Diachronic analysis of land cover using open satellite images

Abstract

The study of land cover and land use dynamics is fundamental to understand causes and effects of the radical changes that human activity is causing locally and globally and to analyse the continuous metamorphosis of the landscape. In the European context, the Copernicus Programme offers several land monitoring tools to users and decision makers, however these are often technically limited complicating analysis, assessment and planning activities. The first objective of this research examines limits and potential of land cover and land use products available for the Italian territory highlighting significant heterogeneity in terms of formats, spatial resolution, classification systems, reference years and updating frequency. A land cover map was produced integrating the main data analysed, referring to 2012. This study allowed to define the criteria to develop and implement a land cover mapping methodology through the classification of Copernicus Sentinel-1 and Sentinel-2 satellite data. The goal is creating an algorithm which could rapidly process large amounts of data, obtaining products on a national scale with high spatial resolution and update frequency. The methodology is based on defining decision rules and is designed to be versatile and economically sustainable. Great attention was paid to compatibility with the main activities planned in near future at national and European level. In this sense, a land cover classification system consistent with the European specifications of the EAGLE group has been adopted. The organization of classes follows a modular approach, fully compatible with classification systems of main national and European data. This activity allowed to produce a land cover map for 2018 and the change detection related to forest disturbances and land consumption for 2017-2018. The products have geometric, temporal and thematic characteristics in line with requirements set out in the Space Economy Strategic Plan of the Italian Ministry of Economic Development and with CORINE Land Cover Plus (CLC+). The land cover classification methodology was published in “Land” journal while the change detection methodology was the theme of two publications in “Journal of Maps” and “Remote Sensing” journal. The content of the three publications is taken up and deepened in this thesis. The rapid and continuous expansion of urban surfaces, often improperly planned and unjustified by population growth, leads to serious environmental, economic and social consequences. Particular attention was therefore paid to transformations related to urbanization phenomena which were studied analysing a set of indicators. In detail, the phenomenon of land consumption was analysed with reference to the new classification system introduced by ISPRA and with respect to elevation, slope, the presence of EUAP protected areas and the distance from the coastline. The analysis on land consumption in coastal area have been published in the “Environmental Engineering and Management Journal”. A second level of analysis focused on fragmentation induced on natural areas by land consumption and on the description of spatial evolution of the main Italian metropolitan areas. The study highlighted the presence of strong pressures in coastal area, in plains and close to large metropolitan areas and infrastructures, while the protection regime that applies to EUAP areas is proving effective. The phenomenon of urban sprawl remains, due to the low-density expansion of cities in peripheral areas. Two United Nations Sustainable Development Indicators (SDGs) were also tested to assess land degradation at a national scale and the correlation between urban growth and population in the main Italian cities. Given the strategic importance of the SDG indicators for environmental monitoring in near future, the estimation of indicators was accompanied by an analysis of how the indicators and their interpretation are affected by the characteristics of input data. The analysis on land consumption and related phenomena were used in several editions of the ISPRA reports “Land Consumption, territorial dynamics and ecosystem services”, “Environmental Data Yearbook” and “Report on Urban Environment Quality”.

Lo studio delle dinamiche che caratterizzano l’evoluzione di uso e copertura del suolo è fondamentale per analizzare la continua metamorfosi del paesaggio e comprendere i radicali cambiamenti che l'attività antropica sta provocando sul territorio. In ambito europeo, il Programma Copernicus mette gratuitamente a disposizione degli utenti un ampia gamma di dati e strumenti per il monitoraggio del territorio, che però spesso presentano dei limiti dal punto di vista tecnico che incidono sull’efficacia delle attività di analisi, valutazione e pianificazione che vi si basano. In questo senso, il primo obiettivo della ricerca attiene all’analisi di limiti e potenzialità dei principali strumenti di monitoraggio della copertura e dell’uso del suolo disponibili per il territorio nazionale. L’analisi ha riguardato i dati europei messi a disposizione dal Programma Copernicus e i dati disponibili a livello nazionale, primo tra tutti la Carta Nazionale del Consumo di Suolo, e ha evidenziato una notevole eterogeneità tra i dati, in termini di formati, risoluzione spaziale, sistemi di classificazione, anno di riferimento e frequenza di aggiornamento. A partire dall’integrazione dei principali dati analizzati, è stato possibile produrre una mappa di copertura del suolo relativa al 2012, ossia l’anno al quale è riferita la maggioranza dei dati considerati. Lo studio ha costituito una base per la definizione dei criteri secondo i quali sviluppare una metodologia di classificazione della copertura del suolo a partire da dati gratuiti Copernicus, con riferimento alle immagini multispettrali Sentinel-2 e ai dati radar Sentinel-1. L’obiettivo è stato la creazione di un algoritmo in grado di processare rapidamente una grande mole di dati ottenendo prodotti a scala nazionale con alta risoluzione spaziale e elevata frequenza di aggiornamento. La metodologia è basata sulla definizione di regole decisionali ed è concepita per risultare versatile e economicamente sostenibile. Grande attenzione è stata rivolta alla compatibilità con le principali attività previste per il prossimo futuro a livello nazionale e europeo nel campo del monitoraggio ambientale: In questo senso è stato definito un sistema di classificazione in linea con le indicazione europee del Gruppo EAGLE, al quale si è fatto riferimento per la realizzazione di tutti i prodotti cartografici ottenuti durante l’attività di ricerca. L’organizzazione delle classi segue un approccio gerarchico e modulare, compatibile con i sistemi di classificazione dei principali dati nazionali e europei. Questa attività ha permesso di produrre una mappa di copertura del suolo per il 2018 e la mappatura dei cambiamenti legati a disturbi forestali e consumo di suolo per il periodo 2017-2018. I prodotti hanno risoluzione geometrica e caratteristiche temporali e tematiche in linea con i requisiti definiti dal Piano Strategico Space Economy del Ministero dello Sviluppo Economico e con il CORINE Land Cover di seconda generazione (CLC Plus). La metodologia di classificazione della land cover è stata pubblicata sulla rivista “Land”, mentre la metodologia di change detection è stata oggetto di due pubblicazioni sulla rivista “Journal of maps” e su “Remote Sensing”. La rapida e continua espansione delle aree urbane, spesso pianificate in modo inproprio e non giustificato dalla crescita demografica, comporta numerose conseguenze ambientali, economiche e sociali. In questo senso, particolare attenzione è stata rivolta al tema delle trasformazioni connesse con l’urbanizzazione, che è stato approfondito attraverso la definizione e l’analisi di un set di indicatori. In dettaglio, è stato analizzato in primo luogo il fenomeno del consumo di suolo, con riferimento al nuovo sistema di classificazione introdotto da ISPRA, rispetto all’intero territorio nazionale e al variare di elevazione, pendenza, presenza di aree protette e distanza dalla costa. In particolare lo studio del consumo di suolo in fascia costiera è stato pubblicato sulla rivista “Environmental Engineering and Management Journal”. Un secondo livello di analisi ha riguardato la frammentazione delle aree naturali indotta dall’aumento di consumo di suolo e la descrizione dell’evoluzione spaziale delle principali aree metropolitane italiane tra il 2012 e il 2019. Lo studio ha messo in evidenza la presenza di forti pressioni esercitate dall’urbanizzazione nelle aree costiere, nelle aree di pianura e nei pressi delle principali infrastrutture e aree metropolitane, mentre il regime di protezione appicato alle aree EUAP risulta efficace. Evidente è il permanere del fenomeno dello sprawl urbano, legato all’urbanizzazione a bassa densità delle aree periferiche delle grandi città. Sono stati infine testati due indicatori afferenti agli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite (SDGs), riferiti alla valutazione del degrado del suolo a scala nazionale (SDG 15.3.1) e alla correlazione tra crescita urbana e crescita demografica nelle principali città italiane (SDG 11.3.1). Data la grande importanza strategica degli indicatori SDG per il monitoraggio ambientale nel prossimo futuro, all’applicazione e interpretazione degli indicatori è stata affiancata un’analisi in merito all’influenza che l’impiego di diversi dati di input esercita sul risultato. Le analisi inerenti il consumo di suolo e i fenomeni corerelati sono stati inseriti in diverse versioni dei rapporti ISPRA “Consumo di suolo, dinamiche territoriali e servizi ecosistemici”, “Annuario dei dati ambientali” e “Rapporto sulla qualità dell’ambiente urbano”.