Le Metriche del Paesaggio come Strumento di Analisi del Territorio, di Adelchi Acampora, Aurelia...

Le Metriche del Paesaggio come Strumento di Analisi del Territorio Adelchi Acampora, Aurelia Sole, Maria Teresa Carone, Tiziana Simoniello, Salvatore Manfreda

INPUT 2010 – Sesta Conferenza Nazionale in Informatica e Pianificazione Urbana e Territoriale INPUT 2010 – Sesta Conferenza Nazionale in Informatica e Pianificazione Urbana e Territoriale

SessioneSessione

Gestione e tutela del patrimonio Gestione e tutela del patrimonio ambientaleambientale

Le Metriche del Paesaggio come Le Metriche del Paesaggio come Strumento di Analisi del Strumento di Analisi del

TerritorioTerritorio

Adelchi Acampora, Aurelia Sole, Maria Teresa Carone, Adelchi Acampora, Aurelia Sole, Maria Teresa Carone, Tiziana Simoniello, Salvatore Manfreda Tiziana Simoniello, Salvatore Manfreda

13 settembre 2010 – Facoltà di Ingegneria – 13 settembre 2010 – Facoltà di Ingegneria – Campus di Macchia RomanaCampus di Macchia Romana


(Tsingy Bemaraha, Madagascar – Foto di Yann Arthus-Bertrand – )

Ecologia del Paesaggio

“Porzione di mondo reale entro il quale siamo interessati a descrivere ed interpretare processi e patterns”

“Gli attori abiotici (luce, vento, acqua, calore) e biotici (organismi: dai virus alle società umane) si esprimono attraverso dei processi che a loro volta creano e/o condizionano i patterns ambientali che ne derivano”

(A. Farina, 2001 )

processi e patterns non possono essere considerati in modo distinto

processi

patterns creano condizionano



classi o tipologie di tasselli Class-level metrics

tasselliPatch-level metrics

paesaggioLandscape-level metrics

Le interazioni tra processi e patterns avviene attraverso una metodologia che studia la struttura dei mosaici ambientali mediante l’uso di indici. Il termine “metriche di paesaggio” o “indici di ecologia del paesaggio”, si riferisce esclusivamente ad indici sviluppati per misurare i patterns di mappe tematiche Sono algoritmi che quantificano le caratteristiche spaziali di :

Indici di Ecologia del Paesaggio – Livelli di applicazione



Patch-level metrics sono definite per i singoli tasselli, e ne descrivono il contesto e le caratteristiche spaziali. Queste metriche servono principalmente come base di calcolo per molte delle metriche di paesaggio

Class-level metrics sono integrate su tutti i tasselli di un certo tipo (classe).

Landscape-level metrics sono integrate su tutti i tipi di tasselli o classi e sulla intera estensione del paesaggio

Queste metriche possono essere interpretate in senso più ampio come indici di eterogeneità del paesaggio, perché misurano la sua struttura complessiva (la diversità della fauna selvatica è risultata maggiore nei paesaggi più diversificati e spazialmente eterogenei – A. Leopold, 1933).

Queste metriche sono utili per studiare la riduzione e frammentazione degli habitat

(from Fragstats manual)

Sono utili per conoscere: • la dimensione di ogni tassello del paesaggio (molti vertebrati richiedono tasselli più grandi di una certa dimensione minima – Robbins et al., 1989) • la dimensione della core area per ogni tassello del paesaggio (alcune specie sono vulnerabili all’effetto margine e sono più strettamente associate alla parte interna dei tasselli – Temple, 1986)

Indici di Ecologia del Paesaggio – Livelli di applicazione



5

Quiesti indici si dividono in due categorie:

composizioneMisurano il numero e la frequenza relativa degli elementi senza riferimento ad attributi spaziali

configurazioneMisurano la disposizione spaziale degli elementi, e necessitano dell’informazione spaziale

McGarigal and Marks, 1995; Gustafson, 1998

IJI= 60,2 IJI= 72,1 IJI= 96,7

SHDI= 1,61 SHDI= 1,61 SHDI= 1,61

m

iii PPHDI

1

ln*S

)(.ln

ln*

100150

1 1

mm

Ee

Ee

IJI

m

i

m

ik

ikik

IJI = 100 when all patch types are equally adjacent to all other patch types

SHDI increases as the number of different patch types increases and/or the proportional distribution of area among patch types becomes more equitable

Tre mosaici ideali di paesaggioPi = proportion of the landscape occupied by class i

Shannon's Diversity Index (composition metric)

Interspersion and Juxtaposition Index (configuration metric)

eik = total length of edge in landscape between classes i and kE = total length of edge in landscapem = number of classes present in the landscape

Indici di Ecologia del Paesaggio – Categorie degli Indici



Riduzione e frammentazione degli habitat

na i

n

jij

1

AREA_MN

niNP

ni = number patches of class i in the landscape

aij = area of patch ij

1 23

4

5

6

78

9

10

1) AREA_MN

2) AREA_MN

AREA_MN = area mean of patch of class i

and

NP = number of patches of the corresponding patch type (class)

foresta Cambiamento di uso del suolo

Nuova infrastruttura lineare

5a

5b

7a

7b

Riduzione di habitat

Frammentazione di habitat

Indici di Ecologia del Paesaggio – Livello di classe



È utile misurare la struttura del paesaggio perchè:

ha un importante ruolo nella gestione delle risorse così come nella tutela della biodiversità (Gustafson, 1998)

può aiutare ad individuare fattori e meccanismi che la controllano (Cao et al., 2004; Xiao et al., 2003), e ciò è essenziale per esplorare le interazioni tra pattern di paesaggio e processi ecologici (Tischendorf, 2001), ed individuare dinamiche e funzionamento del paesaggio (Zhang et al., 2005)

Indici di Ecologia del Paesaggio



0 9 18 27 36 Kilometers

N

Mean annual temperature (°C)

-2 - 0

0 - 3

3 - 6

6 - 9

9 - 12

12 - 15

15 - 18

18 - 21

21 - 23


-2 - 0

0 - 3

21 - 23

18 - 21

15 - 18

12 - 15

9 - 12

6 - 9

3 - 6



N

Mean annual rainfall (mm/year)

< 700

700 - 900

900 - 1100

1100 - 1250

1250 - 1400

1400 - 1550

1550 - 1700

1700 - 1850

> 2000



< 700

700 - 900

900 - 1100

1100 - 1250

1250 - 1400

1400 - 1500

1550 - 1700

1700 - 1850

> 1850


N

Aridity Index5 - 10 arid

10 - 20 semiarid

20 - 30 temperate harm

30 - 40 temperate humid

> 40 humid

Aridity Index Ia = P/(T+10)

Aridity Index

5 – 10 arid

10 – 20 semiarid

20 – 30 temperate harm

30 – 40 temperate humid

> 40 humid


N

8 - Locone a Ponte Canosa

9 - Framarina

10 - Venosa a Ponte S. Angelo

11 - Ponte Colonna

12 - Craco

13 - Ofanto a Cairano

14 - Trivigno

15 - Camastra

16 - Grumento

17 - Pizzutello

18 - Centrale Castrocucco

Key

8

910

11

14

15

16

1718

12

13

10 - Venosa s Ponte S. Angelo

9 - Framarina

8 – Locone a Ponte Canosa

Key

11 – Ponte Colonna

12 – Craco

13 – Ofanto a Cairano

14 – Trivigno

15 – Camastra

16 – Grumento

17 – Pizzutello

18 – Centrale Castrocucco

232 – 461 Km2


N

1 - Bradano

2- Cavone

3 - Ofanto

4 - Basento

5 - Agri

6 - Sinni

7 - Noce

Key

3

2

1

4

5

6

7

1 - Bradano

2 - Cavone

3 - Ofanto

4 - Basento

5 - Agri

6 - Sinni

7 - Noce

355 – 2860 Km2

Key


N

Key Corine Land Cover

1.1.1 Continuos urban fabric

1.1.2 Discontinuos urban fabric

1.2.1 Industrial or commercial units

1.3.1 Mineral extraction sites

1.4.2 Sport and leisure facilities

2.1.1 Non irrigated arable land

2.1.2 Permanently irrigated land

2.2.1 Vineyards

2.2.2 Fruit trees and berry plantations

2.2.3 Olive growes

2.3.1 Pastures

2.4.1 Annual crops associated with permanent crops

2.4.2 Complex cultivation patterns

2.4.3 Land principally occupied by agric. with significant areas of nat.veget.

3.1.1 Broad leaved forest

3.1.2 Coniferous forest

3.1.3 Mixed forest

3.2.1 Natural grassland

3.2.3 Sclerophyllous vegetation

3.2.4 Transitional woodland scrub

3.3.1 Beaches, dunes, sand

3.3.2 Bare rocks

3.3.3 Sparsely vegetated areas

3.3.4 Burnet areas

4.1.1 Inland marshes

5.1.2 Water bodies

La diversità del paesaggio in bacini del Mediterraneo


N

hexagonal sampling gridKey

hexagonal sampling grid

hexagonal = 250 Km2

Key




m

iii PPSHDI

1

ln

mPPSHEIm

iii lnln

1

)100()])1([5.0ln(

ln1 1

mm

E

e

E

e

IJI

m

i

m

ik

ikik

SHDI (Shannon’s Diversity

Index)

SHEI (Shannon’s Evenness

Index)

IJI (Interspersion Juxtaposition

Index)

Indice Descrizione

Usato in ecologia classica per valutare la diversità delle comunità di specie (Shannon 1948), viene applicato in ecologia del paesaggio per esprimere la diversità strutturale di un mosaico ambientale. Le singole specie, in tal caso, sono rappresentate dalle classi di copertura del suolo. Il termine Pi rappresenta la

porzione di paesaggio occupato dalla classe i-esima ed m il numero delle classi presenti nella scena. L’indice quindi aumenta con il numero delle classi e con la loro equiripartizione.

Individua la componente di uniformità della diversità e si calcola dividendo l’SHDI per la diversità massima possibile relativa alla perfetta ripartizione del territorio nel numero di classi dato.

Fornisce informazioni sulla modalità di configurazione della scena rispetto alle mutue posizioni delle diverse classi (interspersione). Nell’espressione il termine eik

rappresenta la lunghezza totale del confine tra la classe i-esima e la classe k-esima, E è la lunghezza totale dei confini presenti nella scena ed m è il numero delle classi presenti nella scena. L’indice aumenta man mano che le tipologie di tasselli si dispongono in modo tale che ognuna di esse tende ad essere ugualmente adiacente a tutte le altre classi anche in termini di lunghezza dei confini.



7

654

3

1

2

1817

161514

12 138

11

10

9

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

catchment subcatchment

Shannon's Diversity Index

Aridity Index (De Martonne)

units:information

range:SHDI ≥ 0, without limit

m

iii PPSHDI

1

ln

7

654

3

1

2

1817

161514

12 138

11

10

9

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90




units:information


m

iii PPSHDI

1

ln

none

76

542

13

1718

1615

14

12 13118

10

9

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Shannon's Evenness Index


units:none

range:0 ≤ SHEI < 1

m

PPSHEI

m

iii

ln

ln1

76

542

13

1718

1615

14

12 13118

10

9

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Shannon's Evenness Index


units:none

range:0 ≤ SHEI < 1

m

PPSHEI

m

iii

ln

ln1

135462

7

1416

1817 15

1110 9

1213

8

0

5

10

15

20

25

30

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

catchment subcatchment Total Area

Patch Richness

units:none

range:PR ≥ 1, without limit

units: square kilometer range: TA ≥ 0, without limit

(Preston, 1962)

S = cAz


0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


plot hexagonal



units:none


3

1

4

25

6

7

10

13

8

9

11 12 16

14

15

1718

50

54

58

62

66

70

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


Interspersion and Juxtaposition Index


units: percent

range:

0 < IJI ≤ 100

10015.0

11

mm

EEIJI

l

ele

n

m

ik

ikn

ikm

i

4

5 6

72

31

161514

13121110

8

9

17 18

0

150

300

450

600

750

900

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

catchment subcatchment Aridity Index (De Martonne)

Area_MN

000.10

1_ 1 1

NMNAREA

m

i

n

jija

units: hectares

range: AREA_MN > 0, without limit



Dal monitoraggio al modello

ANALISI DI• serie storiche di carte di uso del suolo

COL L’APPLICAZIONE DI• indici di ecologia del paesaggio

MONITORAGGIOper valutare nel tempo gli effetti

sul paesaggio di azioni di governo del territorio

può rivelare tardivamente effetti rilevanti

di fenomeni naturali ed antropici

SVILUPPO DI MODELLI DI CAMBIAMENTO DEL

PAESAGGIOper

prevederne l’evoluzione e prefigurare scenari futuri



Modello di distribuzione della vegetazione in un bacino semiarido del New Messico (Caylor et al., 2004)

Upper Rio SaladoArea del bacino: 464 km2

Pioggia media annualedurante la stagione di crescita(maggio-settembre): 218mm

2

1

21

11

p

PARAMETRI DEL MODELLOCaratteristiche dei tre tipi di vegetazione• profondità delle radici• indice di area fogliareCaratteristiche dei suoli• tessitura• porositàMorfologia del bacino• direzioni di drenaggioCondizioni climatiche• precipitazioni• temperature• evapotraspirazione

Mappa iniziale

Mappa di output

Valuta quale tipo di vegetazione ha la percentuale più alta di sopravvivenza sulla base del confronto tra lo stress idrico di una cella presa a caso e quello della cella adiacente presa nella direzione di drenaggio



Simulazione di condizioni climatiche diverse

PARAMETRI DEL MODELLO

Caratteristiche dei tre tipi di vegetazione• profondità delle radici• indice di area fogliare

Caratteristiche dei suoli• tessitura• porosità

Morfologia del bacino• direzioni di drenaggio

Condizioni climatiche• precipitazioni• temperature• evapotraspirazione

20 volteda 0 a 0.285 con Δ=0.015

20 volteda 0.6 a 3.45 con Δ=0.15

2

1

21

11

p

Si è istruito il modello ad associare alla cella una tipologia di suolo nudo ogni volta che l’indice di stress dinamico della stessa, per ogni tipo di vegetazione, risultasse pari ad 1

OUTPUT

• 400 mappe di copertura del suolo • percentuali delle diverse tipologie di copertura del suolo per ogni mappa• Indice di diversità di Shannon’s per ogni mappa



14

Tipologie di copertura del suolo al variare delle caratteristiche climatiche (frequenza λ e altezza media di pioggia α)

0.350.4

0.450.5

0.550.6

0.650.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

20

40

60

80

Tre

e co

ver

(%)

0.350.4

0.450.5

0.550.6

0.650.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

20

40

60

Shr

ub C

over

(%

)

0.350.4

0.450.5

0.550.6

0.650.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

20

40

60

Gra

ss c

over

(%

)

0.350.4

0.450.5

0.550.6

0.650.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0

50

100

Bar

e so

il (%

)

Posizione del bacino (in termini di percentuali di distribuzione delle varie tipologie di suolo) derivato dal modello tenendo conto delle condizioni climatiche reali



0.4

0.5

0.6

0.7

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.50

0.5

1

1.5

Shan

non's

entro

pyIndice di Diversità di Shannon’s

0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.70

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

=0.224

=0.299

=0.374 =0.449

Sha

nnon

's e

ntro

py

0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

=0.428 =0.503

=0.578

=0.653

Sha

nnon

's e

ntro

py

Posizione del bacino (in termini di percentuali di distribuzione delle varie tipologie di suolo) derivato dal modello tenendo conto delle condizioni climatiche reali



0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90


plot hexagonal



units:none


Uguale piovosità con differenti caratteristiche

0,0

0,5

1,0

1,5

5 10 15 20 25 30


α*λ*Ts [cm]

units:none


Modello

Caso reale10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Ts [cm]

Sha

nnon

's e

ntro

py

=0.224 =0.299 =0.374 =0.449 =0.428 =0.503 =0.578 =0.653

Lo stesso regime di pioggia può avere caratteristiche differenti (in termini di frequenza degli eventi ed altezza media giornaliera) e conseguentemente effetti diversi sulle caratteristiche strutturali del paesaggio

Al crescere delle altezze medie annuali di pioggia, l’indice di diversità cresce più rapidamente se crescono le altezze medie giornaliere piuttosto che la frequenza degli eventi di pioggia



Conclusioni

La distribuzione spaziale della vegetazione è fortemente controllata dalla variabilità climatica e dalla morfologia.

La morfologia svolge un doppio ruolo, da un lato influenza il clima locale e dall’altro condiziona il processo di diffusione. Il reticolo idrografico limita le interazioni spaziali all’interno del bacino con importanti conseguenze sulla evoluzione dei pattern spaziali.

L’area del mediterraneo mostra una straordinaria varietà nella diversità del paesaggio che è fortemente controllata dal clima.

Sia l'analisi del paesaggio nel bacino del mediterraneo sia le applicazioni di modellazione mostrano che la riduzione della diversità del paesaggio può verificarsi rapidamente con piccoli cambiamenti nelle forzanti climatiche.

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