Monitoraggio e studio della distribuzione delle macro-plastiche nel fiume PO

Plastic represents currently one of the main sources of environmental pollution. It is particularly widespread in the sea and constitutes an emerging environmental risk affecting human health, livelihoods and ecosystems. Almost all plastic reaches the sea through rivers, in the form of floating rafts consisting of vegetation mixed with plastic materials, but the monitoring techniques currently available do not allow an effective and reliable quantification of these flows. Therefore, the possibility of monitoring and quantifying these flows of plastic materials along rivers through the use of satellite data represents a potential improvement of particular interest. The capability of satellite data on recognizing plastic material in this kind of environment is currently minimally explored. For this reason, the present thesis focuses on explore the sensitivity of Sentinel 2 for detecting floating plastic materials. A model was developed to classify and identify floating plastic materials in rivers which, following a case-specific calibration, was applied to the Po River channel. The first part of the thesis involved the installation in a former quarry located near the River Po of two experimental floating rafts consisting of plastic only and plastic mixed with vegetation, respectively, with known position, size and composition, in order to to monitor their spectral signatures and verify their detectability through Sentinel 2 images. The results show that the 08 band (corresponding to near infrared) is able to effectively discriminate the two rafts from the water, also giving greater intensity to the raft containing plastic and vegetation in comparison to the raft composed exclusively of plastic. The second part of the work focused on the development of an anomaly detector on Sentinel 2 band 08 to be applied inside a wet channel. The anomalies are studied through the application of three normalized indices using the band 08: NIR anomaly index, NDVI and NDWI. In order to calibrate the model aimed at searching for floating rafts made of plastic and / or vegetation in the wet channel of the Po River, it was necessary to identify ground truths. Specifically, four relatively stable vegetation rafts placed close to the piles of bridges were considered. Based on the results obtained during model calibration through the four ground truths, the NDWI (Normalized Difference Water Index) was found to be the most effective and accurate of the three indices tested in this application for identifying floating material. The detector based on NDWI was then applied to the Po River channel on four different dates characterized by flood conditions, during which the presence of some anomalies was determined (corresponding to rafts of plastic and / or vegetation) mainly located close to bridge piers. Conversely, the number of anomalies located inside the channel and interpretable as rafts moving along the watercourse was extremely small, leading us to conclude that the Po River carries a relatively limited number of floating rafts. Finally, it would be necessary to check the anomalies found on the ground and possibly an in situ search for any undetected rafts to make the detector developed in this experiment more robust.

La plastica rappresenta attualmente una delle principali fonti di inquinamento ambientale. Essa risulta particolarmente diffusa nei mari e costituisce un rischio ambientale emergente che colpisce la salute umana, i mezzi di sussistenza e gli ecosistemi. Quasi tutta la plastica arriva in mare attraverso i fiumi sotto forma di zattere flottanti costituite da vegetazione mista a materiali plastici, ma le tecniche di monitoraggio attualmente disponibili non permettono una quantificazione efficace ed affidabile di tali flussi. Risulta quindi di particolare interesse la possibilità di un monitoraggio e quantificazione di tali flussi di materiale plastico lungo i corsi d’acqua attraverso l’utilizzo di dati satellitari, la cui capacità di misurazione in questo ambito rimane attualmente minimamente esplorata. Per questo motivo, il presente lavoro di tesi si è concentrato sulla verifica della sensibilità del satellite Sentinel 2 nel rilevare materiali plastici flottanti. A tal fine è stato sviluppato un modello per classificare e identificare i materiali plastici flottanti nei fiumi che a seguito di una calibrazione caso-specifica è stato applicato all’asta del Fiume Po. La prima parte del lavoro di tesi ha previsto l’installazione all’interno di una ex cava situata in prossimità del Fiume Po di due zattere galleggianti sperimentali costituite rispettivamente da sola plastica e plastica mista a vegetazione aventi posizione, dimensioni e composizione note, al fine di monitorarne le firme spettrali e verificarne la rilevabilità tramite immagini Sentinel 2. I risultati mostrano che la banda 08 (corrispondente all’infrarosso vicino) riesce a discriminare efficacemente le due zattere dall'acqua, conferendo inoltre maggiore intensità alla zattera contenente plastica e vegetazione. La seconda parte del lavoro si è invece focalizzata sullo sviluppo di un detector di anomalie sulla banda 08 di Sentinel 2 da applicare all’interno di un canale bagnato. Le anomalie vengono studiate attraverso l’applicazione di tre indici normalizzati che utilizzano la banda 08: Indice di anomalia del NIR, NDVI e NDWI. Per poter tarare il modello finalizzato alla ricerca di zattere flottanti costituite da plastica e/o vegetazione nel canale bagnato del Fiume Po, si è reso necessario identificare delle verità a terra. Nello specifico, sono state considerate quattro zattere di vegetazione relativamente stabili collocate a ridosso di pile di ponti. Sulla base dei risultati ottenuti durante la calibrazione del modello attraverso le quattro verità a terra, l’indice NDWI (Normalized Difference Water Index) è risultato essere il più efficace e preciso fra i tre indici testati nell’individuazione di materiale flottante. Si è quindi proceduto all’applicazione del detector basato su tale indice all’asta del Fiume Po in quattro differenti date caratterizzate da condizioni di piena nel corso d’acqua, durante le quali è stata determinata la presenza di alcune anomalie (corrispondenti a zattere di plastica e/o vegetazione) localizzate soprattutto a ridosso delle pile dei ponti. Viceversa, il numero di anomalie collocate all’interno del canale e interpretabili come zattere in movimento lungo il corso d’acqua risulta essere estremamente ridotto, portandoci a concludere che il Fiume Po trasporti un numero relativamente limitato di zattere flottanti. Sarebbe infine necessaria la verifica a terra delle anomalie trovate ed eventualmente una ricerca in situ di eventuali zattere non individuate per rendere più robusto il detector sviluppato in questa sperimentazione.