Remote sensing applications for the study of shoreline variability

Le spiagge sono aree basse considerate sistemi complessi che coinvolgono diverse componenti fisiche e umane. Queste aree costiere sono essenziali dal punto di vista economico per molte ragioni. Nel corso dell’ultimo secolo, il turismo balneare ha guadagnato popolarità, diventando una destinazione turistica popolare in tutto il mondo. Le spiagge sono quindi aree preziose dal punto di vista sociale ed economico. Lo sviluppo delle attività balneari e il fatto che queste aree siano sempre più popolate portano a modifiche di questi ambienti, influenzando le sue funzioni ecologiche e fisiche. Uno degli aspetti essenziali delle spiagge è che agiscono come tamponi naturali contro le mareggiate, proteggendo la popolazione e le infrastrutture costiere dai danni causati da eventi meteorologici gravi. L’innalzamento del livello del mare e le modifiche indotte dalle attività umane provocano l’arretramento delle spiagge, compromettendo il loro ruolo di cuscinetto. Pertanto, lo studio delle tendenze evolutive della costa e della risposta delle spiagge alle tempeste è essenziale per capire questi sistemi. Conducendo analisi dettagliate con un adeguato livello di accuratezza, è possibile identificare i diversi tipi di cambiamenti, determinare i fattori che vi contribuiscono e valutare gli impatti ambientali e socioeconomici. Il confine tra terra e acqua su una spiaggia cambia costantemente a causa del livello del mare e dell’azione delle onde. Per modellare accuratamente la risposta delle spiagge a questi fattori, sono necessarie misurazioni precise per tracciare i cambiamenti causati dai vari agenti geomorfici. Ciò richiede sistemi di monitoraggio efficaci in grado di registrare accuratamente i dati della linea di riva. Questa tesi di dottorato mira a valutare lo stato dell’arte degli strumenti di mappatura della linea di riva esistenti e a sviluppare nuove tecniche sfruttando i progressi delle tecnologie satellitari. I sistemi di allerta precoce delle inondazioni costiere sono essenziali per anticipare le tempeste costiere estreme e determinarne l’impatto, consentendo ai gestori di intraprendere azioni appropriate. In questo contesto, è esenziale valutare l’accuratezza degli algoritmi utilizzati per la delimitazione delle coste. Tenendo presente questo aspetto, i database costieri di eventi estremi sono strumenti preziosi per selezionare i siti in cui calibrare e validare gli algoritmi, studiare i modelli di tendenza e sensibilizzare il pubblico. In questa tesi di dottorato, viene sviluppato un database delle tempeste costiere aggiungendo le fonti che vi fanno riferimento. Questo database è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo ”A Proof-of-Concept for the Implementation of a European Coastal Flood Awareness System”. All’interno del progetto è stato sviluppato l’algoritmo SAET, che utilizza immagini multispettrali Landsat e Sentinel per mappare la linea di costa prima e subito dopo una tempesta. In questo lavoro è stata valutata la sua capacità di descrivere gli effetti delle tempeste costiere sulle coste e la loro accuratezza. Oltre all’algoritmo SAET, CoastSat rappresenta un’altra soluzione basata su immagini satellitari. Pertanto, è stata eseguita un’analisi comparative dei due algoritmi. D’altra parte, l’aumento del numero di satelliti iperspettrali, come PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa lanciato dall’Agenzia Spaziale Italiana, pone altri obiettivi, come lo sviluppo di nuove metodologie in grado di utilizzare questo tipo di immagini con sufficiente precisione e in modo efficiente. Pertanto, in questo studio vengono presentate diverse soluzioni, analizzando i vantaggi offerti dalla maggiore risoluzione spettrale di queste immagini. Infine, viene effettuata un’analisi comparativa tra dati iperspettrali e multispettrali e tra gli algoritmi sviluppati per ciascuno di essi, necessaria per determinare i vantaggi e/o gli svantaggi di ciascuna metodologia.

Beaches are low-lying areas considered complex systems involving various physical, biological and human components. These coastal areas are essential from an economic point of view for many reasons. During the last century, beach tourism has gained popularity, becoming a popular tourist recreational destination worldwide. Thus, beaches are valuable areas from a social and economic point of view. The development of beach activities and the fact that these areas are increasingly populated lead to modifications of these environments, affecting the ecological and physical functions of these complex coastal systems. One of the essential aspects of beaches is that they act as natural buffers against coastal erosion and storm surges, protecting the coastal population and infrastructures from damage during severe weather events. The sea level rise and the modifications driven by human activities lead to beach retreats, compromising their buffer role. Therefore, the study of coastal evolutionary trends and the response of beaches to storm events is essential to understand and managing these systems. By conducting detailed analyses with a suitable level of accuracy, it is possible to identify the different types of changes, determine the contributing factors, and assess the environmental and socioeconomic impacts. The boundary between land and water on a beach constantly changes due to sea level and wave action. To accurately model how beaches respond to these factors, precise measurements are needed to track changes caused by various geomorphic agents. This requires effective monitoring systems capable of accurately recording shoreline data. This doctoral thesis aims to evaluate the state iii of the art of existing shoreline mapping tools and to develop new techniques by taking advantage of advances in satellite technologies. Coastal flood early warning systems are essential for anticipating extreme coastal storms and determining their impact, allowing coastal managers to take appropriate action. In this context, it is crucial to assess the accuracy of the algorithms used for coastal fringe. Validation of the software used for this purpose is therefore of vital importance. Keeping that in mind, coastal databases of extreme events are valuable tools for selecting sites where algorithms will be calibrated and validated, studying trend patterns, and raising public awareness. In this doctoral thesis, a coastal storm database is developed by adding sources that refer to it. This database was developed within the European project ”A Proof-of-Concept for the Implementation of a European Coastal Flood Awareness System” (ECFAS). The SAET algorithm was developed inside the project framework, which uses Landsat and Sentinel multispectral imagery to map the coastline before and immediately after a storm. The algorithm capability to precisely identify and describe the effects of coastal storms was evaluated in this work. In addition to the SAET algorithm, CoastSat represents another open-source solution based on satellite imagery. Therefore, a comparative analysis of the two algorithms was performed, determining the robustness of each of the methods. On the other hand, the increase in the number of hyperspectral satellites, such as PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa (PRISMA) launched by the Agenzia Spaziale Italiana, raises other objectives, such as the development of new methodologies capable of using this type of imagery with sufficient precision and in an efficient way. Therefore, different solutions are presented in this study, analyzing the advantages offered by the higher spectral resolution of this type of image. Finally, a comparative analysis is made between hyperspectral and multispectral data and between the algorithms developed for each type of data, to determine the advantages and/or disadvantages of each methodology.