La trasmissione dei dati in un sistema Lidar/Dial per la rivelazione precoce degli incendi boschivi

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prodotti durante la combustione. Tale sistema sembrerebbe utile per individuare 
prontamente  i focolai di un incendio e per adempiere al compito di monitorare 
e diffondere l’allarme ancora prima che la “piuma” del fumo si diffonda in 
atmosfera. E’ stato dimostrato la fattibilità e le potenzialità del sistema, 
realizzando una stazione mobile, e successivamente anche fissa,  Lidar/Dial  di  
telerilevamento attivo per la rivelazione precoce degli incendi boschivi e per la 
riduzione dei falsi allarmi. Il progetto, che  è stato  sviluppato dal 1 Aprile 2004 
fino al 31 Marzo 2008, presso il centro di ricerche  di  Lamezia Terme, e oggetto 
del contratto di ricerca industriale SAI (Sistema Allerta Incendi) finanziato dal 
MIUR (Ministero dell’Istruzione dell’Università della Ricerca) e dal CRATI 
(Consorzio per la Ricerca e le Applicazioni di Tecnologie Innovative) in 
collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria dell’Università di Roma “Tor 
Vergata”, ha previsto  la realizzazione e la sperimentazione sul campo di  una 
stazione mobile Lidar/Dial, dotata di sorgente laser impulsata a stato solido 
Nd:Yag e T.E.A  a  CO2. 
L’idea cardine di questo lavoro di  tesi è quella di esporre il funzionamento del 
sistema nel suo complesso, con una particolare attenzione alle tecnologie  
impiegate per la trasmissione dei dati; verranno fornite le soluzioni più 
interessanti ai fini di uno sviluppo progettuale coerente con gli obiettivi del 
sistema di rivelamento precoce degli incendi boschivi.   
Nel primo capitolo, dopo una breve introduzione riguardante gli obiettivi 
raggiunti dal progetto SAI,  verranno introdotte le caratteristiche peculiari del 
sistema  e i suoi notevoli vantaggi rispetto alle altre tecniche attualmente in uso, 
quindi ne verrà fornito uno schema realizzativo. 
 In seguito sarà esposta la differenza tra sistemi di rivelamento degli incendi  
attivi e  passivi, con una particolare attenzione alla tecnica Lidar (Ligth 
Detection and Ranging – Rivelazione di luce a distanza), utilizzata per il 
progetto in questione. 
Nel secondo capitolo verrà illustrato nello specifico il funzionamento della 
tecnica Lidar/Dial: la prima basata sulla variazione della densità di aerosol 
nell’atmosfera, l’altra riguardante la stima della variazione di concentrazione di 
acqua (Dial : Differential Absorption Lidar – Assorbimento differenziale lidar). 
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Quindi si procederà alla caratterizzazione dei parametri ottici e atmosferici 
fondamentali per lo sviluppo di questi due sistemi, supportando l’esposizione 
teorica con i dati sperimentali, raccolti durante la campagna di ricerca 
effettuata sul campo. Vedremo infine come, grazie a queste due tecniche 
sperimentali, sia effettivamente possibile una  precoce “visione dell’incendio”, 
minimizzando i falsi allarmi.  
Verranno riportati i dati conclusivi, relativi ai test simulativi effettuati nel 
laboratorio del CRATI di Lamezia Terme (CZ) e a Settefrati (FR),  a supporto 
dell’esposizione fornita. 
Nel terzo capitolo, confortati dalla validità dei risultati sperimentali raggiunti, 
vedremo nello specifico la struttura e il funzionamento dell’apparato trasmissivo 
del sistema,  parte centrale di questo lavoro di tesi, che prevede l’elaborazione e 
il processing dei dati raccolti sul campo. Verranno forniti dei possibili schemi 
realizzativi del sistema di trasmissione con una caratterizzazione accurata dei 
singoli “blocchi” che lo costituiscono. Verranno introdotte le nozioni 
fondamentali sulle reti di TLC e wireless, successivamente, verranno 
caratterizzate gli standard cellulari più diffusi al fine di un loro possibile 
impiego nel sistema. 
Nel quarto capitolo, dopo aver analizzato i sistemi cellulari, si cercheranno 
delle valide alternative nell’ambito delle reti wireless di comunicazione: si 
valuterà l’impiego del Wi-Max, quindi verranno caratterizzate le reti wireless di 
sensori (WSN) come possibile supporto all’attività del sistema Lidar/Dial, sia 
per quanto riguarda la trasmissione dei dati, che per il monitoraggio 
ambientale. Si discuterà di un possibile impiego congiunto delle due tecnologie.   
Infine, saranno discusse le possibili applicazioni su vasta scala di questo sistema 
per la rivelazione precoce degli incendi boschivi, in particolare nei Parchi 
Nazionali e nelle aree protette, allo scopo di una sua ingegnerizzazione.  
Seguiranno, a conclusione del lavoro, tre appendici contenenti gli 
approfondimenti su alcuni dei temi trattati durante l’esposizione  della tesi. 
 
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Capitolo I 
 
Introduzione al sistema di rilevazione precoce degli incendi: 
Tecniche di Telerilevamento Ambientale 
 
 
1.1  Descrizione dell’obiettivo finale del progetto SAI 
 
L’obiettivo del progetto SAI [1] (Sistema Allerta Incendi) è stato la messa 
a punto di un  sistema integrato per la  rivelazione  precoce degli incendi 
boschivi e la minimizzazione dei falsi allarmi. Il sistema è basato su tre 
componenti strutturali: un sistema LIDAR per le misurazioni in campo, una Rete 
Neurale per la minimizzazione dei falsi allarmi, una catena di modellistica per la 
prevenzione e la previsione degli incendi. Il  primo componente è il cuore del 
sistema in quanto emette un fascio laser che,  interagendo con quanto viene 
rilasciato in atmosfera dal focolaio dell’incendio, ne rileva la presenza; il 
secondo componente opera al fine di minimizzare i falsi  allarmi dovuti alla 
presenza di fumi che non si originano da incendi boschivi  (fumi industriali, 
particolato atmosferico sollevato da vento forte, fumi che si originano da 
pratiche agricole “sicure”, nebbie ecc.). La Rete Neurale, inoltre,  agisce per 
diminuire i tempi impiegati dal sistema ad elaborare i segnali del Lidar 
[appendice A]. Il terzo componente è costituito da una catena integrata di 
modelli che, eseguiti in sala operativa, consentono di effettuare delle previsioni 
ragionevoli sull’evoluzione di un incendio o sulla sua probabilità di innesco 
utilizzando informazioni sia di natura meteorologica che di tipo geomorfologica 
specializzate per il territorio in esame. Il termine “terreno boschivo” è qui 
utilizzato in senso ampio ad indicare macchia, garriga, brughiera, ed anche 
prateria  da cui sia stata rimossa la vegetazione boschiva. Il problema degli 
incendi, nel nostro paese come in tutto il mondo, ha un notevole impatto sia 
ambientale che economico, dal momento che vengono spesi annualmente circa 
80 milioni di Euro per combatterli [2]. 
Scoppiato l’incendio, il parametro principale è quello legato alla rapidità 
d’intervento dei servizi di vigilanza, al fine di limitare l’area che sta bruciando. 
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In realtà, da un certo momento in poi, l’incendio diventa sempre più 
difficilmente controllabile. 
Pertanto, allo scopo di consentire un intervento quasi immediato, è 
necessario rivelare l’insorgere dell’incendio quanto prima possibile. La 
rivelazione precoce d’incendi dipende dalla capacità di rilevare il rilascio dei 
prodotti di combustione in atmosfera durante la fase iniziale. Le manifestazioni 
principali di un bosco in fiamme sono l’emissione di luce, sia a lunghezza 
d’onda visibile  (fiamme) che IR, e di una colonna di fumo composta da gas e 
piccole particelle che salgono e diffondono in atmosfera. Il processo di 
combustione della vegetazione, in atmosfera ossidante, provoca l’emissione di 
una considerevole quantità di CO2, H2O e tracce di composti organici volatili 
derivati dalla pirolisi del legno. Sovente l’inizio dell’emissione di H2O e CO2 
precede la comparsa della colonna visibile di fumo e della fiamma. Pertanto un 
sistema basato sulla rivelazione della presenza anomala in atmosfera di questi 
componenti può essere valido per un allarme precoce. 
Questa colonna di materiale ascendente trasporta inoltre una notevole 
quantità di particelle sospese di dimensioni variabili. E’ possibile assumere che 
le particelle immesse in atmosfera abbiano un diametro compreso tra 1 e 100 
mm. Di contro l’atmosfera, in condizioni standard [3,25], ed in assenza 
d’inquinamento, presenta un basso contenuto di CO2 e di particolato, le cui 
dimensioni medie sono minori di 10 mm. Questa situazione rappresenta il 
“fondo naturale” rispetto al quale bisogna rivelare gli effetti derivanti dall’inizio 
di un fenomeno di combustione. Infatti, in genere, la densità di particelle 
“normalmente” presente in atmosfera è di svariati ordini di grandezza inferiore a 
quella osservata a seguito di combustione. 
Per quanto concerne la radiazione emessa, è opportuno sottolineare come 
lo spettro di emissione, sia visibile che IR, sia fortemente determinato dalla 
temperatura di combustione, dalla natura dei legni combusti e dalla 
composizione dell’atmosfera. In conclusione, per rilevare un incendio, occorre 
studiare tre parametri principali [1]: 
• gas (CO2, H2O e specifici composti organici); 
• particelle presenti nel fumo; 
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• radiazione emessa. 
Ovviamente tutti questi parametri possono essere monitorati. Al momento 
esistono due strategie principali per la rivelazione del fumo e della radiazione 
emessi da incendi, precisamente: le tecniche passive e le tecniche attive [4]. 
 
A )    Sistemi passivi 
 
Col termine “sistema passivo” [1,4] si intende un sistema che non 
interagisce direttamente con il target. Ad oggi esistono rivelatori d’incendi che 
utilizzano principalmente la rivelazione passiva di luce visibile e infrarossa. 
Durante le ore notturne un sistema passivo può rivelare tipicamente un’area di 
solo 1 m2, mentre in condizioni di luce ambiente la soglia di rivelazione 
aumenta. Un’altra limitazione della rivelazione passiva è la necessità di avere 
l’incendio all’interno della linea di vista del rivelatore. Questa condizione è 
ovviamente in contrasto con la necessità di rivelare l’incendio nella fase iniziale, 
dal momento che il fuoco è spesso mascherato dalla presenza di alberi e ostacoli. 
I sistemi passivi più diffusi possono essere classificati in: 
Rivelatori di fumo 
I rivelatori più diffusi sono i sensori di fumo, utilizzati praticamente 
ovunque, ma soprattutto per la sorveglianza degli edifici. I meccanismi adottati 
dai sensori di fumo sono svariati ed includono [1]: 
 
Ionizzazione con elementi radioattivi: Rivelatori a ionizzazione, noti come 
rivelatori di fumo a camera di ionizzazione (ICSD-Ionization Chamber Smoke 
Detector), utilizzano una quantità minima di sostanza radioattiva (americio 241) 
che emette sia radiazione gamma che particelle alfa e, anche in caso di 
danneggiamento accidentale, non rappresentano un rischio significativo per gli 
utenti. Il materiale radioattivo fissa il valore della conducibilità elettrica della 
camera di rivelazione. In tal modo, se del fumo penetra nella camera, il valore di 
conducibilità cambia e si attiva il segnale di allerta. Questi sistemi sono utili solo 
in spazi chiusi. 
 
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Effetto fotoelettrico: I rivelatori fotoelettrici utilizzano una piccola sorgente 
luminosa che scintilla su di un rivelatore fotosensibile. Il segnale di allarme è 
attivato quando il fumo interferisce con la luce, in quanto l’intensità di 
radiazione raccolta dal sensore diminuisce. 
 
Rivelazione da diffusione ottica: Un sistema di rivelazione molto semplice è il 
rivelatore ottico che contiene, all’interno del collimatore, un diodo IR (LED). Il 
collimatore è posizionato ad angolo ottuso rispetto al fotodiodo. Questo possiede 
un filtro integrale per luce diurna ed emette periodicamente un impulso di luce 
collimata. In aria pulita il fotodiodo non riceve luce direttamente dal LED. 
Quando il fumo entra nella camera, diffonde la luce del LED emettitore sul 
fotodiodo, in una quantità dipendente dalle  sue caratteristiche e dalla densità del 
fumo. Utilizzando tipi di sensori più complessi è possibile stimare la natura e la 
composizione del fumo. Tutti questi tipi di rivelatori passivi devono essere 
posizionati in regioni sotto sorveglianza per un funzionamento ottimale. 
Rivelazione di radiazione di fiamma 
La fiamma del fuoco può essere rivelata mediante tecniche d’immagine o 
di rivelazione del calore [1]. La tecnica d’immagine sarà discussa nel paragrafo 
successivo. I rivelatori di calore utilizzano un termistore che sonda l’aria nella 
posizione del sensore. Il termistore è connesso ad una rete di resistori, che 
producono una tensione dipendente dalla temperatura. La rete di resistori 
elettrici, legati a micro controllori che utilizzano particolari algoritmi, genera 
l’allarme se la temperatura del sensore sale al di sopra di una soglia predefinita. 
Questo sistema passivo usato per la rivelazione di fiamme deve essere 
posizionato nella regione sotto osservazione per ottimizzarne il funzionamento. 
 
Tecniche di rivelazione  immagini 
 
Esistono due tipi di sistemi basati sulla rivelazione ad immagine che 
possono essere utilizzati per la rivelazione di fiamme [1]: 
 
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Tecnologia basata sulle immagini da satellite: Le immagini da satellite hanno un 
valore considerevole per la mappatura delle aree incendiate [4]. La conoscenza 
di queste aree può aiutare a comprendere la struttura e la dinamica della 
morfologia del terreno boschivo. Inoltre, anche se questa è una tecnologia molto 
costosa, ci sono interessi globali per monitorare i regimi d’incendio [1,4]. 
 
Rivelatori CCD al suolo: Solo i sistemi basati su CCD sono generalmente 
utilizzati per la sorveglianza d’incendi boschivi. Questi sistemi permettono solo 
rivelazione visibile ad una distanza non superiore a 5 km e senza nessuna 
informazione sulla reale posizione del fuoco. Se questi sistemi sono utilizzati per 
la sorveglianza d’incendi, non danno risposte in condizioni meteorologiche 
particolari, come ad esempio in caso di nebbia. Quando le camere CCD sono 
ottimizzate per la rivelazione della fiamma non risultano particolarmente 
efficienti nel caso in cui il profilo del terreno sia vario (presenza di alberi 
montagne, rocce, ecc.). I sistemi CCD inoltre sono molto sensibili alle variazioni 
giorno/notte complicando notevolmente il software di elaborazione dei dati. 
Molti di questi si affiancano a rivelatori IR [1,4] . 
 
B) Sistemi attivi 
 
Col termine: “sistemi attivi” [1,3,4], si configurano quei sistemi che 
utilizzano l’interazione di un “probe” direttamente col bersaglio da rivelare. Un 
Lidar (Light detection and Ranging – Rivelazione di luce a distanza) è un tipico 
esempio di sistema attivo, che consente la rivelazione di oggetti e componenti 
chimici in atmosfera. Infatti, la radiazione laser emessa interagisce direttamente 
con le particelle bersaglio ed il segnale da queste retrodiffuso è rivelato da un 
opportuno sensore. La tecnica è anche conosciuta come “Radar Ottico”. 
Pertanto, potendo i sistemi attivi interagire direttamente col “bersaglio fumo”, un 
sistema di rivelazione Lidar è più efficiente di qualunque altro sistema passivo. 
E’ ben noto che i Lidar sono stati ampiamente utilizzati in svariate 
applicazioni tecnico – scientifiche. In particolare per la rivelazione di inquinanti 
e l’analisi della loro composizione. Malgrado ciò, l’applicazione per la 
rilevazione precoce di incendi ha richiesto una serie di studi propedeutici e 
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modifiche rispetto ai sistemi tradizionali. Ulteriori approfondimenti sul Lidar 
sono forniti nel paragrafo 1.4 
 
 
1.2  Struttura del progetto 
 
Lo schema del nuovo dispositivo Lidar è rappresentato in Figura 1. Uno 
degli scopi della  ricerca effettuata è stato quello di sviluppare un rivelatore per 
la sorveglianza incendi, alternativo a quelli attualmente esistenti.  
Combinando un rivelatore Lidar, una Rete Neurale (RN), un sistema di 
acquisizione dati “addestrato” e l’applicazione di modellistica atmosferica ad 
area limitata, il progetto ha previsto la realizzazione di un nuovo rivelatore 
dinamico per il controllo efficiente degli incendi boschivi [1,12].  
Il progetto che è stato, come già precedentemente accennato, sviluppato e 
testato efficacemente sul territorio, sia presso il centro ricerche del CRATI Scrl, 
situato a Lamezia Terme (CZ) , con la collaborazione dell’Università degli Studi 
della Calabria (Rende), sia presso il Comune di Settefrati (FR), con la 
collaborazione dell’Ente Parco Nazionale dell’Abbruzzo e Lazio; prevede la 
seguente modellizzazione, di cui forniamo di seguito una breve esposizione dei 
suoi componenti fondamentali [1].  
 
 
Figura 1)  Schema di funzionamento del sistema sul campo [1] 
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Nucleo fondamentale è costituito dal “modulo Lidar” (1: sorgente laser, 
sistema di trasmissione/ricezione della radiazione, rivelatore) che invia sulla 
zona da indagare (2: piuma di fumo) la radiazione laser (3: fascio laser 
trasmesso) e raccoglie il segnale retrodiffuso (4: radiazione di backscattering). 
Ottenute le informazioni necessarie, la stazione di controllo (5: centro di 
elaborazione del segnale) riceve il segnale trasmesso via etere (6: sistema di 
telecomunicazione bilaterale), lo analizza ed invia, se necessario, il segnale di 
allarme (7) [1]. 
Altro elemento caratterizzante il sistema è la sua integrazione con gli 
output di un insieme di codici di calcolo e modelli che forniscono la previsione 
delle condizioni meteorologiche ad area locale e la possibile evoluzione 
dell’incendio. Il sistema di modellizazione degli incendi sarà basato su tre 
elementi distinti: modello ad area limitata RAMS, modello HYPACT ed un 
modello Back Trajectories [1].   
Il RAMS è un potente modello a multiscala che consente di simulare 
l’interazione tra i flussi a scala sinottica e le caratteristiche geografiche locali 
(topografia, uso del suolo ecc.). Questo modello può essere spinto a risoluzioni 
molto alte e ben si addice alle necessità del progetto. Si può supporre, infatti, che 
in fase operativa, ovvero una volta avvistato l’incendio, il modello debba 
eseguire le simulazioni a risoluzioni di qualche centinaia di metri [1,12].  
Il modello RAMS avrà due compiti nel progetto, entrambi prognostici. Il 
primo sarà la realizzazione di mappe di rischio dinamico di incendi, il secondo 
sarà il suo uso operativo una volta che l’incendio è stato avvistato. Si proverà a 
preparare le mappe di rischio dinamico tutti i giorni per i tre giorni successivi. 
Queste mappe fotografano il rischio incendi per i tre giorni successivi in base 
alle condizioni meteorologiche previste dal RAMS. Ad esempio se il giorno 
dopo è previsto un alto tasso di umidità, la probabilità di sviluppo degli incendi 
sarà bassa [1,4].  
La metodologia che verrà seguita nel realizzare le carte di rischio dinamico 
è quella individuata dal WMO (World Meteorological Organization). Questa 
consiste nel combinare, in modo opportuno, quattro parametri meteorologici: