Fondazione CIMA partecipa a diversi progetti, in particolare quelli finanziati da ESA, dedicati allo sviluppo di un “gemello digitale” per il ciclo idrologico, ossia in grado di rappresentare il ciclo dell’acqua ad ampia scala. Con Simone Gabellani, referente dell’ambito Idrologia e Idraulica, approfondiamo il tema dei Digital Twin in questo campo, con un focus sul ruolo dei satelliti
Una copia virtuale del nostro mondo, o almeno di alcuni suoi aspetti: di un bacino fluviale, per esempio, sul quale simulare diversi scenari, progettare interventi, analizzare dati. È il principio alla base dei Digital Twin, tecnologie che oggi attirano sempre più l’attenzione di diversi campi del mondo scientifico per le loro potenziali applicazioni, che vanno dalla gestione e progettazione urbanistica alla medicina. Fino all’idrologia: proprio ai Digital Twin era infatti dedicato il progetto DTE Hydrology Evolution, che ha visto Fondazione CIMA tra i partner e che si è recentemente concluso. Ed è anche tenendo in considerazione l’importanza sempre maggiore di questi strumenti che Fondazione CIMA ha sviluppato il suo programma strategico Technological Development in the Digital-Twin Era.
Come si opera in questo campo? Quali le difficoltà attuali, quali le prospettive future? Ne parliamo con Simone Gabellani, referente dell’ambito Idrologia e Idraulica di Fondazione CIMA.
Lo sguardo satellitare
«Come Fondazione CIMA, abbiamo partecipato o stiamo partecipando a diversi progetti, finanziati dall’ESA, che lavorano nel campo dei Digital Twin: si tratta di DTE Hydrology, e delle sue ideali continuazioni DTE Hydrology Evolution e 4DMED Hydrology, accomunati dall’obiettivo di sfruttare sempre più e sempre meglio i dati satellitari per ricostruire i processi idrologici e gli impatti a terra dei loro estremi», spiega Gabellani.
Come avevamo già avuto modo di spiegare, infatti, proprio i satelliti possono fornire un supporto fondamentale per colmare le lacune dei sensori in situ, che non sempre possono raggiungere ogni luogo del pianeta (si pensi alle aree più remote o impervie) e, comunque, forniscono dati puntuali e limitati nello spazio. Consideriamo, per esempio, i dati riguardanti la precipitazione, una delle variabili che più influenzano i fenomeni idrologici: in Italia, la strumentazione a terra può essere considerata di dettaglio, perché conta su circa 4.000 pluviometri e 23 radar; tuttavia, non sempre è sufficiente a catturare la reale dinamica del processo. Questo perché la pioggia ha un’elevata variabilità nello spazio e nel tempo: “fotografare” il dato in un certo punto non significa, dunque, essere certi di riportarlo correttamente per le aree circostanti.
In questo senso, avere una visione coerente dello spazio, come quella che offrono i satelliti, diventa fondamentale anche per i territori più ricchi di strumentazione in situ. Ecco il perché, dunque, della volontà di esplorare le potenzialità dei satelliti. L’obiettivo finale del filone di progetti ESA è ambizioso: sviluppare un Digital Twin Earth (DTE) che, integrando i dati provenienti da diverse fonti, permetta di riprodurre le dinamiche dei diversi fenomeni geofisici terrestri.
Big Data, ICT e intelligenza artificiale
In generale, infatti, la ricerca scientifica ha ormai evidenziato l’importanza di riuscire a fondere e integrare i dati provenienti da fonti differenti, così da avere un quadro il più completo possibile del fenomeno che si sta studiando, anche se molto complesso, ad ampia scala o, come nel caso del DTE, se raccoglie molti fenomeni e dinamiche tra loro diverse. «Nel caso del ciclo idrologico, per esempio, possiamo dire che con i sensori al suolo abbiamo informazioni precise su un punto ma difficili poi da “spazializzare”, riportare su un’area più vasta; viceversa, il dato satellitare può riportare una stima più incerta ma disponibile su aree molto più estese », spiega ancora il ricercatore.
C’è poi un’altra questione: come rappresentare – e usare – tali dati? I modelli fisici, usati tradizionalmente, sono in grado di riprodurre le diverse componenti di un fenomeno, ma si basano su equazioni che possono essere approssimate e pertanto rappresentano una semplificazione della realtà. È qui che s’inserisce il Digital Twin, che sfruttano nuovi algoritmi di IA che riducono l’incertezza e correggono la simulazione dei processi, grazie all’enorme quantità di dati a oggi disponibile.
«Quello del Digital Twin Earth, pur non avendo una definizione univoca e condivisa, rappresenta un paradigma nato dalle necessità della stessa comunità scientifica», spiega Gabellani. «L’idea è potenziare le conoscenze, gli sviluppi e soprattutto la modellazione dei fenomeni geofisici (intesi come tutti i processi d’interazione della dinamica terrestre) sfruttando le tecnologie ICT e d’intelligenza artificiale per sfruttare la mole di dati, convenzionali e non, che ormai abbiamo a disposizione».
«Ciò permetterebbe di migliorare la rappresentazione di diversi processi idrologici: per esempio, stiamo osservando che alcuni nuovi algoritmi di interpolazione dei dati a terra riescono a rappresentare bene la distribuzione spaziale di variabili come l’evapotraspirazione (la quantità d’acqua che traspira dalle piante o evapora dal terreno), in un modo che modellistica e tecniche classiche non riescono a rappresentare. L’IA permette infatti di lavorare non solo con equazioni fisiche ma, appunto, di estrarre la probabile dinamica dei processi sulla base di un “allenamento” su situazioni passate».
Attività antropiche e altre sfide
A che punto siamo, allora, nello sviluppo di questi strumenti? Naturalmente, si parla di tecnologie ancora in divenire – ma i cui primi risultati sembrano promettenti. Il recentemente concluso progetto DTE Hydrology Evolution, per esempio, ha portato allo sviluppo di un primo prototipo di Digital Twin idrologico a vasta scala, perché copre l’intero bacino del Mediterraneo. Si tratta di un prototipo, questo sì, ma che già permette diverse operazioni di esplorazione dei dati e dei risultati modellistici grazie alla piattaforma ADAMPlatform, messa a punto ad hoc.
In generale, l’interesse scientifico nel campo del Digital Twin Earth è al momento altissimo: i già citati progetti ESA, cui partecipa anche Fondazione CIMA, rappresentano infatti un contributo all’iniziativa della Commissione europea Destination Earth (DestinE), che mira a sviluppare un Digital Twin a scala globale per replicare i fenomeni naturali e l’interazione con le attività umane. Quest’ultimo aspetto è tutt’altro che banale: nell’era dell’Antropocene, infatti, molti fenomeni naturali – non da ultimo il ciclo idrologico – subiscono l’influenza delle nostre attività, delle quali non è quindi più possibile non tenere conto.
«Tenere in considerazione le attività antropiche rappresenta una delle principali sfide in questo tipo di studi. Nel caso del ciclo dell’acqua e nell’ambito dei progetti ESA, per esempio, si sta cercando di valutare, tramite i satelliti, i dati riguardanti le irrigazioni agricole», continua Gabellani. «Un altro fronte di studio oggi molto importante riguarda la stima delle portate fluviali da satellite – è una sfida, perché è molto difficile, oggi, capire dai dati satellitari quanta acqua sta scorrendo in un fiume in un dato momento. Nell’ambito di DTE Hydrology, per esempio, alcuni partner di progetto si erano focalizzati proprio su questo obiettivo, ottenendo buoni risultati per il bacino del Po, sul quale noi avevamo lavorato per altri variabili, tra cui precipitazione, altezza del manto nevoso ed evapotraspirazione».