La prevenzione e gestione degli incendi boschivi con PRIMA

La gestione degli incendi boschivi è molto importante, oggi infatti gli incendi boschivi rappresentano una minaccia sempre più pressante per i nostri ecosistemi, la sicurezza pubblica e l’economia, in particolare a causa dei cambiamenti climatici che ne aumentano la frequenza e l’intensità. 

Ogni anno, vaste aree boschive e non boschive vengono distrutte: ad esempio, nel 2023, in Italia, sono stati devastati quasi 1073 km², con un aumento del 36% rispetto all’anno precedente. La regione della Calabria, in particolare, è una delle più colpite, con 177.68 km² incendiati mentre in Sicilia sono bruciati 1010 km².

Le sfide attuali nella gestione degli incendi boschivi

Nonostante l’uso crescente di tecnologie avanzate come il telerilevamento satellitare e tramite droni, i modelli predittivi e l’intelligenza artificiale, la gestione degli incendi boschivi si scontra ancora con diverse limitazioni:

• Mancanza di una visione d’insieme: L’impiego di strumenti isolati, senza un’efficace integrazione dei dati da diverse fonti (satelliti, droni, sensori, telecamere, modelli meteo), rende difficile ottenere un quadro completo e in tempo reale della situazione.
• Incompatibilità e difficoltà di interpretazione dei dati: Dati con formati, risoluzioni e scale temporali diverse rendono complessa la loro comparazione e interpretazione, portando a informazioni frammentarie e poco affidabili.
• Sovraccarico di informazioni e difficoltà di analisi: L’enorme quantità di dati grezzi può sopraffare gli operatori umani, rendendo arduo individuare schemi significativi e estrarre informazioni utili.
• Mancanza di previsioni accurate: L’incapacità di integrare efficacemente dati meteorologici e ambientali compromette la previsione del rischio di incendio e la sua potenziale evoluzione.
• Ritardi nella risposta: L’assenza di un sistema integrato e automatizzato può causare ritardi critici nell’intervento.
• Minore efficienza e maggiori costi: L’approccio non integrato comporta un maggiore impiego di risorse umane e costi più elevati.

PRIMA: la piattaforma integrata per un futuro più sicuro

Per affrontare queste sfide, è nato PRIMA (Piattaforma Real-time per l’Ingestion, il monitoraggio e l’analisi degli Incendi boschivi), un progetto innovativo finanziato nell’ambito del Programma Tech4You (PNRR). PRIMA mira a sviluppare una piattaforma integrata per il monitoraggio e l’analisi in tempo reale degli incendi boschivi, fornendo un supporto decisionale completo e tempestivo così da permettere una gestione degli incendi boschivi ottimale.

Il sistema si basa su tre moduli software interconnessi:

1. Modulo Previsione e Propagazione: Questo modulo fornisce una simulazione avanzata della propagazione degli incendi in tempo reale, integrando dati meteo-idrologici live e modelli predittivi. Si avvale di un sofisticato modello matematico di reazione-diffusione bidimensionale, che tiene conto di fattori come la densità dell’aria, il calore specifico, la temperatura, la velocità del vento, la topografia, la diffusività turbolenta e la combustione del combustibile solido. Le simulazioni tengono conto della variabilità topografica, che influenza la velocità e la direzione del vento e, di conseguenza, la propagazione del fuoco.
2. Modulo Monitoraggio Satellitare: Permette il rilevamento tempestivo di anomalie termiche tramite dati satellitari (come quelli di Meteosat), con invio immediato di allarmi e monitoraggio costante dell’evoluzione degli incendi. I dati satellitari forniscono una visione ampia e continua del territorio, identificando focolai attivi e stimando l’estensione dell’area bruciata.
3. Modulo Analisi e Monitoraggio Post-Incendio: Dedicato all’elaborazione rapida di immagini multispettrali (satellitari, droni, LiDAR) per valutare la severità degli incendi, monitorare la rinnovazione naturale e analizzare la struttura del territorio colpito.

Come PRIMA trasforma la gestione degli incendi boschivi

L’implementazione di PRIMA per la gestione degli incendi boschivi è ottenuta come verticalizzazione di PlugAIn, la soluzione che Revelis propone per il settore del manufacturing, delle smart cities e delle multi-utilities, una piattaforma e che abilita applicazioni di IoT Intelligence. PlugAIn si basa su un’architettura data-driven e event-driven, integrando dati provenienti da una moltitudine di fonti ad esempio, nel caso di PRIMA:

• Satelliti: Immagini multispettrali e dati termici per l’analisi della vegetazione e il rilevamento di anomalie di temperatura.
• Droni (SAPR): Forniscono una prospettiva ravvicinata e flessibile. Possono acquisire immagini RGB per fotogrammetria (creando nuvole di punti, modelli 3D, ortomosaici, DTM), immagini termiche per identificare hotspot anche attraverso il fumo, dati LiDAR per mappare il terreno e la vegetazione penetrando la chioma degli alberi, e sensori di vento per prevedere la propagazione.
• Sensori Terrestri: Reti di sensori (temperatura, umidità, fumo, particolato) offrono un monitoraggio continuo e capillare per la rilevazione precoce di focolai.
• Telecamere: Fisse o mobili, integrate con algoritmi di Intelligenza Artificiale per rilevare automaticamente fumo o fiamme e generare allarmi in tempo reale.
• Dati Meteorologici: Informazioni su temperatura, umidità, vento, precipitazioni e fulmini, essenziali per i modelli previsionali.
• Corine Land Cover (CLC): Dati europei sull’uso del suolo e la copertura del territorio, utili per identificare aree a rischio e pianificare strategie di prevenzione.

PlugAIn è in grado di raccogliere informazioni da qualsiasi rete di sensori IoT. L’amministratore della piattaforma può gestire con facilità l’elenco dei sensori da monitorare.  Esso memorizza dati in un data lake big data, consentendo la generazione di insight e analisi accessibili attraverso dashboard web per il monitoraggio in tempo reale. La piattaforma mette a disposizione numerosi algoritmi per supportare analisi sia descrittive che predittive, rendendo i modelli generati interpretabili dai decisori grazie a tecniche di “AI explanation”. 

Per gestire e analizzare questa mole di dati eterogenei, PRIMA impiega tecnologie all’avanguardia integrate in PlugAIn come Apache Kafka per l’ingestione in tempo reale e Elasticsearch per l’archiviazione e l’interrogazione rapida dei dati. L’uso di gateway specializzati (Polling e Subscription) permette di integrare qualsiasi tipo di fonte dati, convertendoli in un formato unificato. 

Vantaggi e impatti del progetto PRIMA

PRIMA come soluzione per la gestione degli incendi boschivi si distingue per i suoi numerosi vantaggi e gli impatti attesi:

• Accuratezza: L’integrazione di molteplici fonti informative garantisce un’analisi completa e risultati molto accurati.
• Monitoraggio in tempo reale: La combinazione di dati satellitari, droni e sensori a terra consente un monitoraggio costante dell’evoluzione degli incendi.
• Previsione (Forecasting): Grazie agli algoritmi di Intelligenza Artificiale, è possibile prevedere il verificarsi di un incendio con un anticipo da 1 a 9 giorni.
• Valutazione dei danni (Damage Assessment): L’analisi di immagini prima e dopo l’incendio fornisce uno strumento utile per valutare i danni e quantificare la superficie bruciata.
• Supporto alle autorità: L’invio di notifiche e allarmi consente alle autorità di pianificare interventi rapidi ed efficaci, ottimizzando l’allocazione delle risorse.
• Riduzione dei costi: La piattaforma consente di evitare l’uso di strumentazione costosa in situazioni non strettamente necessarie.

Un design centrato sull’utente per decisioni efficaci

Riconoscendo che la gestione degli incendi boschivi è un’attività ad alta pressione, PRIMA ha adottato un approccio incentrato sull’utente (Human-Centered Design) e sui principi di User Experience (UX) e Human Computer Interaction (HCI) per progettare interfacce intuitive e di alta qualità. L’obiettivo è prevenire il sovraccarico cognitivo, facilitare lo scambio costante di informazioni e far sentire gli operatori sempre in controllo della situazione.

Gli utenti primari della piattaforma sono stati identificati come gli operatori delle Sale Operative Unificate Permanenti (SOUP) e i Capi Squadra sul campo. Per ciascuno di essi sono state progettate interfacce specifiche:

• Interfaccia SOUP: Progettata come applicazione desktop per l’uso nelle sale di controllo, permette l’input delle coordinate di un incendio, la visualizzazione di mappe con strati stradali e catastali, e la simulazione della propagazione del fuoco basata su dati meteorologici e topografici.
• Interfaccia Capo Squadra: Sviluppata come applicazione per tablet, da utilizzare sul campo, riceve le simulazioni dalla SOUP, visualizza informazioni essenziali e permette la pianificazione strategica delle squadre e delle operazioni di spegnimento, integrando la topografia del terreno.

La progettazione delle interfacce ha seguito principi di usabilità come la visibilità dello stato del sistema, la coerenza e gli standard (ad esempio, l’ispirazione a Google Maps e l’uso della simbologia standardizzata SI.TA.C per i Vigili del Fuoco), la prevenzione degli errori e la flessibilità. I prototipi sono stati realizzati verranno validati con test qualitativi e quantitativi coinvolgendo gli operatori reali.

Conclusioni

PRIMA avrà un impatto significativo a livello scientifico, economico, sociale e ambientale. Contribuirà all’avanzamento delle conoscenze nella modellistica degli incendi e nell’elaborazione dei dati satellitari, creando una piattaforma innovativa che potrà essere commercializzata a livello nazionale e internazionale. Dal punto di vista sociale e ambientale, permetterà di ridurre i danni causati dagli incendi, migliorare la sicurezza degli interventi e aumentare la consapevolezza della popolazione sui rischi e le buone pratiche.

Il progetto PRIMA è un esempio concreto di come l’integrazione di tecnologie avanzate, l’analisi dei Big Data e l’Intelligenza Artificiale possano essere applicate per affrontare una delle sfide ambientali più complesse del nostro tempo, offrendo strumenti concreti per una gestione più efficace del territorio e una risposta più rapida ed efficiente agli eventi critici.

Autore: Luigi Granata