Siccità prolungate, ondate di calore sempre più intense, precipitazioni concentrate in brevi episodi violenti. In un clima che cambia rapidamente, anche la disponibilità della risorsa idrica sta diventando sempre più instabile, difficile da prevedere e da gestire. A mutare non sono solo le quantità d’acqua disponibili, ma anche le dinamiche temporali e spaziali con cui questa risorsa si distribuisce sul territorio. In un contesto simile, invasi artificiali e laghi naturali si trasformano in indicatori cruciali delle crisi idriche in atto e, al contempo, in elementi strategici per pianificare risposte efficaci.
In questo scenario, l’osservazione satellitare offre un’opportunità preziosa: mappare l’estensione dei corpi idrici con continuità, precisione e rapidità. Uno strumento che, se sviluppato come servizio operativo, può rappresentare un punto di svolta per la gestione della risorsa idrica, la pianificazione agricola e il supporto alle decisioni in caso di emergenze. È con questa visione che l’Ambito Osservazione della Terra di Fondazione CIMA sta sviluppando un servizio automatico e integrato per il monitoraggio da satellite dell’estensione dei corpi idrici in Italia, attivo tutto l’anno e aggiornato ogni cinque giorni (salvo copertura nuvolosa).
Un servizio automatico e continuo: dai dati ottici al radar
L’architettura del servizio si basa attualmente su dati ottici forniti dal satellite Sentinel-2 del programma Copernicus, che offre immagini ad alta risoluzione spaziale (10m) e una frequenza di rivisita ogni cinque giorni. Il sistema è progettato per funzionare in modalità completamente automatica, con la generazione di mappe aggiornate dell’estensione dei corpi idrici, in linea con le esigenze di Protezione Civile, autorità regionali e gestori idrici. A lungo termine, l’obiettivo è estendere la copertura a tutti i corpi d’acqua di estensione superiore ai 4 ettari su scala nazionale.
Una descrizione del servizio in questione può essere trovata nel seguente lavoro: L. Cenci, G. Squicciarino, L. Pulvirenti, S. Puca and A. Duro, “Validation of a Prototype Monitoring System of Water Bodies Extent for Civil Protection Applications,” IGARSS 2024 – 2024 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Athens, Greece, 2024, pp. 3765-3769, 10.1109/IGARSS53475.2024.10641198.
«Il nostro obiettivo è creare uno strumento che possa essere davvero operativo, e non solo sperimentale», spiega Luca Pulvirenti, referente dell’Ambito Osservazione della Terra di Fondazione CIMA. «Significa garantire continuità, qualità e accessibilità del dato, in modo che le informazioni generate possano essere immediatamente utili nei processi decisionali».
Ma la vera forza del servizio risiede nella sua evoluzione: l’integrazione con i dati forniti da radar ad apertura sintetica (SAR), in particolare quelli provenienti da Sentinel-1 e dalla costellazione COSMO-SkyMed (CSK), che permettono di superare i limiti dei sensori ottici in presenza di copertura nuvolosa. Le mappe derivate da COSMO-SkyMed raggiungono una risoluzione spaziale ancora più elevata, dell’ordine dei 5 m, rendendo possibile il monitoraggio accurato anche di laghi di piccole dimensioni.
Validazioni, confronto sensori e robustezza scientifica: i primi risultati
L’affidabilità del sistema è stata verificata attraverso test su diversi bacini pilota in Sardegna, Sicilia e Basilicata. In Sardegna, sono stati monitorati più di quindici invasi di dimensioni e morfologie differenti, tra cui Gusana, Monte Lerno, Sos Canales, Maccheronis, Olai, Bau Muggeris, Cedrino, Monte Arbus, Punta Gennarta e altri. Le mappe derivate da Sentinel-2 sono state confrontate con i dati volumetrici ufficiali, mostrando un’elevata coerenza nei valori e confermando l’affidabilità del metodo.
In Sicilia, il sistema è stato applicato al lago Fanaco, bacino che serve numerosi comuni del centro dell’isola, tra cui Canicattì, Mussomeli, Sutera, Cammarata e Delia. L’analisi è stata condotta su una lunga serie temporale: 165 immagini COSMO-SkyMed acquisite tra marzo 2010 e settembre 2024, in media una al mese. Questo ha permesso di analizzare in dettaglio le variazioni stagionali e interannuali, con una valutazione delle anomalie idriche tramite una modalità rolling, confrontando ciascun mese con lo stesso periodo degli anni precedenti (escludendo l’anno corrente).
Anche in Basilicata, l’analisi ha fornito risultati solidi. Il lago San Giuliano è stato oggetto di validazione su base giornaliera e mensile nel periodo compreso tra luglio 2019 e giugno 2023. È qui che è stato condotto il primo esperimento di confronto sistematico tra i dati derivati da Sentinel-1 (radar) e Sentinel-2 (ottico). Le due serie temporali hanno mostrato un’ottima concordanza, confermando la validità dell’approccio integrato.
«L’integrazione tra dati ottici e radar ci consente di superare i limiti dei singoli sensori», racconta Pulvirenti. «I dati ottici sono sensibili alla copertura nuvolosa, mentre i radar possono essere sensibili al vento sulla superficie dell’acqua e sono affetti da rumore (speckle). Ma insieme, i due approcci si completano, migliorando la robustezza complessiva del sistema».
Il metodo radar si basa su tecniche derivate dalla mappatura operativa delle aree allagate, adattate al contesto della gestione idrica.
Estate 2024: stress idrico e prove sul campo
Il sistema è stato testato su un caso concreto e recente: l’estate 2024. In molte aree del Sud Italia, i mesi caldi sono stati segnati da gravi anomalie nei livelli di riempimento degli invasi, con implicazioni dirette sull’approvvigionamento idrico e sull’uso agricolo della risorsa. In Sicilia, ad esempio, particolare attenzione è stata rivolta ai bacini che alimentano la rete di Palermo, mentre in Basilicata i dati del lago San Giuliano hanno fornito un quadro aggiornato e dettagliato dell’evoluzione delle condizioni idriche.
«Monitorare dinamiche rapide è fondamentale per agire tempestivamente», sottolinea Pulvirenti. «Con dati aggiornati ogni cinque giorni e una risoluzione di pochi metri, possiamo intercettare segnali di criticità e fornire un supporto concreto alla gestione operativa».
Dalla ricerca al supporto operativo
L’esperienza maturata da Fondazione CIMA mostra come sia possibile trasformare la ricerca scientifica in un servizio concreto, a supporto della gestione delle risorse idriche e della prevenzione del rischio in un clima che cambia. Le tecnologie satellitari non sono più strumenti riservati all’osservazione specialistica: diventano alleate delle istituzioni e dei territori, fornendo conoscenza tempestiva, approfondita e scalabile.
Questi risultati e prospettive sono stati presentati da Luca Pulvirenti al workshop organizzato dall’Agenzia Spaziale Italiana “Tecnologie satellitari e analisi multi-rischio: l’esperienza dei progetti I4DP_SCIENCE e prospettive future”, tenutosi a Roma e dedicato al ruolo dell’osservazione satellitare per la gestione integrata dei rischi. Un’occasione per mostrare come la scienza possa essere uno strumento di consapevolezza e di azione.
Un approccio complementare: il monitoraggio continuo delle alluvioni
Parallelamente al lavoro sul monitoraggio dei corpi idrici, l’ambito di ricerca di Fondazione CIMA ha recentemente sviluppato una metodologia per il monitoraggio continuo delle inondazioni in near real-time, basata su dati radar SAR acquisiti su richiesta anche con geometrie diverse.
Il cuore della metodologia è un algoritmo automatico, denominato AUTOWADE2.0, progettato per elaborare immagini acquisite con parametri orbitali differenti. AUTOWADE2.0 combina diversi approcci, tra cui tecniche di classificazione non supervisionate (come Isodata), modelli elettromagnetici di ritorno radar (Small Perturbation Method, Oh), algoritmi di sogliatura automatica (Otsu) e tecniche di segmentazione che tengono conto del contesto spaziale (region growing), con un processo che consente di identificare le superfici d’acqua anche in condizioni complesse.
Il sistema è stato validato durante le alluvioni che hanno colpito l’Emilia-Romagna (maggio 2023) e la Toscana (novembre 2023), dimostrando prestazioni affidabili anche in condizioni operative complesse. Questo approccio rappresenta un complemento fondamentale al servizio di mappatura dei corpi idrici, rafforzando la capacità di risposta e monitoraggio in scenari di emergenza idrica improvvisa.
I risultati di questa attività sono stati recentemente pubblicati nell’articolo scientifico “Continuous flood monitoring using on-demand SAR data acquired with different geometries“, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2025, https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2025.04.036).
Presentazione delle ultime novità all’ESA Living Planet Symposium 2025
Le ultime evoluzioni dei lavori precedentemente descritti verranno presentate all’ESA Living Planet Symposium 2025, che si terrà a Vienna (Austria) tra il 23 e il 27 Giugno 2025. In quell’occasione, i risultati dei seguenti lavori verranno mostrati alla comunità scientifica:
- Presenting of an EO-based Service for Hydrological Drought Monitoring, risultante da una collaborazione tra Fondazione CIMA, il Dipartimento di Protezione Civile Italiano e la Regione Autonoma Sardegna.
- A method for continuous satellite-based flood mapping using on-demand SAR data, basata sull’articolo di ISPRS,erisultante da una collaborazione tra Fondazione CIMA, il Dipartimento di Protezione Civile Italiano e e-GEOS.
Durante la conferenza verranno presentati anche i risultati di altre attività afferenti alle attività dell’ambito di Osservazioni della Terra sempre relative al monitoraggio di fenomeni naturali associati alle conseguenze del cambiamento climatico:
- Satellite-Based Combined Analysis of Water Bodies and Vegetation Dynamics Under Dry Conditions, risultante da una collaborazione tra Fondazione CIMA e l’Università di Roma La Sapienza.
- Characterizing spatially explicit urban heat risk from Earth Observation data to drive urban renovations, risultante da una collaborazione tra Fondazione CIMA e l’Università di Genova.