Smiraglia
(1992) per determinare questo bilancio si procede attraverso misure dirette sul
ghiacciaio effettuate in punti fissi che servono a misurare gli accumuli di neve. Il
periodo preso in considerazione è solitamente l'anno idrologico (1 ottobre - 30
settembre). Alla fine della primavera si effettua la prima misurazione atta ad stabilire
l'apporto nevoso invernale . Ciò si può ottenere sia con carotaggi sia misurando
l'innalzamento della superficie in corrispondenza di aste metalliche infisse alla fine
dell'estate precedente. Bisogna poi misurare la densità della neve scavando delle
trincee annotando gli spessori di neve registrati. Mentre l'abbassamento registrato a
fine estate fornirà l'ablazione del ghiacciaio durante il periodo estivo.
L'estrema laboriosità delle misurazioni dirette ha portato gli scienziati ad adottare
nuove tecniche indirette.
La rilevazione da remoto di ghiacciai tramite fotografie aeree verticali e oblique iniziò
con la campagna fotografica di tutte le terre Artiche Canadesi a cavallo tra il 1940 e il
1950 (Barry and Yew Gan (2011)).
Un nuovo spunto in tale direzione si ebbe poi con le missioni NASA quali Landsat e
ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection ). Queste costellazioni
di satelliti, avendo sensori in grado di captare da remoto l'estensione, la topografia, lo
spessore, il volume e la velocità di scorrimento diventarono il principale strumento
d'indagine per lo studio della criosfera.
La mappatura dei ghiacciai attraverso software GIS può seguire tre approcci diversi
(Barry and Yew Gan (2011)) :
 delineatura manuale dei confini
 segmentazione di immagini dimensionate
 unsupervised e supervised classification
4

Durante la nostra analisi abbiamo studiato la sola estensione del corpo glaciale della
tramite delineatura manuale dei confini e classificazione supervised di
ortofoto, senza prendere in considerazione i bilanci di massa.
1.4 I GHIACCIAI DELLA MARMOLADA
Figura 2 - Visione dei ghiacciai del Trentino orientale. Foto presa da “Il nuovo Catasto dei
ghiacciai italiani”
L'apparato glaciale della Marmolada è composto da quattro ghiacciai distinti:
Nome Codi
ce
Codice
WGI
Coordina
te
Raggruppamen
to montuoso
Bacino
idrogra
fico
Tipolo
gia
Marmola
da
941 IT4L00101
101
46°26’19’’
N
11°52’04’’
E
DOLOMITI -
Dolomiti
Nordoccidentali -
Dolomiti di Fassa
Marmolada
ADIGE -
Avisio Montan
o
Marmola
da
Centrale
941.
1
/ 46° 26’
28’’ N 11°
50’ 59’’ E
DOLOMITI -
Dolomiti
Nordoccidentali -
Dolomiti di Fassa
Marmolada
ADIGE -
Avisio
Montan
o
Punta
Penia
941.
2
/ 46° 26’
12’’ N 11°
50’ 52’’ E
DOLOMITI -
Dolomiti
Nordoccidentali -
Dolomiti di Fassa
Marmolada
ADIGE -
Avisio
Montan
o
Marmola
da Ovest
942 IT4L00101
102
46° 26’
24’’ N 11°
50’ 31’’ E
DOLOMITI -
Dolomiti
Nordoccidentali -
Dolomiti di Fassa
ADIGE -
Avisio
Montan
o
5

Marmolada
Tabella 1
Nel nostro studio considereremo tutti e quattro i corpi glaciali, i dati di estensione
saranno intesi quindi come somma dei singoli ghiacciai.
2.0 STUDIO DELLE ORTOFOTO
L’utilizzo di GIS GRASS 7.00 avviene dopo aver creato i seguenti ambienti di lavoro :
 Database: directory in cui viene archiviato tutto il lavoro e si trovano le
location: in questo caso è esame gis;
 Location: directory principale di lavoro al cui interno si trovano mappe aventi
sistema di
riferimento e proiezione uguale: nel caso in oggetto si chiama new Location.
 Mapset: sotto-directory delle location.
2.1 ORTOFOTO 2006
Importato il file dell’ortofoto ( .tif ) tramite il comando r.in.gdal in una Location
caratterizzata da:
 sistema di riferimento WGS84/UTM 32N
 3 bande
 risoluzione 72 dpi
per poterlo visualizzare a schermo è stato poi necessario utilizzare il comando
d.rgb, unendo così le bande red, green e blue del raster si visualizza l'ortofoto.
6

Figura 3 - Marmolada 2006
Vista l’estensione dell'immagine si è ritenuto opportuno selezionare la nostra area di
interesse da display con l’ uso del cursore e poi impostarla come area di lavoro con
g.region
Attraverso la modalità “digitize” si sono individuate le aree campione, necessarie per
poter eseguire la classificazione, associando ad ogni area una relativa categoria.
Figura 4 - Training map 2006
Impostato attraverso il comando i.group il gruppo ed il sottogruppo abbiamo
realizzato la classificazione con due diverse metodologie:
 classificazione supervisionata non contestuale
 classificazione supervisionata contestuale.
7

2.1.1 CLASSIFICAZIONE NON CONTESTUALE
La classificazione non contestuale è stata ottenuta per mezzo di i.maxlik, dopo aver
generato le firme spettrali dalla mappa raster con i.gensig.
Figura 5 - Classificazione con i.gensig 2006
In seguito filtrando il risultato tramite r.neighbors si è eseguita una moda di cinque
pixel.
Figura 6 - Raster ottenuto r.neighbors 2006
8

Effettuando un riclassificazione (r.reclass) siamo stati in grado di raggruppare le
nostre classi in due categorie: ghiacciaio e non ghiacciaio (fig 8).
Figura 7 - Stringa di codice r.reclass 2006
Figura 8 - r.reclass 2006
2.1.2 CLASSIFICAZIONE CONTESTUALE
Ottenuto questo risultato si è eseguita la classificazione contestuale che, a differenza
della non contestuale, effettua la classificazione di un pixel non solo in base ai suoi
valori, ma anche in funzione dei valori dei pixel circostanti.
Essa è stata realizzata tramite il comando i.smap, generando le firme spettrali con
i.gensigset riutilizzando la Training map utilizzata precedentemente.
9

Figura 9 - Classificazione contestuale con i.gensigset 2006
Anche in questo caso il risultato è stato filtrato sempre impostando una moda di
cinque pixel
Figura 10 - Classificazione dopo r.neighbors 2006
e riclassificando il raster riducendo il numero di classi a due: ghiacciaio e non
ghiacciaio.
10

Figura 11 - Classificazione contestuale r.reclass 2006
Confrontando i risultati delle due diverse classificazioni, si è deciso di proseguire la
nostra indagine utilizzando quelli ottenuti con la classificazione supervisionata
contestuale in quanto più precisi ed accurati.
Per rendere più precisi i dati la regione è stata ristretta e si è deciso di importare i fogli
DTM 000094 e 000095 scaricati dal portale geocartografico del Trentino con
risoluzione 1x1 m per poter distinguere, in base all’altitudine, il corpo glaciale dalla
roccia.
Dal sito del comitato Glaciologico del SAT si è appreso che nel 1994 il ghiacciaio era
compreso fra i 2550 m e i 3290 m quindi dopo diversi tentativi con il comando
r.mapcalc variando le quote tra i 2550 e 2630 abbiamo ripulito il più possibile la
mappa raster.
11

Figura 12 - Fogli DTM 2006
Uniti i fogli DTM con il comando r.patch e inserendo nel comando r.mapcalc la
stringa
r.mapcalc expr="ghiacciaio__2630=if(classificazione.reclass==2&&dtm>2630,2,1)"
abbiamo imposto la verifica di due condizioni :
 classificazione.reclass = ghiaccio
 quota del DTM maggiore di 2630 metri
Se una o entrambe le condizioni risultassero false il comando effettua una
riclassificazione impostando roccia al posto del ghiaccio.
Figura 13 -Risultato ottenuto dopo le iterazioni di r.mapcalc 2006
12

Grazie all'uso dei DTM è stato possibile, dopo diversi tentativi, eliminare tutte le aree
rosse (fig 13) ottenendo una superficie che rispecchia maggiormente l'areale effettivo
del ghiacciaio.
Per verificare la bontà della nostra classificazione abbiamo utilizzato il comando
r.kappa, digitalizzando due aree per il confronto prese in questa maniera.
Figura 14 - Aree campione per il comando r.kappa 2006
E ottenendo questo risultato :
13

Figura 15 - r. kappa 2006
Con un valore di Kappa superiore all' 80 % possiamo affermare che il risultato ottenuto
è preciso.
Attraverso il comando r.null abbiamo ottenuto il raster unicamente della zona coperta
da ghiaccio.
14

Figura 16 - Raster r.null 2006
Per rifinire ulteriormente il nostro raster, eliminando i buchi presenti dovuti ad una
classificazione non perfetta abbiamo utilizzato il comando r.reclass.area, impostando
come mode = lesser, come valore 0.3 ha e come method = rmarea, è stato possibile
eliminare tutte le aree con un'area inferiore a 0.3 ettari.
Figura 17 - r.reclass.area 2006
15

A questo punto abbiamo lanciando il comando r.report è stato possibile ottenere i
dati relativi all’estensione del ghiacciaio nel 2006.
Figura 18 - r.report 2006
Il risultato di 1.78 Km
2
è in linea con i dati ricavati elaborando il vettoriale dei
ghiacciai della Marmolada scaricato dal Geocatalogo della provincia di Trento relativo
al settembre 2003 con le seguenti caratteristiche:
 sistema di riferimento WGS84/UTM 32N
 risoluzione 2 metri
Figura 19 - Vettoriale del 2003
16

Dopo aver trasformato il vettoriale in raster con il comando v.to.rast e lanciando poi
r.report è stato possibile ottenere il seguente report.
Figura 20 - r.report del 2003
In questo caso il report ci ha fornito la superficie dei singoli ghiacciai: Marmolada,
Marmolada Centrale, Marmolada Ovest e Punta Penia per un totale di 1.88 Km
2
.
17

2.2 ORTOFOTO 1973
Importata e visualizzata a schermo aventi le seguenti caratteristiche :
 sistema di riferimento Roma40/Gauss-Boaga
 1 banda
con uguale procedura rispetto alla precedente si è impostata e definita la nostra area
di indagine.
Figura 21 - Marmolada 1973
Passando alla modalità “digitize” ricavando le nostre aree campione:
Figura 22 - Training map 1973
18

Impostati tramite il comando i.group i gruppi e sottogruppi in modo da poter iniziare
la nostra classificazione supervisionata contestuale. Tramite i.gensigset si sono
create le firme spettrali che inserite come input in i.smap hanno generato il seguente
raster:
Figura 23 - Classificazione i.gensigset 1973
Questa classificazione è risultata alquanto imprecisa poiché la qualità dell'ortofoto ha
creato al sistema alcuni problemi per quanto riguarda il riconoscimento delle scale dei
grigi. Dopo aver provato a modificare più volte la Training map si è proceduto tramite
una delineatura manuale.
Tramite la modalità digitize abbiamo così selezionato manualmente l’area d’interesse,
ottenendone il vettoriale.
19

Figura 24 - Vettoriale contornato a mano 1973
Usando il comando v.to.rast è stato convertito il vettoriale ottenuto in raster.
Infine, per sapere l’ampiezza del ghiacciaio è stato utilizzato il comando r.report sulla
mappa raster per avere la grandezza effettiva dell’area analizzata, che risulta essere
di 2.69 Km
2
.
Figura 25 - r.report 1973
20

Anche in questo caso il risultato di 2.69 Km
2
è compatibile con i dati citati da
Bachmann (1978) relativi all’annata del 1966, quando il ghiacciaio ricopriva un’area di
2.89 Km
2
.
2.3 ORTOFOTO 2000
Importata e visualizzata l’ortofoto in una nuova Location avente le seguenti
caratteristiche:
 sistema di riferimento Roma40/Gauss-Boaga
 3 bande
ne abbiamo definito l’area di interesse con la stessa procedura utilizzata nelle
precedenti analisi.
Selezionate diverse aree campione per procedere con la nostra classificazione, sono
state suddivise in sei categorie.
Figura 26 - Trainingmap 2000
21

Classificata la nostra ortofoto abbiamo ottenuto questo risultato:
Figura 27- Classificazione contestuale 2000
Con r.reclass e successivamente con r.neighbors è stata divisa la nostra
classificazione in ghiacciaio-roccia ed è stato uniformato il nostro raster con una moda
a cinque.
Figura 28 - Riclassificazione r.reclass con moda a cinque 2000
Prima di eliminare con r.null tutto ciò che non è ghiaccio è stato calcolato il
coefficiente kappa :
22

Figura 29 - Aree campione per r.kappa 2000
Figura 30 - Coefficiente kappa 2000
Ottenuto un risultato per kappa estremamente alto, considerate come valide le
percentuali superiori a 0.75, abbiamo proseguito cancellando tutte le zone rocciose
23

con r.null e con r.reclass.area abbiamo eliminato tutte le aree più piccole di 5 ettari
e unito tutte le parti mancanti più piccole di 0.2 ettari.
Figura 31 - Raster finale ghiacciaio 2000
Considerando che la classificazione ha prodotto un errore evidente nella zona centrale
è stata rieseguita la procedura variando la Training map iniziale e ottenendo una
nuova mappa, anch’essa però soggetta a errori in zone differenti. Si è quindi
proceduto eseguendo una media dei valori delle superfici ghiacciate nelle due
classificazioni.
Figura 32 - Seconda classificazione anno 2000
24

Figura 33 - Report prima classificazione 2000
Figura 34 - Report seconda classificazione 2000
La media tra le due misurazioni eseguite ci porge il valore di 1.97 Km
2
. La
campagna effettuata dall'ARPAV usando strumenti GIS nel 1999 ha fornito loro un
valore di 2.225 Km
2
.
25

Confrontando i valori attenuti dal vettoriale risalente al 2003 scaricato dal
Geocatalogo del Trentino (1.88 Km
2
) con la misurazione effettuata da ARPAV nel
2004 (2.147 Km
2
) si scopre una certa incertezza nelle misurazioni effettuate tra il
Veneto ed il Trentino.
2.4 SOVRAPPOSIZIONE VETTORIALI
Ottenuti e convertiti in forma vettoriale i raster di ogni singola ortofoto abbiamo
importato i vettoriali del 1973 e del 2000 sovrapponendoli all'ortofoto del 2006. Per
fare ciò abbiamo utilizzato il comando v.proj, che ha importato e ha cambiato il
sistema di riferimento e le proiezioni delle aree da Roma40 Gauss-Boaga a
WGS84/UTM zone 32N, ottenendo il seguente risultato:
26

Figura 35 - Ablazione del ghiacciaio della Marmolada dal '73 al 2006
Le immagini sono state sovrapposte in ordine cronologico, quindi in marrone abbiamo
la superficie del ghiacciaio nel 1973, in rosso il ghiacciaio nel 2000, il blu rappresenta il
2003 ed infine il giallo il 2006.
Come si può notare dalla sovrapposizione la Marmolada si è ritirata considerevolmente
negli anni, subendo un accelerazione tra il 2000 e il 2003 quando la fronte è arrivata a
perdere quasi 500 m.
3.0 CONCLUSIONI
L'efficacia riscontrata nella classificazione di un ghiacciaio con GRASS 7.0.0 deriva
dalla qualità delle ortofoto a disposizione: con l'ortofoto del 2000 la classificazione ha
dato subito un esito positivo non necessitando quindi di un lavoro di rifinizione troppo
laborioso. Con la classificazione del 2006 invece i contorni del ghiacciaio sono apparsi
fin da subito ben definiti e chiari, però nei tratti ombreggiati e lungo le zone moreniche
27

ad Ovest del Marmolada Ovest il programma ha erroneamente scambiato la roccia con
il ghiaccio, errore probabilmente dovuto al riverbero presente al momento dello scatto,
imponendoci una riclassificazione in base all'altitudine. Mentre nel caso del 1973 la
classificazione contestuale genera degli output soggetti a forti imprecisioni che quindi
di fatto rendono inutile l'utilizzo di GRASS 7.0.0.
Per metodi e strumenti GIS più efficaci si rimanda a The Global Cryosphere.
Grazie all'elaborazione delle ortofoto con GRASS 7.00 siamo riusciti a ricavare i
seguenti dati di estensione.
ANNO
SUPERFICIE [ Km
2
]
1973 2.69
2000 1.97
2003 1.88
2006 1.78
Tabella 2
Inserendo anche i dati trovati in letteratura
ANNO
SUPERFICIE [ Km
2
]
RIFERIMENTI
1910 4.20 Marinelli (1910)*
1961 3.64 Comitato Glaciologico
Italiano (1959-1962)*
1966 2.89 Bachmann (1978)
1981 3.13 World Galcieres Invetory
(1980-1982)*
1999 2.255 ARPAV (1999)
2004 2.147 ARPAV (2004)
2011 1.49 Il nuovo catasto dei
Ghiacciai Italiani (2015)
Tabella 3
*Dati ottenuti dall'ARPAV
si è ottenuto il seguente grafico regredendo linearmente i dati tramite il programma
TI-Nspire CX CAS Student Software.
28

Figura 36 - Regressione lineare dei dati
Supponendo l'andamento del ghiacciaio come lineare possiamo affermare che entro il
2050 il ghiacciaio perderà il 50% della superficie attuale, e se i fattori climatici
rimarranno costanti, entro il 2080 assisteremo alla completa scomparsa dei ghiacciai
della Marmolada.
29

4.0 FONTI
4.1 BIBLIOGRAFIA
 "Guida ai ghiacciai e alla glaciologia, forme, fluttuazioni, ambienti", Claudio
Smiraglia, Zanichelli 1992
 "Ghiacciai delle Alpi", Robert C. Bachmann, Zanichelli 1978
 " The Global Cryosphere Past, Present, Future", Roger Barry and Thian Yew
Gan, Cambridge 2011
 "Snow and Glacier Hydrology", Pratap Singh and Vijay P. Singh, Water Science
and Technology Library 2001
 " The Global Cryosphere Past, Present, Future", Roger Barry and Thian Yew
Gan, Cambridge 2011
4.2 SITOGRAFIA
 "Il nuovo catasto dei Ghiacciai Italiani", http://users.unimi.it/glaciol/catasto.html
in data 11/11/2015
 "Comitato Glaciologico Trentino SAT", http://www.sat.tn.it/sns/17/ghiacciai.htm
in data 5/10/2015
 “Portale Geocartografico Trentino”,
http://www.territorio.provincia.tn.it/portal/server.pt/community/lidar/847/lidar/23
954 in data 28/9/2015
 "ARPAV",
http://www.arpa.veneto.it/arpavinforma/indicatori-ambientali/indicatori-
ambientali-del-veneto/clima-e-rischi-naturali/clima/copy_of_estensione-areale-
dei-ghiacciai/view in data 28/12/2015
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