Coupling advanced earth observation, Machine learning, GeoAI, and CA-ANN model for assessing Spatio-temporal LULC change in Gilgel Gibe I Watershed, Upper Omo-Gibe Basin, Ethiopia

Il paesaggio della Terra non è mai veramente immobile. Respira, si sposta e si trasforma mentre le persone piantano colture, costruiscono case e diradano le foreste per far spazio a nuovi bisogni. Questa costante rimodellazione del terreno sotto i nostri piedi è nota come cambiamento dell'uso del suolo, ed è una delle forze più potenti che alterano il nostro pianeta oggi. Quando le aree naturali come foreste e praterie vengono convertite in fattorie o città, gli effetti a catena toccano tutto, dall'acqua che scorre nei fiumi agli animali che abitano quei luoghi. Per comprendere questi cambiamenti, gli scienziati si sono da tempo affidati all'osservazione della Terra dall'alto, usando i satelliti per scattare foto dello stesso punto nel corso di molti anni. Negli ultimi decenni, la capacità di elaborare queste enormi collezioni di immagini è esplosa, grazie a potenti computer nel cloud che possono analizzare vasti quantitativi di dati in pochi secondi. Combinando queste viste satellitari con programmi informatici intelligenti capaci di apprendere schemi, i ricercatori possono ora non solo vedere come un paesaggio sia cambiato nel passato, ma anche simulare come potrebbe apparire nel futuro. Questa capacità è vitale per le comunità che devono pianificare la sicurezza idrica, la produzione alimentare e la protezione del proprio ambiente naturale.

Negli altopiani dell'Etiopia, una regione nota come bacino idrografico di Gilgel Gibe I, questi cambiamenti stanno avvenendo con una velocità sorprendente. Quest'area, che alimenta il massiccio sistema fluviale Omo-Gibe, è una fonte critica di acqua per l'irrigazione, l'uso potabile e la generazione di elettricità per il paese. Tuttavia, la terra qui è sotto una pressione intensa. Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di capire esattamente cosa sia successo al terreno negli ultimi due decenni e di prevedere cosa potrebbe accadere nei decenni a venire. Si sono concentrati su una domanda specifica: con la crescita della popolazione e l'aumento del bisogno di cibo e abitazioni, come si sta spostando l'equilibrio tra foreste, praterie e terreni agricoli, e cosa significa questo per il futuro del bacino idrografico?

Per rispondere a questo, gli scienziati si sono rivolti a un kit di strumenti digitali che fonde immagini satellitari avanzate con l'intelligenza artificiale. Hanno raccolto immagini dallo spazio scattate nel 2004, 2014 e 2024, coprendo un periodo di venti anni. Queste immagini provenivano da diversi satelliti, alcuni che catturavano la Terra con grande dettaglio e altri che fornivano una visione più ampia. Utilizzando un sistema basato sul cloud chiamato Google Earth Engine, i ricercatori hanno inserito queste immagini in un algoritmo di machine learning noto come Random Forest. Pensate a questo algoritmo come a uno studente molto acuto a cui siano stati mostrati migliaia di esempi di come appaiano foreste, fattorie e città dallo spazio. Imparando da questi esempi, il computer è stato in grado di classificare automaticamente ogni pixel delle immagini in una di sei categorie: foresta, acqua, aree edificate, terreno nudo, prateria o agricoltura. Il computer ha fatto questo con una precisione straordinaria, identificando correttamente la copertura del suolo più del 93% delle volte nell'anno più recente, fornendo al team un quadro chiaro e accurato del paesaggio in tre momenti distinti nel tempo.

I risultati di questa revisione storica hanno rivelato una trasformazione drammatica. Nel 2004, quasi il 20% del bacino era coperto da foreste. Entro il 2024, quel numero era precipitato a poco più dell'8%, una perdita di quasi 50.000 ettari di alberi. Al loro posto, l'agricoltura è cresciuta vertiginosamente. I terreni agricoli sono passati dal coprire circa il 60% dell'area nel 2004 a quasi il 79% nel 2024. Questo spostamento non è stato un lento scivolamento, ma una conversione rapida, dove foreste naturali e praterie sono state sistematicamente trasformate in campi per nutrire una popolazione in crescita. Allo stesso tempo, l'area coperta da insediamenti umani, o zone edificate, è esplosa. Ciò che un tempo era una minuscola frazione del paesaggio, meno dell'1%, è cresciuto fino a superare il 3% in soli vent'anni, rappresentando un massiccio aumento dell'impronta di città e villaggi. Le praterie, che un tempo coprivano quasi il 13% del bacino, si sono dimezzate, scomparendo per fare spazio a colture e insediamenti.

Ma la storia non finisce con il passato. I ricercatori volevano sapere verso dove si stesse dirigendo questa traiettoria. Per farlo, hanno utilizzato un sofisticato modello di simulazione che combina due concetti potenti: gli automi cellulari e le reti neurali artificiali. In termini semplici, questo modello agisce come una palla di cristallo digitale. Esamina le regole che hanno governato i cambiamenti del suolo tra il 2004 e il 2014 — come ad esempio quanto un pezzo di terra fosse vicino a una strada, quanto fosse ripida la pendenza o quanto fosse lontano da una città — e applica quelle stesse regole per prevedere come sarà il terreno nel 2034 e nel 2044. Prima di fidarsi del modello per il futuro, il team lo ha testato chiedendogli di prevedere il paesaggio del 2024 sulla base dei dati precedenti. Il modello ha avuto successo, corrispondendo alla mappa reale del 2024 con un'elevata precisione, il che ha dato loro fiducia nel guardare più avanti.

Le proiezioni per i decenni a venire dipingono un quadro preoccupante di continuo cambiamento. Se le tendenze attuali dovessero persistere, la copertura forestale nel bacino dovrebbe ridursi ulteriormente, scendendo a solo il 6,5% dell'area totale entro il 2044. Ciò significherebbe che oltre tre quarti della foresta esistente nel 2004 sarebbe scomparsa. Al contrario, si prevede che i terreni agricoli si espanderanno fino a coprire più dell'81% del bacino, avvicinandosi a un punto in cui rimarrà pochissimo terreno naturale da convertire. Anche le aree edificate dovrebbero crescere rapidamente, raddoppiando le loro dimensioni nei prossimi vent'anni con l'accelerazione dell'urbanizzazione. Le praterie, già diminuite, dovrebbero scomparire quasi del tutto, lasciando dietro di sé un paesaggio dominato da colture e cemento.

Questi cambiamenti portano con sé profonde implicazioni per la salute del bacino idrografico e per le persone che dipendono da esso. Foreste e praterie agiscono come spugne naturali, assorbendo la pioggia e rilasciandola lentamente nei fiumi, il che aiuta a prevenire le inondazioni durante le piogge intense e a mantenere il flusso d'acqua durante le stagioni secche. Man mano che queste aree naturali vengono sostituite da superfici dure e agricoltura intensiva, la terra perde questa capacità di regolare l'acqua. Ciò può portare a un deflusso più veloce, a un aumento dell'erosione del suolo e a un rischio maggiore sia di inondazioni che di siccità. Inoltre, il sedimento trasportato via dai campi erosi può ostruire i bacchi che alimentano le centrali idroelettriche della regione, minacciando la fornitura a lungo termine di elettricità. La perdita di praterie minaccia anche i mezzi di sussistenza delle comunità pastorali che fanno affidamento su terre di pascolo aperte per il proprio bestiame.

Lo studio non sostiene che questi esiti futuri siano inevitabili, ma piuttosto che siano il probabile risultato se gli attuali modelli di sviluppo continuassero senza controllo. I ricercatori sottolineano che queste simulazioni si basano su tendenze storiche e non tengono conto di potenziali cambiamenti nelle politiche, nuovi sforzi di conservazione o cambiamenti nel comportamento economico. Tuttavia, la chiarezza dei dati fornisce un potente avvertimento. Suggerisce che, senza un intervento significativo per proteggere le foreste rimanenti e gestire l'espansione agricola in modo più sostenibile, il bacino idrografico potrebbe affrontare gravi sfide ambientali. I risultati offrono uno strumento critico per pianificatori e decisori politici, fornendo una base visiva e quantitativa chiara per prendere decisioni sull'uso del suolo. Comprendendo esattamente come il paesaggio stia cambiando e verso dove si stia dirigendo, la regione ha la possibilità di indirizzare il proprio sviluppo verso un futuro che bilanci i bisogni umani con la preservazione dei vitali sistemi naturali che li sostengono.