Analisi Digitale del Terreno (DTA)

Il termine Analisi Digitale del Terreno o brevemente DTA, dall'inglese Digital Terrain Analisys, sinonimo anche di Analisi Geomorfologica e di analisi della superficie del terreno, è un insieme di tecniche utili a descrivere quantitativamente la morfologia del terreno. Sono le variazioni locali dell'elevazione del terreno che ne descrivono la forma della superficie. Queste relazioni vengono quantificate tramite le derivate prima e seconda della superficie z = f (x, y). Ad es. la pendenza massima del terreno e l'esposizione (azimut della linea di massima pendenza) si basano sul calcolo della derivata prima dell'elevazione; la curvatura della superfcie sul calcolo della derivata seconda. Questi calcoli implicano, per ogni cella, una derivazione in ciascuna delle direzioni verso le 8 celle limitrofe.
I parametri così derivati sono chiamati parametri morfometrici del terreno o semplicemente parametri del terreno.
Con tecniche di analisi ad hoc e calcoli ulteriori è possibile derivare dal DTM anche parametri del terreno complessi, come ad esempio la superficie (ed il contorno) del bacino idrografico sotteso da ogni cella, l'energia solare potenzialmente captabile dalla superfcie di ogni cella in un preciso istante del giorno o in un certo intervallo di giorni, svolgere ad esempio un'analisi ipsometrica del bacino idrografico, classificare tutta la superficie in base ai sei tipi morfometrici: vette, conche, passi, creste, valli e pianure.

La variazione locale della morfologia del terreno influenza profondamente la biosfera, microclima, ciclo idrologico e in generale nella distribuzione delle attività umane sul pianeta. Il termine Analisi Digitale del Terreno è spesso utilizzato con accezione più generale per indicare non solamente i metodi di derivazione dei parametri morfometrici, ma anche le loro applicazioni; queste sono così numerose che sarebbe molto dispendioso descriverle nei dettagli. Basti pensare che le applicazioni più comuni che si avvalgono di Modelli Digitali del Terreno spaziano dalla geomorfologia, all'idrologia, alla microclimatologia, etc. L'Analisi Digitale del Terreno è anche impiegata per prevedere i processi di erosione/deposizione, migliorare l'accuratezza di carte della vegetazione, fornire basi più obiettive per la produzione di mappe pedologiche.
L'ambiente di lavoro ideale per l'applicazione di tecniche di analisi del terreno avanzate è senza dubbio l'ambiente GIS. Infatti fin dagli anni Novanta molti pacchetti software GIS includono strumenti per svolgere DTA.

La qualità di un Modello Digitale del Terreno

La qualità di un DEM con formato GRID è una misura dell'accuratezza dell'elevazione (riferita ad una superficie di riferimento, quale ad es. geoide terrestre, l'ellissoide WGS84, etc) di ogni cella; è anche una misura dell'accuratezza dell'altezza di una cella rispetto alle celle limitrofe, cioè dell'accuratezza con la quale vengono rappresentate le forme. Nel primo caso si parla di accuratezza (della topografia) assoluta, nel secondo di accuratezza (della topografia) relativa di un DEM.

Va da sè che anzitutto è l'origine delle elevazioni misurate che fa la qualità di DTM. Indipendentemente dal metodo impiegato per misurare le elevazioni, è una condizione fondamentale avere a disposizione una distribuzione spaziale di punti quotati il più regolare possibile. Ad esempio per un DTM generato da una serie di profili altimetrici molto distanti tra loro, seppur ricchi di misure al loro interno, non ha senso scegliere un passo di griglia inferiore alla distanza tra i profili. In caso contrario il DTM sarà pretenzioso, cioè rimarrà allo stesso livello di accuratezza pur utilizzando un passo di griglia più fitto e potrà presentare artefatti (vedi oltre).
Altri parametri che giocano un ruolo importante per la qualità dei prodotti di DTA sono:

• "rugosità" del terreno
• densità di campionamento dei punti (metodo di campionamento)
• ampiezza della cella della griglia
• "qualità" dell'algoritmo di interpolazione
• risoluzione verticale
• "qualità" dell'algoritmo di analisi

Mirare all'accuratezza relativa piuttosto che a quella assoluta dipende essenzialmente dai motivi per i quali utilizziamo un DEM. Ad esempio il valore assoluto dell'elevazione gioca un ruolo decisivo nella pianificazione di una rete di telefonia mobile, invece per applicazioni di geomorfologia, di idrologia, di ecologia del paesaggio, etc, interessa molto più l'accuratezza della forma della superficie del terreno.

L'accuratezza assoluta di un DEM è quantificabile calcolando l'errore RMS delle elevazioni delle celle del DEM rispetto alle elevazioni vere. Da non confondere con la precisione verticale (o "risoluzione verticale") che è l'arrotondamento adottato per i valori delle elevazioni (ad es. 0.1 metri), numero tipicamente più piccolo dell'accuratezza assoluta (ad es. RMS = 3.2 metri).
L'accuratezza relativa di un DEM è quantificabile calcolando gli errori RMS dei vari parametri morfometrici del terreno. Questa è funzione di quanto realisticamente vengono rappresentate le forme del terreno e modellati i processi che avvengono sul terreno. Per questo viene anche chiamata, forse in modo più appropriato, plausibilità o fedeltà geomorfologica.

Ad esempio un DTM prodotto dalle curve di livello utilizzando un'interpolazione lineare conduce in genere a mappe dei parametri morfometrici poco realistiche quindi di scarsa qualità. Lo stesso accade con DTM co valori di elevazione arrotondati al metro. Una mappa delle pendenze in questo caso presenterà aree poco plausibili, come "terrazzamenti", "spianamenti" di vette, "riempimenti" di valli, linee e strisce fantasma. I terrazzamenti si formano quando l'algoritmo di inetrpolazione trova lo stesso valore di isoipsa nelle vicinanze. In queste aree il calcolo della mappa della pendenza e parametri simili restuisce valori indefiniti a causa della divisione per zero. Questi artefatti spesso sfuggono alla vista nella rappresentazione del DTM originale, ma diventano ben visibili nelle mappe dei parametri del terreno derivate. La presenza degli artefatti rappresenta un grande problema per il calcolo dei parametri idrologici del terreno.

La nostra esperienza ci consente di generare DTM dotati di elevata fedeltà geomorfologica. In molti casi riusciamo a correggere con successo DTM che presentano una insufficiente fedeltà, impiegando raffinate tecniche che consentono di minimizzare l'errore sui parametri del terreno.

Fonti di dati altimetrici

Ad oggi, ci sono cinque fonti principali di dati per la produzione di DTM:

• rilievi topografici in campagna
• restituzione fotogrammetrica di stereo foto aeree o satellitari
• digitalizzazione di isoipse e punti quotati tratti da mappe topografiche
• scansione con laser (LiDAR) aerotrasportato
• scansione con radar (SAR) aerotrasportato o da satellite

I metodi possono essere confrontati considerando più aspetti, ad esempio: (a) costo, (b) accuratezza, (c) densità di campionamento dei punti e (d) esigenze di preprocessamento.

Tradizionalmente i dati altimetrici sono stati raccolti mediante rilievo topografico in campagna o mediante digitalizzazione semi-automatica di foto aeree mediante stereoscopio. Gli sviluppi più recenti impiegano rilievo aerofotogrammetrico eseguito oramai per lo più in ambiente digitale, il laser scanning e l'interferometria radar.

Tra le tecniche citate,la scansione laser sembra essere la più accurata e con la più alta densità di campionamento. Inoltre, a differenza del radar (SAR) il laser scanner ha buone possibilità di raggiungere il terreno al di sotto del manto boschivo, e sulla base della doppia informazione primo e ultimo impulso, si può determinare il Modello Digitale del Terreno. La scansione laser è addirittura impiegata per rilevare edifici, linee elettriche e onde del mare.

L'interferometria radar aerea e satelitare presenta errori RMS sull'elevazione da alcuni fino a dieci metri.

Le caratteristiche di qualità offerte dai vari metodi di misura descritti sono così sintetizzabili:

• DTM da scansione laser
  ... attualmente il metodo migliore per produrre DTM.
  vantaggi:
  - elevatissima accuratezza (~ centimetrica), possibili dimensioni della maglia fino 5 metri
  - l'identificazione della superficie del terreno (punti a terra) non è un problema perchè quando l'impulso laser incontra un ostacolo, come foglie, fili sospesi, cornicioni, viene diviso in più componenti che vengono riflesse verso l'alto in tempi diversi e lo strumento è in in grado di registrare sia la prima sia l'ultima riflessione; inoltre, è misurata anche l'ampiezza del segnale di ritorno, il cui valore dipende dal materiale che ha riflesso il raggio.
  
• DTM da isoipse digitalizzate su carte topografiche
  ... il metodo storicamente più usato.
  vantaggi:
  - disponibilità di carte topografiche che coprono vaste aree
  problemi:
  - il DTM spesso presenta artefatti (ad es. "terrazzamenti")
  - poichè la densità delle isoipse diminuisce nelle zone pianeggianti, la qualità del DTM è spesso insoddisfacente. Un rimedio consiste nell'infittire le isoipse mediante interpolazione manuale


• DTM da misure radar
  ... l'esempio più importante è il DEM globale tratto dalla missione NASA SRTM
  vantaggi:
  - disponibili per vaste aree (il DEM copre l'80% del pianeta!)
  problemi:
  - la vegetazione è un problema perchè le onde radar possono penetrare solamente per pochi metri dentro il folto fogliame. Per questo i dati SRTM sono per defeinizione un Modello digitale di Elevazione (DEM) e non un Modello Digitale del terreno (DTM).


• DTM da misure fotogrammetriche su stereo foto aeree e satellitari
  vantaggi:
  - disponibili per vaste aree
  problemi:
  - possibili "errori" nella fotointerpretazione
  - nelle aree ricoperte da vegetazione fitta non è possibile misurare l'elevazione del terreno sottostante


• DTM da misure topografiche puntuali di campagna
  ...piuttosti rari su aree estese, pechè richiedono certo impegno
  - con un'elevata densità di misurazioni ci si può aspettare un DTM accurato

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