Studio metodologico comparato per la mappatura da satellite dei ghiacciai applicato al complesso del Karakoram (Pakistan)

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Premessa 
   Il presente lavoro di tesi espone e confronta diversi metodi di image processing dei dati raccolti da 
satellite, allo scopo di una valutazione di massima del livello di efficienza di ognuno di essi nel campo 
della mappatura e classificazione territoriale. Tale studio si focalizza su un’area limitata del bacino 
del fiume Hunza, localizzato nel Pakistan settentrionale, ed illustra l’applicazione di alcune delle 
principali metodologie esistenti di classificazione automatica e/o manuale, mettendo in risalto, di 
volta in volta, una ben precisa categoria del paesaggio sia naturale che antropico. L’esame di ciascuno 
dei metodi classificativi serve a valutare la sovrapposizione tra le classi territoriali poste in evidenza, 
dunque si valutano il grado di definizione e la separabilità spettrale, sia tra le diverse bande satellitari 
in relazione alle classi di elementi territoriali, sia tra gli elementi del territorio per una determinata 
banda. In tal modo, operando con un procedimento di validazione di questo tipo, l’intento è rivolto 
perciò all’individuazione ed implementazione dei migliori metodi classificazione automatica 
supervisionata, con il controllo dell’operatore a monte, che abbiano un’elevata accuratezza di 
classificazione del territorio. In aggiunta, le risposte in termini spettrali degli elementi del territorio, 
alla luce dei suddetti metodi di classificazione, vengono poi confrontate ed integrate con i metodi di 
analisi morfometrica del territorio, allo scopo di valutare la loro convergenza in riferimento alle 
morfologie rilevabili dai rispettivi dataset. 
   Si espone sommariamente il contenuto dei capitoli del presente lavoro. 
1. Introduzione alle tecniche di telerilevamento satellitare, con riferimento alla missione e alla 
strumentazione del satellite Sentinel-2 dell’ESA, ai dati disponibili, ai vantaggi e ai limiti di 
tali tecniche di campionamento. 
Introduzione agli ambienti glaciali, ai ghiacciai, al telerilevamento applicato ai ghiacciai ed 
alla fotointepretazione. 
Presentazione delle fonti di dati disponibili, come gli inventari glaciologici, in particolare i 
due inventari utilizzati (GANDAM e RGI), il database di immagini satellitari di Sentinel-2, i 
modelli digitali di elevazione (DEM). 
Descrizione dei principali metodi di classificazione di interesse. 
Introduzione al concetto di analisi morfometrica e indicazione dei principali parametri 
morfometrici. 
2. Inquadramento dell’area di studio nella valle di Hunza, che abbraccia i fattori geografici 
(orografia, glacio-idrologia, flora e fauna, clima, contesto economico), i cenni storici, i 
caratteri geologici, tettonico-geodinamici, e le forme del territorio.
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3. Strumenti di lavoro e dati utilizzati, comprendenti il toolbox IMPACT, gli applicativi GIS, il 
database di Google Earth, di ESA Copernicus Hub, del portale EarthData della NASA, degli 
inventari glaciologici GANDAM e Randolph, dei dataset dei DEM SRTM e ASTER GDEM. 
4. Metodologie inerenti: la mappatura dei ghiacciai, l’image processing e la classificazione 
supervisionata, la metodica di classificazione Decision Tree, gli algoritmi di classificazione 
MLE e Random Forest, lo sviluppo dell’analisi morfometrica e il calcolo di acclività e 
curvatura. 
5. Presentazione dei risultati e delle elaborazioni cartografiche e spettrali, ricavati dalle 
classificazioni supervisionate, della fotointerpretazione, della validazione degli algoritmi 
classificativi e della classificazione finale, dell’elaborazione e riclassificazione dei parametri 
morfometrici. 
6. Interpretazione dei risultati della classificazione dell’algoritmo Random Forest, con 
riferimento alla separabilità delle bande e delle classi, validazione dei metodi classificativi 
con un raffronto rispetto agli inventari glaciologici, discussioni sugli elaborati dell’analisi 
morfometrica. 
7. Conclusioni. 
1. Introduzione 
1.1. Elementi di telerilevamento 
1.1.1. Principi 
   Il telerilevamento è, in generale, la raccolta di informazioni dalla superficie terrestre senza stabilire 
un contatto fisico diretto con essa. Il termine è solitamente usato in un senso più ristretto in cui 
l'osservazione è effettuata dall'alto dell'oggetto di interesse, da un sensore trasportato su una 
piattaforma aerea o spaziale, e l'informazione è trasportata dalla radiazione elettromagnetica, cioè 
luce visibile, radiazione infrarossa o ultravioletta, o onde radio. Questa radiazione può essere captata, 
nel qual caso si dice che il tipo di telerilevamento è passivo, oppure può essere trasmessa dal sensore 
all'oggetto in esame, nel qual caso si dice che il telerilevamento è attivo (fig. 1).
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Figura 1. Modalità di telerilevamento per raccolta dati passiva (a destra) e attiva (a sinistra); (courtesy of: 
DLR, German Aerospace Center; http://www.pa.op.dlr.de/AIRSPACE/scientific%20goals.html) 
Uno dei fattori più significativi nella crescente applicabilità del telerilevamento a molte ricerche nelle 
scienze ambientali, tra le altre discipline, è stato l'uso di piattaforme spaziali. Sebbene gli strumenti 
di telerilevamento siano stati portati in orbita attorno alla Terra negli anni '60, l'era del telerilevamento 
satellitare iniziò effettivamente nel 1972 con il lancio del satellite Landsat 1. Il telerilevamento 
spaziale offre una serie di vantaggi rispetto alle osservazioni aeree. Le informazioni possono essere 
ottenute da vaste aree in breve tempo e da luoghi che potrebbero essere difficili o pericolosi da 
sorvolare. Altrettanto importante, tuttavia, è la portata della continuità della raccolta dei dati. Sebbene 
una singola missione satellitare non abbia normalmente una durata pianificata superiore a tre o cinque 
anni, anche questa è enormemente più lunga del periodo di raccolta continua di dati ottenibile da una 
piattaforma aerea. Tuttavia, le missioni spaziali sono spesso progettate per fornire una continuità di 
una copertura dati coerente con le missioni precedenti, in alcuni casi per diversi decenni. Questi sono 
tutti vantaggi che rendono il telerilevamento spaziale particolarmente prezioso per lo studio dei 
ghiacciai, e la comunità di ricerca glaciologica è stata e rimane pronta nell'identificare e sfruttare le 
possibilità offerte dai dati satellitari (Pellikka & Reese, 2009). 
   Gli scanner elettro-ottici, che forniscono immagini digitali calibrate nelle regioni del visibile e del 
vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico, sono componenti di fondamentale importanza per il 
remote sensing in queste regioni dello spettro. Similmente ai metodi della fotografia aerea digitale, 
essi coprono la stessa regione spettrale, dunque sono parimenti soggetti alle limitazioni di 
inoperabilità attraverso le nuvole o durante la notte. Oltre al potenziale per la generazione di dati 
multispettrali, gli scanner offrono una serie di vantaggi rispetto alla fotografia: i dati sono solitamente 
calibrati radiometricamente, il che significa che una dato di output corrisponde a un valore di
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riflettanza TOA nota; i dati sono digitali, quindi compatibili per le elaborazioni informatiche; infine 
i dati possono essere trasmessi via radio dallo strumento ad una precisa stazione ricevente. 
Quest'ultima caratteristica è particolarmente importante per la raccolta di dati spaziali e gli scanner 
sono ampiamente utilizzati dai satelliti, sebbene siano disponibili anche sistemi in vettori aerei 
(Pellikka & Reese, 2009). 
1.1.2. Proprietà misurate 
   Come detto poc’anzi, l'idea fondamentale del telerilevamento è che le informazioni sulla superficie 
oggetto di indagine siano trasportate dalla radiazione elettromagnetica. Ciò comporta la misura di 
alcune sue proprietà fisiche tra cui, nel caso di sistemi passivi che rilevano la radiazione solare 
riflessa, la proprietà fondamentale è la radianza della radiazione che raggiunge il sensore. La 
radianza è una misura dell'intensità della radiazione in una particolare direzione, spesso specificata 
in funzione della lunghezza d'onda, e in un tipico strumento di telerilevamento la radianza viene 
misurata per un certo numero di bande, attraverso lo spettro del visibile e del vicino infrarosso. La 
radianza viene spesso utilizzata per calcolare una quantità derivata, la riflettanza della superficie da 
cui è stata riflessa la radiazione. Essa dipende dalla conoscenza della quantità di radiazione incidente 
sulla superficie terrestre in una medesima banda e dalla geometria dell'osservazione. Tuttavia, una 
complicazione è introdotta dalla presenza dell'atmosfera terrestre, che può sia attenuare la radianza 
della radiazione che la attraversa, sia contribuire alla radianza misurata, come risultato dei processi 
di assorbimento e dispersione. La riflettanza si calcola dalla radianza di superficie BOA (bottom of 
atmosphere), ma allo strumento di telerilevamento si legge la radianza TOA (top of atmosphere), al 
di sopra dell'atmosfera. Per gli scopi del presente lavoro, i valori spettrali delle bande sono quelli 
correlati alla radianza TOA. Essa tuttavia, è convertibile in valori di radianza BOA tramite specifici 
algoritmi di correzione atmosferica (Pellikka & Reese, 2009). 
1.1.3. Risoluzione dello strumento 
   Una delle più importanti caratteristiche che possono essere utilizzate per valutare l'idoneità di un 
particolare strumento per l'applicazione prevista è la sua risoluzione, o potere risolutivo. In termini 
molto generali, si tratta della capacità dello strumento di distinguere tra due cose simili. È conveniente 
identificare quattro categorie di risoluzione: spaziale, spettrale, radiometrica e temporale (Pellikka & 
Reese, 2009). 
I.   La maggior parte degli strumenti di telerilevamento forma immagini bidimensionali della 
superficie terrestre. In questo contesto, la risoluzione spaziale può essere pensata come la capacità di 
distinguere tra un oggetto puntuale ed un oggetto esteso orizzontalmente, o di riconoscere dettagli 
distribuiti spazialmente in un oggetto. Spesso si presume che coincida più o meno con la dimensione 
di un pixel, o più precisamente con la dimensione dell'elemento sulla superficie visualizzato in un
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singolo pixel. La risoluzione spaziale dei sistemi di imaging, nello spettro del visibile ed infrarosso, 
può essere descritta come il prodotto della risoluzione angolare con il range (cioè l'altezza sopra la 
superficie per un vettore aerospaziale dotato di sensori puntati su di essa). La risoluzione angolare è 
più o meno determinata dalla lunghezza d'onda della radiazione e dal diametro della lente obiettivo, 
perciò lunghezze d'onda corte e lenti grandi sono necessarie per le migliori risoluzioni angolari. 
Pertanto lo stesso strumento, dispiegato a diverse altezze sopra la superficie terrestre, produrrà una 
risoluzione spaziale proporzionale alla quota (Pellikka & Reese, 2009). 
II.   La risoluzione spettrale si riferisce alla capacità di distinguere tra radiazioni di diverse lunghezze 
d'onda. Tipicamente la risoluzione spettrale è definita attraverso il numero e l'ampiezza delle bande 
dello strumento, ovvero gli intervalli spettrali di sensibilità. Bande più strette corrispondono a 
risoluzioni spettrali più elevate. I sistemi di imaging che operano nella spettro del visibile/vicino 
infrarosso sono generalmente progettati per catturare la variazione della radianza, e quindi della 
riflettanza, con la lunghezza d'onda, poiché questa può essere caratteristica del tipo o della condizione 
della superficie. La maggior parte di tali sistemi di imaging nel visibile/vicino infrarosso fornisce una 
serie di bande, generalmente da 50 a 100 nm di larghezza e definite da specifici filtri di banda, per 
ottenere un imaging multispettrale. Alcuni strumenti forniscono una risoluzione spettrale 
significativamente più fine, di solito per risolvere caratteristiche particolari come le linee di 
assorbimento, e gli imager iperspettrali forniscono in tal senso centinaia o addirittura migliaia di 
bande strette contigue (Pellikka & Reese, 2009). 
III.   La risoluzione radiometrica è la capacità di distinguere tra due radianze simili ma non identiche, 
e si compone di due componenti: l'intervallo di valori di radianza a cui lo strumento può rispondere 
senza che la risposta sia saturata e il numero di livelli in cui è suddiviso questo intervallo. Nel caso 
di dati digitali, il numero di livelli è controllato dal numero di bit utilizzati per rappresentare il valore 
di radianza. Comunemente, i sistemi di imaging digitale utilizzano dati a 8 bit poiché sono 
semplicemente compatibili con molti sistemi di elaborazione dei calcolatori elettronici. Ciò significa 
che il valore della radianza è rappresentato da un numero intero compreso tra 0 e 255, e che l'intervallo 
tra i valori minimo e massimo che può essere rappresentato comprende 255 valori discreti (numeri 
digitali, DN), (Pellikka & Reese, 2009). 
IV.   Il concetto di risoluzione temporale viene normalmente applicato a situazioni in cui i dati 
vengono acquisiti ripetutamente dalla stessa posizione, nel qual caso coincide essenzialmente alla 
frequenza di raccolta dei dati. Molti satelliti sono posti in orbite che si ripetono esattamente allo stesso 
modo, in cui la traccia subsatellitare forma una curva chiusa sulla superficie terrestre, rivisitando 
precisamente la stessa posizione della superficie dopo un numero di giorni e di orbite ben precisi. Il 
fatto che il potenziale di tale copertura temporale venga realizzato o meno dipende dalla decisione