Analisi di uno studio del ghiacciaio del belvedere attraverso tecnica fotogrammetrica

Università telematica "e-Campus" - Facoltà di ingegneria civile

Corso di laurea in ingegneria civile (LM-23)

Analisi di uno studio del Ghiacciaio del Belvedere attraverso tecnica fotogrammetrica

Relatore: Alessandra Borghi
Tesi di laurea di: Manuel Carotenuto
Matricola numero: 001267467
Anno accademico: 2021/2022

Autorizzazione alla consultazione della tesi di laurea

Il/la sottoscritto Manuel Carotenuto N° di matricola 001267467 nato a Pompei, autore della tesi dal titolo Analisi di uno studio del Ghiacciaio del Belvedere attraverso tecnica fotogrammetrica, autorizza o non autorizza la consultazione della tesi stessa, fatto divieto di riprodurre, parzialmente o integralmente, il contenuto.

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Data 16/04/2023
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Indice

• Introduzione ........................................................................................................................ 2
• Capitolo I .......................................................................................................................... 5
• Capitolo II ........................................................................................................................ 14
  • Aerofotogrammetria da aereo e da drone ............................................................... 14
  • 2.1 Introduzione ..................................................................................................... 14
  • 2.2 Aerofotogrammetria aerea .............................................................................. 16
  • 2.2.1 Acquisizione ................................................................................................ 16
  • 2.2.2 L’orientamento ............................................................................................ 20
  • 2.2.3 La restituzione ............................................................................................. 23
  • 2.3 Metodica SfM Structure From Motion ........................................................... 23
  • 2.4 Aerofotogrammetria da droni UAV Unmanned Aerial Vehicle ...................... 26
  • 2.4.1 Principi di funzionamento di un drone ........................................................ 30
  • 2.4.2 Vantaggi nelle acquisizioni con metodiche UAV ......................................... 32
• Capitolo III ........................................................................................................................ 35
  • 3.1 Monitoraggio dei ghiacciai alpini e perialpini della Svizzera ......................... 36
  • 3.2 Monitoraggio del ghiacciaio No1 delle Qilian Mountains .............................. 39
• Conclusione ......................................................................................................................... 43
• Bibliografia ......................................................................................................................... 45
• Sitografia ............................................................................................................................. 46

Introduzione

I cambiamenti climatici, negli ultimi decenni, sono oggetto di discussioni sempre più frequenti non più solo nell’ambito della comunità scientifica ma anche nel campo della politica, in quanto i fenomeni legati ad essi e di conseguenza le criticità e i problemi causati coinvolgono anche la popolazione con fenomeni che impattano sul vivere quotidiano.

L’uomo, infatti, ha sempre percepito il cambiamento climatico in corso, ma solamente nella seconda metà del XIX secolo sono iniziate le prime rilevazioni di dati strumentali, attendibili e sufficientemente rappresentativi, e ciò ha permesso di evidenziare che negli ultimi trent'anni è in atto una fase di innalzamento della temperatura media annua globale apparentemente più acuta, che avrebbe portato, nel decennio 1995-2004, al succedersi dei 9 anni (su dieci) più caldi dal 1861 (WMO, Press release n. 718, 15/12/2004).

Questi dati suscitano interesse ed allarme, poiché ci si chiede se si tratti di una fluttuazione climatica transitoria, nell’ambito della variabilità naturale o come una fetta della comunità scientifica ritiene, sia invece in atto un cambiamento climatico più rilevante, al quale concorrono le alterazioni prodotte dalle attività umane nel sistema climatico.

Solo nell’anno 2022 si è potuto evidenziare un’estremizzazione di situazioni climatiche e meteorologiche che ha interessato l’Italia, ma anche gran parte dell’Europa, che ha messo in sofferenza intere comunità. La nostra nazione, e come detto precedentemente anche il nostro continente, è stato interessato da una serie di fenomeni estremi, con un aumento anomalo delle temperature, con valori estivi già nel mese di aprile, sopraggiunti con un netto anticipo rispetto alla classica estate astronomica, causando una siccità senza precedenti e protraendosi fino ad ottobre inoltrato con conseguenze devastanti per la salute pubblica e per l’agricoltura.

A questi fenomeni siccitosi sono seguite piogge con carattere devastante che hanno causato fenomeni alluvionali e frane di pericolosità elevata che hanno interessato varie regioni d’Italia. In figura 1, infatti, è possibile vedere come gli eventi di caldo siano diventati sempre più estremi e quindi anche i periodi di intensa siccità; è mostrato l’indice mensile di SPI - Standard Precipitation Index – nel periodo dall’anno 2000 fino ai primi sei mesi del 2023. L'indice SPI è uno dei marcatori maggiormente utilizzati a livello internazionale per il monitoraggio della siccità. La situazione siccitosa per il 2022 deriva dal fatto che i mesi di febbraio, marzo, aprile e maggio sono stati i più siccitosi dal 2000 e seguono 11 mesi in cui le precipitazioni sono state nettamente inferiori a quelle attese.

Figura 1 - Grafico dell’andamento mensile dell'indice SPI (a 3 mesi) dal 2000 in Italia. Elaborazione e grafica di L. Arcidiaco – ricercatore CNR su set di dati ERA5 generato dal servizio Copernicus sui cambiamenti climatici FONTE INGVAMBIENTE PAGINA SOCIAL

Una situazione così anomala e severa di caldo e siccità ha causato pesanti ripercussioni sui ghiacciai italiani che hanno visto una riduzione della superficie perenne provocando impatti su più fattori. Se la scomparsa dei ghiacciai dovesse essere costante nel tempo, essa avrà esiti diversi e di sicuro effetto: ad iniziare dall’idroelettrico (una delle fonti energetiche più importanti in Italia); impatti estetici e paesaggistici sulle nostre montagne, impatti sul turismo e sulla frequentazione, impatti sulla biodiversità e sulla geodiversità e sui sistemi ecologici.

Lo scorso tre luglio, infatti, è avvenuta una calamità che ha colpito uno dei più importanti ghiacciai italiani, la Marmolada, dove una massa di ghiaccio di 26 mila metri quadri si è staccata causando la morte di 11 persone; nello specifico “la presenza di molta acqua liquida (dovuta alle temperature superiori alla norma per il periodo ed ai mesi particolarmente aridi del primo semestre) sul ghiacciaio ha fatto staccare, ha spinto e poi ha fatto scivolare a valle una estesa porzione di ghiaccio, pari quasi un terzo di una placca” - fonte: Istituto di Scienze Polari del CNR.

I ghiacciai alpini, quindi, soffrono fortemente le conseguenze dei cambiamenti climatici e dell’aumento della temperatura media; infatti, molti di essi si estendono su zone di altitudine tra i 2000 e 4800 m con climi generalmente caldo-umidi. Si è notato, nell’ultimo secolo, che queste due condizioni hanno fatto sì che la temperatura media del luogo aumentasse due volte più velocemente che in altre zone della superficie terrestre. Se questo andamento dovesse mantenersi costante gran parte di essi perderebbero più della metà del loro volume e della massa entro il 2050.

Gli studi per valutare lo stato di salute dei ghiacciai infatti sono condotti da misure e analisi condotte in sito ma a supporto ci sono anche i rilievi aerofotogrammetrici, che attraverso differenti tecniche hanno permesso di costruire modelli 3D con dettagli sempre più accurati. Nell’ultimo ventennio, infatti, si è potuto constatare come la qualità delle immagini sia nettamente migliorata, grazie alla fotogrammetria digitale sempre più precisa e combinata allo sviluppo di sensori GNSS-INS di alta qualità. Questo fornisce immagini sempre più dettagliate raggiungendo anche punti di particolare complessità orografica, con l’uso di pochi punti di controllo (GPC).

Col passare del tempo a questa metodologia operativa si sono aggiunte delle tecniche sempre meno dispendiose ma non meno accurate che permettono di operare su larga scala senza perdere alcun dettaglio, come le tecniche UAVs (Unmanned Aerial Vehicles - veicolo aereo senza equipaggio) in termine semplicistico drone e tecniche di SfM (Structure from Motion) ovvero algoritmi che permettono di ricostruire strutture 3D utilizzando immagini 2D raccolte anche muovendo la camera durante le riprese.

Queste varie e differenti tecniche di approccio possono essere utilizzate in maniera simultanea tra di loro permettendo di avere una situazione dettagliata dell’evoluzione dei ghiacciai, queste poi vengono integrate anche con la cartografia ufficiale e permettono la ricostruzione di come si siano trasformati nel tempo fornendo i valori di estensione e di massa.

Capitolo I

In questo lavoro di tesi ho studiato l'articolo scientifico degli autori Carlo Iapige De Gaetani, Francesco Ioli e Livio Pinto, intitolato "Aerial and UAV Images for Photogrammetric Analysis of Belvedere Glacier Evolution in the Period 1977–2019" e pubblicato nella rivista Remote Sensing nel 2021 (https://doi.org/10.3390/rs1318377). I ricercatori del Politecnico di Milano hanno misurato e studiato l'evoluzione del ghiacciaio nel periodo 1977-2019.

Oggetto di studio, in cui si sono integrate le varie tecniche, è il Ghiacciaio del Belvedere, situato alle base est del Monte Rosa, zona Nord Ovest della catena Alpina, nella regione Piemonte. Questo ghiacciaio ha origine a circa 4400–4500 m s.l.m., e spinge il suo fronte fino a circa 1800 m, esso è particolarmente interessante perché è scuro ed è completamente coperto di rocce e detriti ed è alimentato dalle nevi e dal ghiaccio del Monte Rosa, a quota nettamente superiore ai 4500.

Un fenomeno particolarmente interessante che ha interessato il ghiacciaio è stato il non ritiro del fronte del ghiaccio rispetto a tutti gli altri ghiacciai della catena alpina, anzi dal Monte Rosa si estende e propaga un’onda cinematica di ghiaccio che alimenta il Ghiacciaio del Belvedere.

Sul ghiacciaio del Belvedere sono state condotte 5 campagne di misura nel periodo 1977 -2019, nello specifico nel 1977, 1991, 2001, 2009, 2019. In questo periodo di tempo le tecniche di rilevamento topografico sono cambiate divenendo sempre più dettagliate e precise integrando altresì le nuove metodologie di rilievo come la fotogrammetria digitale e le riprese da UAV. Si sono potuti così evidenziare i cambiamenti orografici e morfologici e le variazioni di massa e volume del ghiacciaio, perché le metodologie di ripresa sono diventate sempre più accurate.

Le prime tre campagne sono state eseguite rispettivamente in Settembre 1977, Agosto 1991 e Settembre 2001 per cartografare la regione. Il rilevamento è stato condotto dalla Compagnia Generale delle Riprese attraverso una fotocamera analogica montata su un aeroplano, le immagini acquisite sono state poi organizzate dal Sitad per l’aggiornamento del GeoPortale della Regione Piemonte. Queste immagini sono state poi successivamente masterizzate con scanner di risoluzione 21 µm/px per poter essere confrontate con le successive due campagne, ovvero quelle di Ottobre 2009 e di Luglio 2019. Queste due campagne sono state condotte con camere digitali, le acquisizioni più recenti sono state condotte utilizzando la metodica UAV.

La prima campagna di acquisizione è stata condotta con fotocamera analogica, di lunghezza focale di 153.26 mm e durante il volo, a circa 5600 m sono state acquisite 3 strisce di immagini con sovrapposizione longitudinale del 60% e variabile dal 30% al 60% per le sovrapposizioni trasversali. Sono state acquisite quindi 11 immagini RGB e considerati l’altezza di volo e la quota del ghiacciaio le immagini sono restituite in scala 1:23.000. Per la restituzione si sono utilizzati 4 punti fiduciali nei quattro angoli della fotografia.

Per quanto riguarda le acquisizioni del 1991 anche esse sono state condotte con una camera analogica di lunghezza focale di 152.820 mm. Durante il volo sono state acquisite solo due strisce condotte il primo giorno a 8200 m e il secondo giorno a quota 8500 m dove la sovrapposizione longitudinale è tra il 70% e l’80% mentre per quelle trasversali su circa il 50%. Le immagini restituite si sono basati su 4 punti fiduciali e hanno una scala 1:42.000.

Le acquisizioni del 2001, invece, sono le più recenti effettuate con camera analogica con lunghezza focale di 153.928 mm. La quota di acquisizione si è svolta tra un’altitudine di 6100 m fino a 4800 m, con un volo medio di 5600 m. Sono state così elaborate 10 immagini RGB anche esse in scala 1:23.000. Il volo ha acquisito 3 strisce con sovrapposizione longitudinale circa -70% e trasversale del 50%. In questa campagna sono stati usati 8 punti fiduciali.

Per poter confrontare queste tre campagne con quelle più recenti acquisite con metodiche differenti, è stato necessario scansionare le immagini attraverso uno scanner fotogrammetrico, con una accuratezza geometrica delle immagini fino a 2 µm. Le immagini quindi hanno una risoluzione di 21 µm/px, prodotte da immagini TIF ad otto bit di dimensioni 12.098 x 11.144 px.

Successivamente le campagne sono state condotte con metodi di acquisizione digitali. La modalità di acquisizione dell’Ottobre 2009 ha adoperato delle camere digitali con lunghezza focale pari a 120 mm montate su un aeroplano che volava ad una quota media tra 5600 e 6000 m. Le 11 immagini prodotte sono state ottenute da due strisce con sovrapposizione longitudinale e trasversale tra il 50% e il 70%. La scala prodotta è di 1:32.000.

L’ultimo anno di acquisizione risale al 2019 tramite rilievo da UAV, con camera digitale con lunghezza focale pari a 3.8 mm, il volo è stato condotto a quota 120 m dal suolo. Le immagini hanno una sovrapposizione longitudinale e trasversale variabile dal 80% al 60%, anche in questo caso la scala è di 1:32.000. La tecnica UAV ha avuto delle limitazioni per il sorvolo, concentrandosi solo sul corpo del ghiacciaio. Per georeferenziare poi questa campagna di indagine sono stati usati dei blocchi di propilene di misura 50x50 cm con colori ad alto contrasto e ancorati sia alle morene che al ghiacciaio. Sono stati così creati 36 punti di controllo (o targets) di cui 26 usati come GCP - punti di controllo a terra - e 10 punti CP - punti di controllo. I bersagli sono stati misurati sul campo con un Ricevitore GNSS Leica GS14 di qualità geodetica a doppia frequenza (L1/L2).

Poiché nella parte superiore del ghiacciaio non era possibile una connessione GSM, ma essa era disponibile solo nella parte inferiore si è ovviato ad una differente acquisizione; nello specifico nella parte inferiore è stata misurata in NRTK con frequenza di 1Hz per 10s mentre per la parte superiore è stata misurata tramite posizionamento statico. Questi punti sono stati poi elaborati in modalità post-processing rispetto ad una stazione master locale situata in un target vicino al rifugio Zamboni-Zappa a 2070 m.

Le coordinate della stazione master sono state ripetutamente misurate in anni diversi con misurazioni sia statiche che NRTK, la precisione ottenuta è dell'ordine di 0,5 cm in planimetria e 2 cm in altezza. Tutte queste misurazioni sono state poi rielaborate tramite un software e i risultati ottenuti per i GCP hanno fornito una accuratezza di 1,5 cm in planimetria e 3 cm in altezza.

Per l’indagine condotta nel 2019 con il rilievo da UAV, le 1486 immagini sono state orientate tramite la triangolazione aerea tradizionale usando i 26 GCP in Bundle Block Adjustment, BBA, tutti i GCP sono stati collimati manualmente ottenendo così una precisione di 1 px. Sono stati poi individuati successivamente dei punti di legame Tide Points (TP) e individuati automaticamente sull’immagine ad alta risoluzione. I parametri di orientamento interno della fotocamera (IO) erano stimati durante il BBA mediante auto calibrazione, questi parametri iniziali, però, erano da ricalibrare per ogni volo a causa dell’instabilità interna della fotocamera.

Per la campagna di misura del 2009 invece si è usata una camera digitale ad orientamento esterno (EO) con accuratezza del centro di 30 cm, invece gli angoli di assetto della fotocamera avevano una precisione di 8 mgon per angoli di rollio e beccheggio e 10 mgon per imbardata. Le immagini poi sono state successivamente georeferenziate usando i punti di controllo della campagna 2019 attraverso 11 GPC usati nella campagna 2019.

Anche le tre campagne...