Caratterizzazione idrologica e morfologica dei bacini montani mediante scansione laser da aeromobile

The research analyzes the capability of airborne LiDAR-derived high resolution digital terrain models (DTMs) in the topographical characterization and morphological recognition in different areas of mountain basins, such as the main channel of streams, slopes and alluvial fans. The high resolution and accuracy of LiDAR-derived digital models allow the development of new kinds of qualitative and quantitative analysis in order to depict the morphology of these areas. A reliable morphological representation is a key step towards understanding of processes related to hydrology and sediment dynamic studies. Analysis were carried out in three different study areas. Moscardo torrent alluvial fan and Rio Cordon basin are located in eastern Italian Alps and Moulin basin in the experimental basins of Draix area in Alps of High Provence (France). The LiDAR dataset were acquired with sensors of different generations and with different flight specifications. In the Moulin basin, characterized by a badlands morphology with sharp divides and deep gullies with steep slopes, the research was focused on the development of a methodology to evaluate quality and vertical and horizontal accuracy of LiDAR data acquired in the 2007 spring. A valuable characteristic of LiDAR technology compared to traditional photogrammetric technique is the capability to derive high resolution digital models in vegetated areas from bare ground points. Nevertheless, the filtering process that allows generate ground points after removal of vegetation and man-made features requires great care. The need to accurately study the quality of LiDAR-derived DTMs before further applications derives from the demand of evaluating the filtering process effect on the real representation of the morphology. The developed methodology to evaluate LiDAR data quality consisted in an explorative analysis aimed at the quantification of two main parameters: LiDAR point density and data voids. The quality analysis were carried out on raw data and on two filtered datasets generated from a different choice of input parameter values of a filtering algorithm implemented in TerrascanTM software. To asses vertical and horizontal accuracy in the study area, a comparison between elevation values of LiDAR-derived digital models (TINs, DSMs and DTMs and 746 elevation values acquired through high precision topographic surveys using dGPS and total station was carried out. To evaluate the effect of morphology on the digital models accuracy, control points were collected in three different morphological conditions (flat areas, ridges and slopes). The main objective of the analysis on Moulin basin was to asses quality and accuracy of digital models derived from different point clouds generated by two different filtering processes and then characterized by a different spatial density. In the analysis carried out in the Moscardo torrent alluvial fan, attention was paid to the development and the application of morphometric indexes from the LiDAR DTM (2 m grid size). The aim was to discriminate areas where debris-flow deposits are present from those where deposits are absent, considering and differentiating the man-made structures influence on surface morphology. An important contribution to the understanding of the morphological setting of the study area was provided by the development of a index able to measure spatial variability at a scale of few meters (roughness index) together with the use of a plan curvature map at large scale. Plan curvature map emphasized linear features on alluvial fan, assisting in the detection of channels and ridges. Local variability, represented by the roughness index, was compared with a previous visual classification of the alluvial fan according to the presence of debris-flow deposits. LiDAR data analysis carried out in the Rio Cordon basin had two different objectives: the channel-bed morphology characterization on the main channel and the building of a sediment sources inventory map on the whole basin. The analysis along the Rio Cordon main channel was based on the calculation of two indexes of surface roughness, computed as elevation and slope variability at small scale along the channel, respectively. Then, the relationship between roughness index values and the channel-bed morphology (step pool, mixed and riffle pool reaches) was investigated. The analysis was carried out both at 1D scale, along the longitudinal channel profile, and at 2D scale, taking into account the whole extent of the channel bed. The inventory of sediment sources in the Rio Cordon basin was produced by using a combined approach of field survey and LiDAR-derived morphometric indexes interpretations. The present inventory of sediment source areas was then compared with a previous inventory date at 1994 produced with traditional instrumentations available at that time. Finally, this research has shown the potential of LiDAR-derived DTMs in the characterization of surface morphology in different areas of mountain basins.

La tesi analizza la capacità dei modelli digitali del terreno (DTM) ad alta risoluzione derivati da dati da scansione laser (LiDAR) da aeromobile nella caratterizzazione e nel riconoscimento della topografia e della morfologia in diversi ambiti dei bacini montani, quali gli alvei dei corsi d’acqua, i versanti ed i conoidi alluvionali. L’elevata accuratezza e l’alta risoluzione di tali modelli digitali consentono lo sviluppo di nuove analisi, sia di tipo qualitativo che quantitativo, per la descrizione morfologica di questi ambiti, passaggio fondamentale per lo studio e la comprensione dei processi relativi all’idrologia ed alla dinamica del sedimento. Le analisi sono state condotte in tre differenti aree di studio, due ubicate nelle Alpi orientali italiane (il conoide del torrente Moscardo ed il bacino del Rio Cordon) ed una nelle Alpi d’Alta Provenza in Francia (bacino del Moulin nell’area sperimentale di Draix). I tre dataset LiDAR sono stati acquisiti con sensori di diversa generazione e con differenti specifiche di volo. Nel bacino del Moulin, area caratterizzata da una morfologia a calanchi con solchi d’erosione profondamente incisi, l’indagine è stata focalizzata sullo sviluppo di una metodologia atta alla valutazione della qualità e dell’accuratezza verticale ed orizzontale dei dati da LiDAR aereo acquisiti nella primavera del 2007. La capacità di derivare modelli digitali del terreno ad alta risoluzione, a partire dai punti relativi al solo terreno, è certamente uno dei vantaggi di questa tecnologia rispetto alle tradizionali tecniche fotogrammetriche. Il processo di filtraggio, tramite il quale sono distinte le misure effettivamente rappresentative del terreno da quelle appartenenti alla vegetazione ed alle strutture antropiche, riveste, pertanto, notevole importanza. L’esigenza di analizzare la qualità dei modelli digitali del terreno derivati da dati LiDAR antecedentemente al loro utilizzo applicativo nasce dalla necessità di valutare l’effetto delle operazioni di filtraggio sull’effettiva rappresentazione della morfologia. La metodologia sviluppata per l’analisi di qualità dei dati LiDAR è consistita in un’indagine esplorativa del dato finalizzata alla quantificazione di due parametri principali: densità dei punti LiDAR e vuoti di informazione nei dati (data voids). L’analisi di qualità è stata condotta sui dati vettoriali della nuvola di punti grezzi (raw data) e di due differenti dataset filtrati derivati da una diversa scelta dei parametri di input di un algoritmo implementato in TerrascanTM. Per determinare l’accuratezza verticale ed orizzontale nell’area oggetto di studio, si è operato un confronto tra i valori di quota dei modelli digitali derivati dai dati LiDAR con i valori di quota corrispondenti di 746 punti di controllo, acquisiti mediante campagne di rilievo topografico ad alta precisione con GPS differenziale e stazione topografica. Al fine di valutare l’effetto della morfologia del terreno sull’accuratezza dei modelli digitali analizzati (TIN, DSM, DTM), sono stati utilizzati punti di controllo acquisiti in tre differenti condizioni morfologiche: cresta, versante e zone piane. Il principale obiettivo dell’analisi è stato quello di valutare la qualità e l’accuratezza dei modelli digitali del terreno derivati a partire da due nuvole di punti originate da due diversi filtraggi e caratterizzati, quindi, da differente densità spaziale del dato di partenza. Nelle analisi effettuate sul conoide del Torrente Moscardo l’attenzione si è concentrata sullo sviluppo e sull’applicazione di indicatori di tipo morfometrico a partire dal DTM LiDAR (2 m di risoluzione) per discriminare le aree con presenza di depositi di colate detritiche da quelle in cui questi non sono presenti considerando e distinguendo, inoltre, l’influenza delle strutture antropiche (strade, edifici, etc) sulla morfologia superficiale. La derivazione di un indicatore di tipo distribuito in grado di misurare la variabilità locale delle quote ad una scala d’indagine metrica, denominato indice di scabrezza, unitamente alla derivazione di una carta della curvatura planare a larga scala in grado di evidenziare le direzioni di deflusso ed, in generale, tutte le forme lineari, come vecchi argini e canali di colata, ha fornito un importante contributo alla comprensione della morfologia dell’area di studio. La variabilità locale, rappresentata dall’indice di scabrezza, è stata confrontata con una classificazione della superficie del conoide, effettuata precedentemente tramite osservazioni di terreno. Le analisi sui dati LiDAR nel bacino del Rio Cordon hanno avuto due diversi obiettivi: la caratterizzazione della morfologia d’alveo del corso d’acqua principale e la compilazione di un inventario delle aree sorgenti di sedimento nell’intero bacino idrografico. L’analisi lungo il corso d’acqua principale si è basata sul calcolo di due indici di scabrezza topografica, utilizzati per misurare, rispettivamente, la variabilità di quote e pendenze a piccola scala lungo il DTM del canale. Sono state, quindi, analizzate le relazioni tra i valori degli indici di scabrezza e la morfologia del canale principale del Rio Cordon. Il canale principale del Rio Cordon è stato analizzato sia a scala monodimensionale, prendendo in esame la morfologia lungo il thalweg, sia a scala bidimensionale, considerando anche lo sviluppo trasversale del corso d’acqua. L’analisi delle aree sorgenti di sedimento nel bacino del Rio Cordon è stata condotta mediante un approccio combinato di rilievi di campo ed di interpretazione di indici morfometrici derivati dai dati LiDAR. L’inventario delle aree sorgenti così ottenuto è stato poi confrontato con un inventario risalente al 1994 effettuato con la strumentazione tradizionale disponibile all’epoca. Nel complesso, le analisi condotte in questa tesi hanno dimostrato l’elevata potenzialità dei DTM ad alta risoluzione derivati da rilievi LiDAR nella caratterizzazione morfologica ed idrologica in diversi ambiti dei bacini montani.