Analysis of multispectral Landsat satellites data to evaluate the color evolution of italian rivers from 1984 to 2021

Rivers are among the most important and, at the same time, most endangered ecosystems on our planet due to the countless anthropogenic activities involving them. Despite this, a large-scale understanding of their status and the evolution they undergo over time is not yet possible because of the difficulties encountered in the in-situ measurements, expensive and time-consuming, which are therefore extremely limited spatially and temporally. River color is an integrative measure of water quality and can be observed directly through satellites. The aim of this work is to overcome the limitations that currently exist on the study of rivers by using satellite imagery to analyse the status and evolution of river color; in fact, satellite imagery allows for large-scale and continuous analysis over time. Therefore, a total of 10,391 Landsat images acquired by satellites over the Italian territory were analysed over a period of 37 years, from 1984 to 2021, in order to study the largest Italian rivers. The images were processed to remove disturbing elements such as clouds, shadows, snow and ice, and the surface reflectance of the rivers was then extracted. Analysis of the dominant wavelength of each individual river section showed that the most common color of Italian rivers is green, moreover more than half of the rivers show a long-term trend in color variation. Specifically, 33.63% of the river stretches considered show a color shift toward red in the electromagnetic spectrum, while 18.74% show a shift toward blue. Finally, seasonal patterns in color variation were shown in almost all rivers, and these patterns were shown to be correlated with river flow trends.

I fiumi sono tra gli ecosistemi più importanti e al tempo stesso più a rischio sul nostro pianeta, a causa delle innumerevoli attività antropiche che li coinvolgono. Nonostante questo, non è ancora possibile una comprensione su larga scala del loro stato e dell’evoluzione a cui sono sottoposti nel tempo a causa della difficoltà nelle misurazioni in-situ, dispendiose in termini di tempo e denaro, che sono quindi estremamente limitate spazialmente e temporalmente. Il colore dei fiumi è una misura integrativa della qualità delle acque e può essere osservato direttamente tramite i satelliti. L’obiettivo di questo lavoro è proprio quello di superare le limitazioni attualmente esistenti sullo studio dei fiumi utilizzando le immagini satellitari per analizzare lo stato e l’evoluzione del colore dei fiumi; queste ultime, infatti, consentono di effettuare un’analisi su larga scala continua nel tempo. Sono state quindi analizzate un totale di 10.391 immagini Landsat acquisite dai satelliti sul territorio italiano su un periodo di 37 anni, dal 1984 al 2021, al fine di studiare i più grandi fiumi italiani. Le immagini sono state elaborate per eliminare gli elementi di disturbo quali nuvole, ombre, neve e ghiacci ed è quindi stata estratta la riflettanza superficiale dei fiumi. Dall’analisi della lunghezza d’onda dominante di ogni singolo tratto di fiume è emerso che il colore più comune dei fiumi italiani è il verde, inoltre più della metà dei fiumi mostra un trend a lungo termine nella variazione del colore. Nello specifico il 33,63% dei tratti di fiumi considerati mostra una variazione di colore verso il rosso nello spettro elettromagnetico, mentre la 18,74% mostra uno spostamento verso il blu. Sono stati inoltre evidenziati degli andamenti stagionali nella variazione del colore in quasi la totalità dei fiumi, che si mostrano correlati agli andamenti della portata dei fiumi stessi.