Dinamica costiera: monitoraggio tramite web camera del litorale da

Dinamica costiera: monitoraggio tramite web camera
del litorale da Sestri Levante a Lavagna
D. C. Conley 1, M. R. Erdman 2
1
2
SACLANT Undersea Research Centre – La Spezia, Italia
Erdman Video Systems Inc. 8895 SW 129th Miami FL 33176 U.S.A.
Riassunto
I litorali compresi fra Sestri Levante e Lavagna rappresentano un tratto di costa interessato da
significativi problemi di erosione, con presenza di numerose opere di difesa costiere trasversali
rigide (pennelli) e con frequenti e ripetuti interventi di difesa morbida (ripascimenti artificiali).
La presenza di queste strutture rende particolarmente interessante effettuare un monitoraggio di
dinamica costiera in questo tratto per una valutazione dell’influenza che queste opere hanno
sull’idrodinamica generale dell’area.
Scopo di questa ricerca è di dimostrare la praticità di utilizzare un sistema automatico di
immagini per documentare la posizione della linea di riva ed evidenziare la dinamica costiera,
anche attraverso le osservazioni di torbidità sottocosta.
Introduzione
Negli ultimi anni l’avvento di nuove tecnologie ha profondamente cambiato le metodologie che
riguardano il monitoraggio ambientale.In particolare il monitoraggio della fascia costiera per lo
studio della variazione della linea di riva è stato interessato da tecniche quali il telerilevamento
(Anthony et al, 2002), il GPS (Global Position System) (Stockdon et al, 2002) ed il video
monitoraggio (Holman et al, 1993). In particolare, il monitoraggio di zone costiere usando
apparati video è diventato recentemente abbastanza frequente con il diminuire dei prezzi dei
sistemi di video digitalizzazione e dei computer, anche di notevole potenza, per la gestione delle
immagini. Questa tecnologia è più economica di un sistema basato sul telerilevamento e nel suo
utilizzo più generale permette di controllare le variazioni delle linee di costa (Plant & Holman,
1997), l’andamento dei sedimenti in sospensione (Bezerra et al, 1998), il ripascimento di spiagge
(http://www.videomonitoring.com/atm), il traffico marittimo, l’uso delle spiagge etc. Inoltre tale
sistema di monitoraggio può essere associato ad un sistema software di gestione delle immagini
collegato a Internet permettendo così la loro archiviazione e pubblicazione on-line in tempo
reale. Il video monitoraggio quindi si rivela un’ottima alternativa ai più costosi sistemi di
telerilevamento per lo studio della fascia costiera in considerazione del fatto che tale sistema
presenta un’accuratezza dello stesso ordine di grandezza del monitoraggio con immagini
satellitari. Il sistema di video monitoraggio è stato utilizzato nel Golfo del Tigullio, per valutare
la sua efficacia nello studio della variazione della linea di riva e dell’andamento dei sedimenti in
sospensione.
Tecniche per il Video monitoraggio di zone costiere
Il sistema utilizzato in questo studio contiene una fotocamera digitale ad altissima risoluzione 2.5
megapixels con zoom 10X ottico. Con queste caratteristiche si ottiene un’estrema precisione nei
colori e nelle sfumature fornendo così una preziosa fonte d'informazione per le correnti, il
fondale la direzione del moto ondoso e del vento (fig. 1)
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Fig. 1. Esempio di immagine con fotocamera digitale.
Nonostante la distanza della sistema (circa 1 Km) si notano chiaramente i movimenti di torbidità
esaltati dalla perfetta rappresentazione dei colori il moto ondoso e la direzione del vento.
Un'altra caratteristica di questo sistema e quella di effettuare la media delle immagini riprese
(tecnica di "averaging") (Lippmann & Holman, 1989) usando un nuovo “approach”. La media
d'immagini è ottenuta usando un filtro neutro e un lungo tempo di esposizione. Con un filtro
appropriato, un'esposizione di oltre 16 secondi può essere ripresa un'immagine che è realmente la
media delle immagini in quel periodo (16 secondi appunto).
Il sistema metterà insieme una serie di queste immagini facendone poi ulteriormente la media, in
pratica ad es. se ogni immagine rappresenta 16 secondi di media, in 10 minuti facendo
ulteriormente la media di queste immagini avremmo un'immagine che rappresenta 160 secondi
di media e così via.
Questo è uno dei pochi semplici modi di elaborare una tecnica di "averaging" che può rivelare
particolari che l'occhio umano difficilmente percepirebbe. La parte dell'immagine che non
cambia apparirà infatti come una buona immagine particolarmente nitida, la parte che cambia
(es. la gente che si sposta sulla spiaggia o il movimento della linea del bagnasciuga) apparirà
come sfumato ma molto intenso nel colore (fig. 2). Spesso le immagini di questo tipo sono
convertite nella scala di grigi per essere manipolate più facilmente, ma pensiamo che il colore
possa rivelare informazione che altrimenti sfuggirebbero, come ad esempio cambi minimi della
torbidità di superficie.
Fig. 2. Tecnica di “averaging”: Con la media d'immagini i colori si sommano nei punti dove rimangono costanti,
esaltando le differenze di fondale, il tragitto di eventuali correnti o dispersione d'inquinanti.
Inoltre, da come si può osservare dalla fig. 2, questo sistema di video monitoraggio crea delle
immagini composte ottenute dallo spostamento automatico della fotocamera per mezzo di un
motore detto di “brandeggio”. Questa tecnica comporta delle piccole sovrapposizioni tra
un'immagine e l'altra dovuti all'imperfetto allineamento delle immagini,soprattutto con forti
zoom. Per evitare questo problema un apposito software corregge con un algoritmo la posizione
delle immagini all'interno della composizione "attaccandole" con una precisione di 1 pixel.
La necessità di avere immagini rettificate (ribaltate su di un piano orizzontale) per poter
effettuare delle misurazioni di punti deve essere una delle principali caratteristiche per un buon
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sistema di monitoraggio costiero, in modo tale da poter effettuare delle misure lineari all'interno
delle immagini stesse. Una volta presi dei punti di riferimento e possibile avere delle misure di
distanze per esempio determinare a che distanza dalla costa sono presenti delle barre sommerse,
o semplicemente disegnare sull'immagine un contorno della linea di riva in un determinato
periodo e valutarne le variazioni.
La precisione di tale misurazioni, che può anche essere di poche decine di centimetri, dipende
dalla distanza della fotocamera dalla zona monitorata (fig. 3).
Fig. 3. Jupiter Inlet Fl (USA). L 'immagine a sinistra è reale; quella al centro è la stessa immagine rettificata.
L'immagine a destra è ottenuta da una media d'immagini.
Il sistema di video monitoraggio può essere collegato in Internet (web-camera) permettendo così
lo scaricamento delle immagini, il controllo totale sul sistema e sulla sua programmazione, il
controllo dello zoom e del motore di brandeggio con la possibilità, attraverso un solo sistema, di
riprendere centinaia di scene.
La stazione di video monitoraggio del Golfo del Tigullio
La strumentazione utilizzata per la stazione del Golfo del Tigullio è composta dai seguenti
componenti (fig. 4):
• una fotocamera con risoluzione di 2,1 megapixel con uno zoom ottico 10x.
• un anemometro
• un sensore termico
• un sensore igrometrico
• un pluviometro
• un computer connesso
via cavo alla telecamera
ed alla rete telefonica
che raccoglie ed invia
le immagini e i dati
ottenuti
Fig. 4. I componenti della stazione di video monitoraggio.
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La scelta del sito di
installazione della stazione di
video monitoraggio è di
notevole importanza. Tale
posizione deve permettere
alla
fotocamera
di
comprendere l’intera area di
studio
minimizzando
la
distanza tra la stazione e
l’area stessa in modo tale da
ottenere il massimo dettaglio
delle immagini.
Nel golfo del Tigullio la
posizione ottimale si è
trovata sul campanile della
chiesa di S. Giulia (Lavagna)
(fig.5).
Fig. 5. Il campanile della chiesa di S. Giulia (Lavagna).
La
stazione
di
video
monitoraggio è a circa 1 Km
dalla linea di riva ad una
quota di circa 180 m; in
questa
posizione
la
fotocamera è in grado di
monitorare l’area della fascia
costiera compresa tra Sestri
Levante e Chiavari per
un’ampiezza di circa 9 Km
(fig. 6).
Fig. 6. Il campo visivo totale della fotocamera installata.
I siti di interesse
Lungo l’area compresa tra Sestri Levante e Lavagna sono stati individuati 9 siti caratterizzati
dalla presenza di opere marittime quali moli e pennelli. La presenza di queste strutture rende
particolarmente interessante effettuare un monitoraggio costiero in questi punti per l’influenza
che queste opere hanno sull’idrodinamica generale dell’area (fig. 7 e fig. 8).
Fig 7. I siti di interesse dell’area di studio. L’immagine è composta automaticamente dal sistema dalla somma di tre
immagini distinte.
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P1
P5
P7
P9
Fig. 8. Alcuni dei 9 siti di interesse.
Variazione della linea di riva
Per una valutazione della variazione della linea di riva è necessario che le immagini siano
calibrate e rettificate (Holland et al, 1997).
Il processo di calibrazione di un’immagine comporta tutte quelle operazioni che vertono ad
informare il sistema riguardo alle grandezze nelle quali vogliamo che vengano espressi i risultati.
Come già accennato, il processo di rettificazione di un’immagine ribalta la stessa immagine su
un piano orizzontale in modo tale che le distanze possano essere misurate direttamente
sull’immagine.
Tale tecnica è effettuata tramite algoritmi specifici ed è necessario conoscere con estrema
precisione le coordinate geografiche di almeno due capisaldi all’interno dell’immagine stessa e
la quota della fotocamera dal livello del mare.
In prima approssimazione si può effettuare un processo di rettificazione di un’immagine tramite
uno “stiramento” della
stessa immagine lungo le
direzioni
X
e
Y
compatibilmente con la
geometria dell’immagine.
Gli oggetti che non sono
sul piano XY, ad es. in
questo caso gli edifici,
saranno distorti.
La figura 9 illustra il sito
P5.
L’immagine
è
ottenuta dalla media di 15
immagini registrate in 7
minuti; in questo modo la
posizione della linea di
riva ha una maggiore
accuratezza rispetto ad
un’immagine singola.
Fig. 9. Il sito P5. L’immagine è ottenuta dalla media di 15 immagini registrate in
7 minuti
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La figura 10 mostra un esempio di monitoraggio della linea di riva per un periodo di due mesi.
Per determinare la variazione della linea di riva si traccia quest’ultima sulle immagini; le
immagini vengono poi sovrimposte utilizzando gli edifici come punti di riferimento. Le
immagini ottenute dalla stessa angolazione possono essere allineate con immagini più vecchie
permettendo così un rapido confronto della linea di riva in periodi diversi. In questo modo si
ottiene una veloce valutazione qualitativa sull’andamento della linea di riva, identificando così la
sua tendenza all’arretramento o all’avanzamento. Per la valutazione quantitativa della variazione
della linea di riva, ovvero il valore in metri di tale variazione è necessario rettificare l’immagine.
a) 21 dicembre 2001
b) 16 gennaio 2002
c) 3 febbraio 2002
Fig. 10. Si può osservare la variazione della linea di riva durante un periodo di due mesi. La linea di riva è tracciata
sull’immagine a) insieme agli spigoli dell’edificio arancione. Tale traccia viene poi sovrimposta alle due immagini
successive b) e c) utilizzando come riferimento le tracce degli spigoli dell’edificio. Si può così osservare
rapidamente un avanzamento della linea di riva alla sinistra del pennello.
La figura 11 mostra l’immagine della figura 10 c) rettificata; in questo modo è possibile misurare
direttamente su questa immagine l’avanzamento in metri della linea di riva con un errore di circa
50 cm. Si può così osservare un avanzamento di circa 7 metri immediatamente a sinistra del
pennello e fino a 15 metri allontanandosi sempre alla sinistra del pennello. La figura 12 illustra
un altro esempio di variazione della linea di riva. In questo caso si considera il sito P1, il quale è
tra i più distanti dalla stazione di monitoraggio (circa 2 Km) e per questo motivo l’errore nella
determinazione della linea di riva è di circa 1 metro.
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Fig. 11. Immagine della fig. 10 c)
rettificata. La linea rossa indica la linea di
riva del 24 dicembre 2001. Tramite la
scala in metri è possibile misurare
l’avanzamento della linea di riva
direttamente sull’immagine.
N.B. Lo spessore della linea rossa è
alterato dal processo di rettificazione.
a) 21 dicembre 2001
b) 16 gennaio 2002
c) 4 febbraio 2002
Fig. 12. Un altro esempio di variazione della linea di riva (sito P1).
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Osservazioni della torbidità
Il sistema di video monitoraggio utilizzato ha permesso anche di osservare l’andamento dei
sedimenti in sospensione nelle immediate vicinanze della linea di riva. Si è potuto così
individuare le correnti di rip currents mettendo in evidenza che si generano in posizioni variabili
lungo il litorale (fig. 13).
a) 7 Luglio 2001 17:30
b) 7 Luglio 2001 19:30
Fig. 13. Andamento dei sedimenti in sospensione in un periodo di due ore. Si può osservare come le posizioni delle
rip currents non coincidano con i pennelli. Le immagini sono state filtrate sul canale rosso e “stirate” per ottenere
una migliore visibilità delle correnti di torbida.
La figura 14 illustra un altro esempio analogo al precedente, ma in questo caso le rip currents
sembrano coincidere con i pennelli. Queste caratteristiche suggeriscono diversi tipi di
circolazione litorale.
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a) 8 Luglio 2001 13:30
b) 8 Luglio 2001 15:00
c) 8 Luglio 2001 16:30
d) 8 Luglio 2001 18:00
Fig. 14. Andamento dei sedimenti in sospensione in un periodo di 4 ore e mezza. In questo caso le rip currents
coincidono con la posizione dei pennelli (a, b).
Discussione
Il sistema di video monitoraggio utilizzato nel golfo del Tigullio ha mostrato la sua efficacia sia
nella misura della variazione della linea di riva sia nella visualizzazione dei fenomeni di
trasporto e dispersione dei sedimenti nell’area costiera. I dati di dinamica costiera relativi
all’area del Tigullio, ottenuti con metodologie convenzionali, raccolti nello studio Corradi 2003
(stesso volume), hanno mostrato una sostanziale concordanza con quanto evidenziato dal
sistema di video monitoraggio. Infatti le misure in campo delle ampiezze delle spiagge,
presentano oscillazioni stagionali della linea di riva dello stesso ordine di quelle determinate
dalle immagini. Allo stesso modo, le analisi tessiturali dei sedimenti della spiaggia sommersa,
individuano la presenza di una dinamica costiera trasversale con rip currents come evidenziato
dalle immagini della torbidità. Il sistema ha prodotto una serie di dati per il periodo 2001-2002,
direttamente reperibili in rete all’indirizzo http://evs2.video-monitoring.com/enea/tigullio.htm e
sarà ancora attivo per tutto il 2003.
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Bibliografia
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of a sandy beach in response to sheltering by a nearshore mud bank, Cayenne, French
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Bezerra M.O., Diez M., Medeiros C., Rodriguez A., Bahia E., Sanchez-Arcilla A. and Redondo
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Applied Scientific Research 59 (2-3), 191-204.
Holland K.T., Holman R.A., Lippmann T.C., Stanley J. and Plant N., 1997 - Practical use of
video imagery in nearshore oceanographic field studies. IEEE Journal of Oceanic
Engineering 22 (1), 81-92.
Holman R.A., Sallenger A.H., Lippmann T.C. and Haines J.W., 1993 - The application of video
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Lippmann T.C. and Holman R.A., 1989 - Quantification of sand bar morphology: A video
technique based on wave dissipation. Journal of Geophysical Research 94 (C1), 995-1011.
Plant N.G. and Holman R.A., 1997 - Intertidal beach profile estimation using video images.
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Stockdon H.F., Sallenger A.H., List J.H. and Holman R.A., 2002 - Estimation of shoreline
position and change using airborne topographic Lidar Data. Journal of Coastal Research 18
(3), 502-513.
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