Stima del contenuto idrico del suolo con UAV

Le informazioni acquisite dagli Unmanned Aerial Vehicles (UAV) sono frequentemente utilizzate al giorno d’oggi in una varietà di discipline e campi di ricerca. Il presente studio esplora per la prima volta l’uso combinato degli UAV con una tecnica recentemente proposta per stimare la frazione evaporativa (EF) e l’umidità superficiale del suolo (SSM). L’indagine viene eseguita in un tipico ambiente mediterraneo, un campo di agrumi con topografia piatta divisa in due trame con diversi schemi di irrigazione, in Sicilia, Italia, a cui i dati a terra acquisiti durante una vasta campagna di campo nel luglio 2019. Sono state prodotte stime ragionevoli sia di EF che di umidità superficiale, con modelli in accordo con la frammentazione della copertura vegetale, la topografia e altre caratteristiche specifiche del sito. La convalida mostra un errore medio di 0,053 per EF e di 0,040 cm3 cm-3 per SSM. I risultati sono paragonabili o migliori a quelli riportati in studi analoghi eseguiti in aree simili. Questo implica che l’approccio studiato funziona bene nelle condizioni semi-aride che caratterizzano il set up sperimentale. A nostra conoscenza, questo studio rappresenta la prima valutazione dell’uso combinato del “triangolo semplificato” con immagini UAV ad alta risoluzione. Come tale, i risultati sono significativi per quanto riguarda il potenziale uso futuro dell’approccio “triangolo semplificato” in particolare con immagini a risoluzione molto fine come quelle fornite da UAV per la mappatura e il monitoraggio EF e SSM in ecosistemi agricoli e naturali.

Pubblicazione: Petropoulos, G.P., A. Maltese, T. N. Carlson, G. Provenzano, A. Pavlides, G. Ciraolo, D. Hristopulos, F. Capodici, C. Chalkias, G. Dardanelli, S. Manfreda, Exploring the use of UAVs with the simplified “triangle” technique for Soil Water Content and Evaporative Fraction retrievals in a Mediterranean setting, International Journal of Remote Sensing, VOL. 42, NO. 5, 1623–1642, (doi: 10.1080/01431161.2020.1841319) 2021. [pdf]

Monitoraggio del contenuto idrico

L’inerzia termica è stata applicata per mappare il contenuto di acqua del suolo sfruttando i dati di telerilevamento nelle regioni a onde corte e lunghe dello spettro elettromagnetico. Negli ultimi anni, le telecamere ottiche e termiche sono state sufficientemente miniaturizzate per essere caricate a bordo di sistemi aerei senza equipaggio (UAS), che forniscono un potenziale senza precedenti per derivare l’inerzia termica a risoluzione iperspaziale per la mappatura del contenuto di acqua del suolo. In questo studio, applichiamo una semplificazione dell’inerzia termica, l’inerzia termica apparente (ATI), sui pixel in cui le ipotesi di inerzia termica sottostante sono soddisfatte (suolo nudo non ombreggiato). Poi, un algoritmo di kriging è usato per spazializzare l’ATI per ottenere una mappa del contenuto di acqua del suolo. Il metodo proposto è stato applicato ad un’area sperimentale del bacino del fiume Alento, nell’Italia meridionale. Immagini ottiche multispettrali radiometriche diurne e termiche radiometriche diurne e notturne sono state acquisite tramite un UAS, mentre il contenuto idrico del suolo in situ è stato misurato tramite i metodi termo-gravimetrico e di riflettometria nel dominio del tempo (TDR). Il coefficiente di determinazione tra l’ATI e il contenuto d’acqua del suolo misurato su suolo nudo non ombreggiato è stato di 0,67 per il metodo gravimetrico e di 0,73 per il TDR. Dopo l’interpolazione, la correlazione è leggermente diminuita a causa dell’introduzione di misurazioni su posizioni vegetate o in ombra (r² = 0,59 per il metodo gravimetrico; r² = 0,65 per il TDR). Il metodo proposto mostra risultati promettenti per mappare il contenuto d’acqua del suolo anche su aree vegetate o in ombra sfruttando i dati a risoluzione iperspaziale e l’analisi geostatistica.

Pubblicazione: Paruta, A., P. Nasta, G. Ciraolo, F. Capodici, S. Manfreda, N. Romano, E. Bendor, Y. Zeng, A. Maltese, S. F. Dal Sasso and R. Zhuang, A geostatistical approach to map near-surface soil moisture through hyper-spatial resolution thermal inertia, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, (doi: 10.1109/TGRS.2020.3019200) 2020. [pdf]

Effetto del contenuto idrico del suolo antecedente per la definizione delle soglie di pioggia per l’innesco di frane

Eventi di frane poco profonde innescate dalla pioggia hanno causato perdite di vite umane e milioni di euro di danni alle proprietà in tutte le parti del mondo. La necessità di prevenire tali pericoli, combinata con la difficoltà di descrivere i processi geomorfologici su scale regionali, ha portato all’adozione di soglie empiriche di pioggia derivate da registrazioni di eventi piovosi che innescano frane. Queste soglie di intensità delle precipitazioni sono generalmente calcolate, assumendo che tutti gli eventi non siano influenzati dalle condizioni antecedenti di umidità del suolo. Tuttavia, ci si aspetta che le condizioni di umidità del suolo antecedenti possano fornire un supporto critico per la corretta definizione delle condizioni di innesco. Pertanto, abbiamo esplorato il ruolo dell’umidità del suolo antecedente sulle soglie critiche di intensità e durata delle precipitazioni per valutare la possibilità di modificare o migliorare gli approcci tradizionali. Lo studio è stato condotto utilizzando 326 eventi franosi verificatisi negli ultimi 18 anni nella regione Basilicata (Italia meridionale). Oltre ai dati ordinari (cioè l’intensità e la durata dei temporali), abbiamo anche derivato le condizioni di umidità del suolo antecedenti utilizzando un modello idrologico parsimonioso. Questi dati sono stati utilizzati per derivare le soglie di intensità delle precipitazioni condizionate dalla saturazione antecedente del suolo, quantificando l’impatto di tali parametri sulle soglie delle precipitazioni.