Il ruolo critico dei sistemi di informazione geografica nell'analisi del cambiamento costiero

L'erosione costiera e l'aumento del livello del mare sono tra le sfide ambientali più pressanti del nostro tempo, la rimozione delle coste, l'infrastruttura minacciosa e la dislocazione delle comunità in tutto il mondo. La comprensione di questi processi dinamici richiede strumenti analitici robusti che possono integrare diversi set di dati su grandi scala spaziale e temporale.

Comprendere l'erosione costiera attraverso una lente GIS

I processi fisici e gli acceleratori umani

L'erosione costiera è la rimozione naturale dei sedimenti dalla costa da onde, correnti, maree e sbalzi di tempesta. Mentre l'erosione si verifica continuamente, la sua velocità e la sua gravità sono influenzati da fattori naturali e interventi umani. L'energia d'onda, l'approvvigionamento di sedimenti, la geologia di litorale e il relativo cambiamento del livello del mare, tutti determinano se una costa sta erodendo, l'erosione o accreting.

Fonti di dati per l'analisi dell'erosione

L'analisi efficace dell'erosione dipende dai dati temporali di alta qualità.

  • Fotografia aerea storica e immagini satellitari:[[] Piattaforme come Landsat (dal 1972) e sensori commerciali forniscono decenni di osservazioni costiere. GIS consente la co-registrazione e l'analisi di queste immagini per rilevare i cambiamenti di posizione della linea costiera.
  • LiDAR (Light Detection and Ranging): Airborne e terrestri LiDAR producono modelli di elevazione ad alta risoluzione (DEMs) della zona costiera, consentendo un dettagliato rilevamento dei cambiamenti topografici su scala temporale annuale o basata su eventi.
  • Indagini coreografiche:[] Indagini sul campo basate sul GPS e le mappe storiche (ad esempio, schede T dell'U.S. Coast Survey) forniscono dati di base per la calibrazione e la validazione.
  • Registrazioni di boa a onde e calibro:[ Questi set di dati a punti informano i modelli idrodinamici e aiutano a isolare l'erosione a lungo termine.

Metodi GIS per la quantificazione del cambiamento della scarpa

L'approccio GIS più ampiamente adottato per valutare l'erosione costiera è il Sistema di Analisi della Shorelina Digitale (DSAS), un'estensione software gratuita sviluppata dall'indagine Geologica statunitense.

  • End Point Rate (EPR):[] Il cambio netto tra la prima e la più recente costa, diviso per il tempo trascorso.
  • Tasse di regressione lineare (LRR):[ Il pendio di una linea di migliore-fit attraverso tutte le posizioni di linea, che rappresenta la variabilità migliore di EPR.
  • Regressione lineare ponderata (WLR):[] Riguarda un peso maggiore ai punti di dati più affidabili, come le indagini GPS ad alta precisione contro le mappe storiche.

Questi risultati vengono poi visualizzati come mappe di hotspot erosione, permettendo ai manager di priorità aree vulnerabili per l'intervento. GIS consente anche di sovrapporre lo spazio con l'uso del suolo, l'infrastruttura e i dati ecologici per valutare gli impatti economici e ambientali.

Valutare il livello del mare Rise con gli strumenti GIS

Scienza e scenari dei mari in salita

Il livello globale medio del mare è aumentato di circa 21-24 centimetri dal 1880, con il tasso che accelera negli ultimi decenni. I principali driver sono l'espansione termica di riscaldamento delle acque oceaniche e la fusione di fogli di ghiaccio terrestri e ghiacciai. Le proiezioni future, come quelle del IPCC, variano ampiamente a seconda degli scenari di emissione e delle dinamiche del foglio di ghiaccio, con stime che vanno da 0,3 a oltre 2 metri di altezza 2.

Integrazione di DEM e Dati Tidali

L'analisi dell'aumento del livello del mare basata su GIS inizia con un modello di elevazione digitale (DEM) che rappresenta la topografia della zona costiera a terra nuda. Il DEM deve essere riferito ad un dato verticale coerente, tipicamente locale significa acqua alta (MHHW) o livello di mare medio (MSL).

  • Conversione di dato:[] Usando NOAA VDatum o strumenti simili per trasformare i valori di elevazione da dati geodetici (ad esempio NAVD88) a dati tidali rilevanti per la modellazione inondazione.
  • La modellazione del bathtub:[] L'approccio più semplice applica un aumento uniforme del livello dell'acqua al DEM e mappa tutte le celle sotto quella elevazione come inondata.
  • Modellazione idrodinamica:[ I modelli più avanzati integrati GIS (ad esempio SLOSH, ADCIRC, o Delft3D) incorporano cicli di marea, sovratensione, installazione d'onda e ingressi d'acqua dolce per produrre mappe di inondazione probabilistiche sotto vari scenari di aumento del livello del mare.
  • Analisi di incertezza:[ Poiché i DEM hanno errori verticali (spesso ±15 cm per LiDAR) e le proiezioni di livello del mare portano intervalli, GIS può produrre intervalli di fiducia, come le mappe che mostrano aree inondate sotto scenari bassi, moderati e alti.

Piattaforme GIS online per la visualizzazione del livello del mare

Diversi enti federali forniscono piattaforme GIS adatte agli utenti che permettono ai pianificatori e al pubblico di esplorare gli impatti dell'aumento del livello del mare.

Applicazioni GIS nella gestione costiera

Oltre all'analisi standalone dell'erosione e dell'aumento del livello del mare, GIS consente un approccio integrato alla gestione delle coste che affronta molteplici pericoli, usi terrestri e necessità degli stakeholder.

Mapping Shoreline Modifiche a più scale

Il National Assessment of Shoreline Change (capitolato da USGS) utilizza GIS per compilare e standardizzare i dati della linea costiera da oltre un secolo di indagini su lungo termine lungo le coste degli Stati Uniti Atlantico, Pacifico, Golfo e Grandi Laghi.

Modelli di scenari di aumento del livello del mare

Utilizzando il DEM e i livelli di acqua basati sugli scenari descritti in precedenza, GIS può modellare l'entità dell'inondazione sotto diversi futuri climatici, che sono raffinati includendo:

  • Connettività idrologica:[] Filtrare aree isolate a bassa quota non direttamente connesse all'oceano, spesso utilizzando algoritmi di accumulo di flusso familiari da analisi di spartiacque.
  • Risponde all'erosione corelina:[ Ascendente del livello del mare di accoppiamento con modelli di erosione per spiegare il cambiamento verticale e orizzontale del terreno nel tempo.
  • Possibili di migrazione marsh:[] Aree di mappatura dove paludi di sale potrebbero migrare nell'entroterra come livelli di mare si innalzano, sulla base di elevazione, pendenza e copertura terrestre – critica per la conservazione di questi ecosistemi preziosi.

I risultati sono utilizzati per aggiornare le mappe dei tassi di assicurazione alluvione, progettare le sponde vive e pianificare percorsi adattativi per le comunità.

Identificare le aree vulnerabili con un indice di vulnerabilità costiera (CVI)

Un indice di vulnerabilità costiera sintetizza molteplici fattori di rischio in un unico punteggio composito per segmento di litorale. GIS facilita questo sovrapposizione di strati di raster e vettori per variabili come:

  • Geomorphology:[] Hard bedrock contro i sedimenti morbidi (ad esempio, isole barriera contro scogliere rocciose).
  • Tasso di erosione della corelina:[ Dall'analisi DSAS.
  • Tasso di aumento del livello di sicurezza:[] Dalle tendenze del calibro di marea e dalle proiezioni IPCC.
  • L'energia dell'onda:[] Mean altezza d'onda significativa da boe o posteriori modellati.
  • L'intervallo di marea:[ La gamma di marea media influenza la zona su cui agiscono i processi di erosione e inondazione.
  • L'uso e la densità della popolazione:[ L'esposizione socioeconomica.

La mappa CVI risultante evidenzia segmenti a rischio più elevato, consentendo ai responsabili delle risorse di mirare agli investimenti di adattamento dove sono più necessari. Ad esempio, una costa a basso costo sviluppata con alti tassi di erosione e la popolazione densa riceverebbe un rating "molto alto" di vulnerabilità, innescando una valutazione dettagliata del sito.

Pianificazione delle strutture protettive e delle soluzioni basate sulla natura

GIS sostiene la progettazione e la messa a punto di misure di protezione dure (pareti, rivetti, groin) e morbide (beach nutrment, restauro delle dune, litorale vivente).

  • Strutture di Hard:[[] GIS può modellare il potenziale per un'erosione di downdrift aumentata causata da groin o Jetties, aiutando gli ingegneri ad allineare le strutture con i modelli di trasporto di sedimenti lungori prevalenti.
  • Creazione della bevanda:[] Calcoli del volume utilizzando DEM pre- e post-nutrizione quantificano i requisiti dei sedimenti e l'efficienza del posizionamento nel tempo.
  • Living lilines:[ GIS identifica i siti adatti sovrapporre fetch, salinità, pendenza e dati di vegetazione esistenti per determinare dove paludi, scogliere ostriche, o letti acquatici sommersi possono essere ripristinati efficacemente.

Molti stati costieri richiedono ora l'analisi delle alternative basate su GIS per qualsiasi intervento di base importante, assicurando che la gamma completa di opzioni, tra cui nessuna azione, basata sulla natura e ibrida, siano valutate prima di selezionare una soluzione.

Case study: Applicare GIS a un sistema di isola di Barrier

Considerate un'isola tipica di barriera lungo la costa atlantica degli Stati Uniti, come quelle delle Outer Banks of North Carolina. L'isola sperimenta l'erosione cronica media 2 metri all'anno, punteggiata da uragani che possono causare 30 metri di ritiro in un unico evento.

  • Le posizioni di riva mappate del 1850 per presentare utilizzando fogli storici T, foto aeree e recenti indagini LiDAR all'interno di DSAS, rivelando che il 70% dell'isola sta erodendo a tassi sufficienti per minacciare lo sviluppo esistente entro 30 anni.
  • Modello di aumento del livello del mare di 0.5 a 2.0 metri da 2100 utilizzando il Viewer di Rise di livello del mare NOAA, mostrando che gran parte degli interni dell'isola sarebbe inondata anche sotto scenari moderati.
  • Calcolato un indice di vulnerabilità costiera che ha identificato due comunità di resort come rischio "estremamente alto" a causa di una combinazione di erosione veloce, alta energia onda, e infrastruttura turistica densa.
  • Strategie di gestione alternative valutate: volumi di nutrimento spiaggia necessari per compensare l'erosione (stimata a 1 milione di metri cubi ogni 5 anni per i due segmenti di massima priorità), zone di idoneità litorale vive nelle paludi laterali del suono, e opzioni di trasferimento per le strade costiere più esposte.

Questa analisi integrata del GIS ha fornito la base di prova per un piano di gestione costiera di 50 anni che privilegia le soluzioni basate sulla natura in aree meno sviluppate, il nutrimento mirato a infrastrutture critiche, e stabilisce le facilità di rotolamento per il futuro ritiro.

Sfide e direzioni future

Nonostante la sua potenza, l'analisi costiera basata su GIS affronta diverse sfide. L'accuratezza verticale dei DEM rimane un fattore limitante, anche il LiDAR in dune densamente vegetate può rappresentare la vera superficie terrestre dopo la scintilla della tempesta. Le lacune di dati temporali, soprattutto per le sponde pre-1930, causano l'incertezza nei calcoli a lungo termine della velocità.

[FLT:] Le soluzioni di elevazione dei bagni di ULT (in inglese) sono in grado di colmare le lacune temporali, predicendo le posizioni di riva storica delle immagini satellitari e degli indici climatici. I modelli di adattabilità dinamica che la coppia di morphodinamica con aumento del livello del mare sta diventando computazionalmente fattibile a scala regionale.

Conclusione: Resilienza Data-Driven

L'erosione costiera e l'aumento del livello del mare non sono problemi che possono essere risolti in un'unica analisi, né minacce per cui esiste una soluzione statica. Essi richiedono una pianificazione adattativa, esplicita, che si evolve con nuovi dati e condizioni mutevoli. GIS fornisce il quadro essenziale per tale evoluzione: un sistema per monitorare, modellare e comunicare i cambiamenti costieri.