Cartografia digitale e sistemi dinamici: il futuro della Geomatica tra GNSS, AI e nuove frontiere applicative

L’evoluzione dei sistemi di riferimento e della cartografia al centro del 66° Congresso SIFET

Dall’integrazione con i database georeferenziati alla gestione di coordinate che cambiano nel tempo, la cartografia digitale è oggi uno dei principali motori dell’innovazione in ambito geomatico.

In occasione del 66° Convegno nazionale SIFET (Brindisi, 18-20 giugno 2025), ne discutiamo con il prof. Riccardo Barzaghi (Politecnico di Milano) e il prof. Gino Dardanelli (Università degli Studi di Palermo), analizzando le trasformazioni introdotte dai sistemi di riferimento dinamici, il ruolo strategico delle stazioni GNSS permanenti, le prospettive applicative del multi-GNSS e il potenziale dell’intelligenza artificiale nella rappresentazione e gestione del territorio.

Dalla carta al digitale: una rivoluzione per la topografia

Prof. Barzaghi, in che modo la digitalizzazione della cartografia ha rivoluzionato, negli ultimi anni, le attività del topografo e del fotogrammetrista?

Questa è stata una vera rivoluzione che ha permesso di sfruttare appieno il contenuto informativo della cartografia.

Ciò ha consentito di migliorare la precisione e l'oggettività delle elaborazioni cartografiche. Inoltre, la cartografia numerica ha permesso una diretta integrazione con i database georeferenziati. Tutto questo ha enormemente ampliato le possibilità di analisi e di pianificazione del territorio.

GNSS e sistemi dinamici: tra precisione terrestre e nuove applicazioni spaziali

Prof. Barzaghi, che ruolo hanno GNSS e stazioni permanenti nell'evoluzione verso sistemi di riferimento dinamici, e quali sviluppi si prevedono a breve?

Le stazioni permanenti sono alla base della definizione dei sistemi di riferimento dinamici. E i sistemi di riferimento dinamici sono oggi irrinunciabili viste le precisioni che si ottengono nel posizionamento.

A breve, non vedo grandi innovazioni in questo settore che mi sembra sia giunto all'asintoto del suo sviluppo.

Qual è invece la sua opinione, prof. Dardanelli?

Il multi-GNSS, ossia l’insieme dei sistemi BDS, Galileo, GLONASS e GPS, assieme a quelli regionali del tipo indiano IRNSS, giapponese QZSS e Coreano KPS, potrebbe diventare una pietra miliare nelle applicazioni future, dato l’incremento tecnologico e i continui miglioramenti e sviluppi in termini di prestazioni, disponibilità, modernizzazione e ibridazione. 

Nei prossimi anni potremmo aspettarci scenari legati a vari campi di applicazione del multi-GNSS da esplorare e analizzare.

Uno di questi è l'uso del GNSS per la navigazione spaziale autonoma (GNSS for Autonomous Space Navigation) poiché l'uso del GNSS per questo scopo è fondamentale per le missioni spaziali. Infatti, può essere eseguito direttamente a bordo e in tempo reale per consentire la guida autonoma, riducendo o evitando i ritardi nelle comunicazioni Terra-spazio e la mancanza di copertura del segnale. A questo scopo, è possibile utilizzare diverse tecnologie (GNSS e IMU) e algoritmi utilizzate per consentire, ad esempio, i voli di formazione e gli atterraggi precisi dei veicoli spaziali richiesti in queste aree operative. 

Considerando l’intensificarsi degli effetti del cambiamento climatico, quali sono oggi le principali applicazioni del GNSS nel monitoraggio dell’atmosfera e dell’ambiente?

Un'altro campo di applicazione riguarda, infatti, la modellizzazione atmosferica GNSS (GNSS atmospheric modeling). È ampiamente noto che il multi-GNSS è influenzato dall'atmosfera terrestre, compresa la ionosfera (carica elettricamente) e la troposfera (atmosfera neutra), modellizzata con complesse equazioni matematiche. Sebbene gli effetti atmosferici sui segnali GNSS siano parametri fastidiosi per le applicazioni di posizionamento e navigazione, possono fornire informazioni preziose per molte applicazioni, come il monitoraggio dei rischi naturali o le previsioni meteorologiche. Pertanto, la modellizzazione degli effetti atmosferici sulle applicazioni di posizionamento multi-GNSS a terra e nello spazio deve essere analizzata in modo approfondito al fine di migliorare la modellizzazione di ZTD (zenith tropospheric delay) e TEC (total electron content) su scala regionale e globale, nonché i modelli di scintillazione e di previsione, dei modelli ionosferici e dei modelli di gradiente troposferico. 

Altre interessanti applicazioni della navigazione satellitare si concentrano sulle applicazioni emergenti GNSS-R, come i metodi e le tecniche di misurazione per il telerilevamento del contenuto di umidità del suolo (SMC), (Remote Sensing of Soil Moisture Content (SMC).

Come è noto, l'SMC svolge un ruolo ambientale importante nella valutazione dei cambiamenti climatici e nel monitoraggio ambientale delle aree soggette a inondazioni, siccità ed evapotraspirazione. L'SMC consente anche il monitoraggio del deflusso idrico e dell'erosione superficiale. Correlando altre variabili ambientali, come le temperature della superficie terrestre, la copertura del suolo o le precipitazioni, l'SMC è comunemente utilizzato come parametro di input per molti modelli climatici. In agricoltura, l'SMC è un indicatore cruciale della crescita delle piante e della resa dei raccolti. Negli ultimi decenni, i satelliti più vicini alla Terra dotati di ricevitore GNSS-R, microonde attive (ALOS-2, Sentinel-1, TerraSar-X) o microonde passive (AMSR2 e SMOS), hanno fornito l'opportunità di rilevare l'SMC dallo spazio utilizzando un'ampia gamma di tecniche e sensori.

Un'altra interessante linea di ricerca potrebbe essere il telerilevamento GNSS-R dalla Terra tramite piccoli satelliti (GNSS-R Earth Remote Sensing from SmallSats) e negli ultimi anni sono stati effettuati notevoli investimenti per lo sviluppo economico nei cosiddetti piccoli satelliti, come BuFeng-1, CYGNSS, la serie Fengyun-3, FSSCat, HydroGNSS, PRETTY e la serie Spire CubeSats. I piccoli satelliti stanno cambiando i parametri del telerilevamento terrestre sfruttando carichi utili innovativi. Pertanto, le proprietà di campionamento spazio-temporale del GNSS-R potrebbero creare nuovi scenari di studio, specificamente dedicati alla determinazione della velocità del vento, alla determinazione dell'SMC, al monitoraggio del contenuto idrico della vegetazione e al sostegno allo sviluppo sostenibile dei suoli. Inoltre, il GNSS-R può essere utilizzato per il monitoraggio degli oceani.

Inoltre, il GNSS può fornire un supporto significativo all'agricoltura di precisione (PF) Precision Farming. La PF è ampiamente implementata in quasi tutti i sistemi di produzione agricola negli ultimi 20 anni. Ovviamente, gli sviluppi dell'agricoltura di precisione differiscono nel mondo a seconda delle differenze tecnologiche, agronomiche, economiche e culturali esistenti tra i paesi. L'agricoltura di precisione è stata ampiamente utilizzata nei paesi agricoli sviluppati. Considerando i vantaggi e i limiti della crescente adozione dell'agricoltura di precisione in tutto il mondo, il GNSS potrebbe fornire metodi e applicazioni innovativi per ottimizzare le modalità operative, in particolare nelle economie agricole dei paesi in via di sviluppo.

Anche l'uso del GNSS per l'idrologia delle foreste e delle zone umide è in fase di sviluppo. In base ad altre tecniche geomatiche (telerilevamento, UAV/UAS e LiDAR), può essere considerato una risorsa per la valutazione dei rischi ambientali legati al clima, come incendi, frane, epidemie di malattie forestali, rapido deterioramento della qualità dei corsi d'acqua e conversione delle zone umide forestali in foreste montane, a causa del deposito di suolo eroso . I nuovi tipi di satelliti ECOSTRESS e SMAP, progettati specificamente per ottenere informazioni sull'umidità del suolo con una fitta copertura forestale, possono essere un importante miglioramento in questo studio emergente.

L'uso di tecniche GNSS terrestri e/o di radiooccultamento può essere utile anche nel campo dei rischi naturali, come quelli legati all'emissione di gas pericolosi e cenere nell'atmosfera dalle nubi vulcaniche. L'analisi dei dati del rapporto segnale/rumore (SNR) può dimostrare la ripetibilità giornaliera e le tendenze stagionali che indicano la forte dipendenza dell'errore di multipath dai cambiamenti nell'ambiente dell'antenna, ma può anche essere un indicatore di cambiamenti improvvisi nella composizione e nell'altezza delle nubi vulcaniche. Il rilevamento delle interferenze GNSS e lo spoofing costituiscono un'importante area di esplorazione, poiché il multipath e il Non-Line-Of-Signals (NLOS) sono i principali errori che si verificano in diverse applicazioni GNSS, ad esempio, in ambito civile (applicazioni di trasporto urbano) e, tristemente, in quello militare.

Infine, ma non meno importante, la massiccia diffusione di CORS GNSS multifrequenza su scala globale, regionale e nazionale ha consentito l'uso continuo di dati di serie temporali che sono per lo più gratuiti. Inoltre, per quanto riguarda i prossimi aggiornamenti CORS alla quadricostellazione (BDS, Galileo, GLONASS, GPS), queste infrastrutture possono fornire un potenziale illimitato per applicazioni sia tecniche che scientifiche, ad esempio la valutazione di un sistema di riferimento globale e della sua incostanza, analisi geodinamica, PF, estrazione mineraria, SHM, rilevamento e gestione catastale del territorio, mappatura dell'umidità del suolo, siccità, profondità della neve, UAV aerei, trasporto stradale e ferroviario e logistica, navigazione marittima e aviazione

L’adozione operativa dei sistemi dinamici: una sfida culturale

Prof. Barzaghi, dal punto di vista operativo, quali sono le principali sfide nell’adozione dei nuovi sistemi di riferimento dinamici nei rilievi sul campo?

Direi che il principale problema è di tipo culturale. Molti dei tecnici del settore sono abituati a pensare che le coordinate riportate nelle monografie siano fisse e immutabili nel tempo. Il fatto che così non sia è accettato con riluttanza. Si devono quindi approntare strumenti applicativi che facilitino l'uso dei sistemi dinamici.

Il prossimo salto tecnologico nella cartografia: l’intelligenza artificiale

Prof. Barzaghi, secondo la sua opinione, quale sarà il prossimo “salto” tecnologico nella rappresentazione cartografica e nella gestione delle coordinate geospaziali?

Pur rendendomi conto di non essere originale, direi che il "salto" tecnologico sarà rappresentato dalle applicazioni alla cartografia dell'intelligenza artificiale. Data la grande mole di dati cartografici che, sempre di più, saranno a disposizione, l'uso dell'intelligenza artificiale diventerà imprescindibile.

66° Convegno nazionale SIFET - Brindisi, 18-20 giugno 2025
Tema: CAMBIAMENTI
Dalla gradualità alla discontinuità, i cambiamenti spaziali e temporali interrogano oggi la Geomatica più che mai. Il 66° Congresso SIFET esplora strumenti, modelli e visioni per affrontare le trasformazioni del presente e del futuro.
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