Linking River Channel Forms and Processes in Gravel Bed Rivers: Time, Space, Remote Sensing and Uncertainty

The “modern” fluvial morphology, is the results of a series of events characterized by both natural and human dynamics. Recognizing the process responsible for particular morphology is not a simple analysis, it can be more difficult or impossible if the data collected have too low resolution or too high uncertainty in relation to the spatial and temporal scale assessed. This work aims to analyse and optimize different data and collection methods, derived from different time, space and resolution scales, with a good equilibrium between time-consuming and results at low uncertainty. Different gravel bed reaches were analysed as study area: Brenta, Piave, Tagliamento River (Italy) and Feshie River (Scotland). Three geomorphic analyses were applied at different spatial and temporal scale. A planimetric approach through a multitemporal analysis over the last 30 years on the Brenta River. A volumetric approach through a revised colour bathymetry; hybrid digital terrain models (HDTM) building and comparison of different digital elevation models (DoD) was used to study relevant flood events that occurred in the North-East Italian rivers (Brenta, Piave and Tagliamento). A highly detailed resolution, derived from Terrestrial Laser Scanner (TLS) to study its uncertainty, was applied on the Feshie River and to some laboratory experiments. Results show that on the Brenta River, lower active channel narrowing happened from 1981 to 1990 even if relatively important floods occurred. The active channel was likely at its minimum extent due to still relevant human impacts. Partial recovery of the active channel width was detected from 1990 to 2011 due to less gravel mining and human pressure. The proposed methodology for producing high-resolution Digital Terrain Models (DTMs) in wet areas has an uncertainty comparable to LiDAR (Light Detection And Ranging) data in dry areas. The bathymetric model calibration only requires a dGPS survey in the wet areas contemporary to aerial images acquisition. Detailed and automatic erosion - deposition analyses starting from a DoD are possible thanks to the “principal erosion deposition analyser” script developed. Density, angle of incidence and laser intensity seem to be the most uncertain influencing factors in DTMs building from TLS point clouds. A new TLS filter developed provides semi-automatic point cloud classifications to filter the vegetation. The geomorphic approaches presented provide an adequate topographical description of the rivers to explore channel adjustments due to natural and human causes at different spatial and temporal scales. The study represents a valuable tool for any fluvial engineering, river topography description, river management, ecology and restoration purposes.

La “moderna” morfologia fluviale, è il risultato di una serie di eventi caratterizzati da differenti dinamiche, naturali ed antropiche. Riconoscere i processi responsabili di una particolare morfologia, può divenire complesso se i dati disponibili presentano bassi livelli di risoluzione o eccessiva incertezza in funzione della scala temporale e spaziale analizzata. Questo lavoro si è focalizzato ad analizzare ed ottimizzare differenti tipi di dati e metodologie di rilievo in differenti tratti fluviali a fondo ghiaioso dell’Italia Nord-Orientale e della Scozia: Fiume Brenta, Piave e Tagliamento (Italia) e Fiume Feshie (Scozia). Tre differenti metodologie geomorfometriche sono state applicate a diverse scale spaziali e temporali. Un approccio planimetrico attraverso un’analisi multitemporale degl’ultimi 30 anni in un tratto del Fiume Brenta. Un approccio volumetrico attraverso una rivisitata applicazione di batimetria da colore, con costruzione di modelli digitali del terreno “ibridi” (HDTM) e comparazione di modelli di elevazione (DoD) per lo studio di un intenso evento di piena, avvenuto nei fiumi italiani considerati. Rilievi in laboratorio e nel Fiume Feshie ad alta risoluzione, tramite laser scanner terrestre (TLS), sono stati eseguiti per studiarne l’incertezza ed individuare metodologie di classificazione spaziale delle nuvole di punti. I risultati, mostrano che dal 1981 al 1990 nel Fiume Brenta persiste ancora un processo di restringimento dell’alveo attivo. L’impatto umano è ancora presente. L’alveo attivo presenta la sua minima estensione. Dal 1990 al 2011, sembra che un parziale recupero della larghezza dell’alveo attivo sia in atto. Minor pressione da estrazione di ghiaia e da impatto umano, caratterizzano questo periodo. La metodologia proposta per produrre DTM ad alta risoluzione in presenza di aree bagnate ha dimostrato un’incertezza comparabile con il LiDAR nelle aree secche. La calibrazione dei modelli batimetrici, richiede un rilievo dGPS nelle aree bagnate in “contemporaneo” con l’acquisizione delle foto aeree. Grazie allo script sviluppato (PrEDA), sono possibili più dettagliate e automatiche analisi dell’erosione e della deposizione. Densità, angolo di incidenza ed intensità laser sembrano essere i fattori che maggiormente influenzano l’incertezza nella realizzazione di modelli di elevazione da TLS. Il filtro sviluppato per nuvole TLS è in grado di fornire semi-automatici filtraggi della vegetazione. Gli approcci geomorfometrici presentati, forniscono adeguate descrizioni topografiche dei sistemi fluviali; utili ad esplorare aggiustamenti dei canali dovuti a cause naturali o antropiche in differenti scale spaziali e temporali. Lo studio proposto, può rappresentare un valido supporto alla topografia in ambito fluviale, alla progettazione di interventi di ingegneria fluviale, ad una adeguata gestione fluviale, considerando aspetti ecologici e di riqualificazione fluviale.