El matemàtic Jun Seok Oh fa la tesi doctoral sobre l’aplicació de noves tècniques en l’anàlisi de la contaminació per macroplàstics del litoral jònic de Sicília. Els macroplàstics són un constituent major de la brossa que s’acumula a les platges després de temporals. En un article a la revista A de Philosophical Transactions of the Royal Society (la dedicada a matemàtica, física i enginyeria), Oh et al empra una estratègia multidisciplinària per entendre la distribució i dinàmica de l’acumulació de brossa en un sector del litoral nord-oriental de Sicília. Combinen imatges obtingudes per sistemes aeris (tripulats o no), un algoritme d’aprenentatge mecànic i una anàlisi de dades meteorològiques. Les imatges aeris mostren que les acumulacions de brossa afecten les platges situades prop de les desembocadures fluvials, especialment després d’inundacions sobtades. En el sector estudiat, entre el març del 2015 i el gener del 2024 s’han registrat almenys cinc inundacions sobtades que hi han deixat dipòsits de brossa. Fortes precipitacions seguides d’inundacions sobtades són les principals causant de l’acumulació de brossa en aquestes platges. L’algoritme ha identificat en imatges aeris de drons d’una de les acumulacions la presència de poliestirè (42,6%), llenya (35,6%), poliuretà (6,1%) i tereftalat de polietilè (5,4%). L’origen d’aquesta acumulació es trobaria en les poblacions veïnes i en una mala gestió dels llits fluvials. Aquesta recerca fou presentada en la trobada Theo Murphy sobre ‘Sedimentologia de plàstics’, celebrada a Birmingham el 18-19 de març del 2024.
Oh et al. combinen imatges aeris i aprenentatge mecànic per entendre l’acumulació de brossa a les platges del nord-est de Sicília arran d’aiguats sobtats
L’acumulació de brossa en platges
Jun Sek Oh, de la Facultat de Geociència de la Universitat de Bremen, i de la Universitat Martí Luter de Halle, participà en la concepció, tractament de dades, anàlisi formal, investigació, metodologia, programari i redacció de l’article. Marcello Gugliotta (Halle) participà en l’adquisició de fons, la investigació, la metodologia, els recursos, la supervisió i la redacció. Carolin Leluschko (del Grup de Recerca en Percepció Marina del Centre de Recerca Alemany d’Intel·ligència Artificial d’Oldenburg) ha participat en la metodologia, recursos i redacció. Christoph Tolen (del Centre d’Oldeburg i de la Universitat de Saarland de Ciències Aplicades) ha participat en la metodologia, recursos i redacció.
La recerca es finançà en el marc del PLAST-MESS Project. Gugliotta rebé un ajut del CDRF de la Universitat de Bremen.
Els autors agraeixen als dos revisors anònims els comentaris. També tenen paraules d’agraïment per Giovanni Randazzo i Francesco Gregorio per aportar-hi part del GIS; a Letterio Mastroeni per fotografies locals i informació de l’àrea d’estudi; a Michael Denk per assistir en les imatges de satèl·lits; a Elda Miramontes, Wolfgang Bach i Susanne Müller-Wünsch pel suport durant el projecte.
La contaminació ambiental amb plàstics és un problema emergent causat per l’augment de la producció de plàstic i la mala gestió de residus. Els rius són un dels principals mecanismes d’entrada de partícules de plàstic a mars i oceans. Les crescudes fluvials són un factor multiplicador d’aquest transport. Forts patacs d’aigua generen inundacions fluvials sobtades capaces de mobilitzar materials situats en les lleres, incloent-hi residus plàstics, i dur-los cap a la mar. En arribar a la mar, el transport i distribució de residus plàstics es fa pels patrons de circulació marina i atmosfèrica. Durant la dispersió, les partícules de plàstic pateixen fragmentacions, abrasions i meteoritzacions.
La sedimentologia de plàstics parteix de les característiques peculiars d’aquest material, particularment la seva baixa densitat. En fer front a la contaminació de les platges per plàstics es recomana la realització d’exàmens visuals. Alternativament, hom pot recórrer a sistemes aeris no-tripulats, els drons, que poden processar imatges a un ritme molt més ràpid. Aquest ritme encara es pot accelerar més a través d’algoritme d’aprenentatge mecànic per identificar i classificar brossa a partir de les imatges.
Oh et al. apliquen aquesta estratègia en una zona del litoral nord-oriental de Sicília. Aquesta regió es caracteritza per inundacions sobtades dels rius torrencials que desaigüen a la Mar Jònica.
//embedr.flickr.com/assets/client-code.js
El capo Sant’Alesio vist des del Teatre Grec de Taormina
Del Capo Alì al Capo Sant’Alessio
L’àrea d’estudi va des del Capo Alì al Capo Sant’Alessio. Inclou, doncs, sis municipis litorals de la província de Messina: Alì Terme, Nizza di Sicilia, Roccalumera, Furci Siculo, Santa Teresa di Riva i Sant’Alessio Siculo. És un litoral de fort pendent, situat al peu dels Monts Peloritani, expressió local de la cadena muntanyosa dels Apenins-Magrebins. El clima és temperat, amb un estiu eixut i calorós. La precipitació anual va de 850 a 1000 mm, la majoria concentrada en els mesos hivernals (600 mm).
A l’àrea estudiada trobem set rius: Fiumara d’Alò, Torrente Fiumedinisi, Torrente Allume, Torrente Sciglio, Torrente Pagliara, Torrente Sàvoca i Fiumara d’Agrò. Són rius torrencials, habitualment secs, amb un gradient altitudinal pronunciat i un curs breu (5-18 km). Aquestes set conques fluvials oscil·len entre els 4 i els 82 km2. Durant la major part de l’any les lleres són eixutes o amb tan sols un petit filet d’aigua, però poden omplir-se quan hi ha un episodi de pluja forta.
L’octubre del 2009, un episodi de fortes pluges provocà el desbordament dels rius torrencials de més al nord, a l’àrea metropolitana de Messina, causant la mort de 37 persones. El maig del 2023 i el gener del 2024 hi hagué dos episodis d’inundacions sobtades del Torrente Sàvoca i del Pagliara, que resultaren en l’acumulació de brossa al llarg de les platges.
Una aproximació multidisciplinar
Oh et al. fan una combinació d’un algoritme d’aprenentage mecànic sobre imatges aèries i dades meteorològiques. Prèviament, un Sistema d’Informació Geogràfic (GIS) descrigué l’àrea a través de les carreteres principals, nuclis de població, rius torrencials i conques respectives, elevació i batimetria. Les dades altimètriques s’obtingueren de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) del United States Geological Survey, amb una resolució de 30 metres. Les dades batimètriques procedeixen de l’European Marine Observation and Data Network (EMODnet), i tenen una resolució de 115 m.
Per a les imatges aèries recorregueren a les imatges satel·litals del Sentinel-2 i de satèl·lits comercials, i a les de Google Earth. La manca de resolució de les imatges satel·litals mostra la rellevància de les imatges aèries.
Les dades de precipitació horària i diària i de vent procedien del Servizio Informativo Agrometeorologico Siciliano (SIAS), que disposa de dues estacions, una a Fiumedinisi i una altra a Antillo. Així Oh et al. van poder calcular la precipitació acumulada total durant les inundacions sobtades de maig del 2023 i de gener del 2024.
Les imatges de la brossa acumulada el maig del 2023 a la platja de Furci Siculo, prop de Torrente Sàvoca, foren capturades en un vol automàtic (DJI Mavic Air) amb una càmera RGB de 12 megapíxels. Es prengueren imatges a 10 metres d’altitud, i a 20 metres, a una velocitat de 1 m s−1. Amb les imatges es creà un model fotogramètric del qual s’extragué un ortomosaic amb el programari Agisoft Metashape. L’ortomosaic fou l’input per entrenar l’algoritme d’aprenentatge automàtic. L’algoritme fa una classificació per quadrants amb una arquitectura de xarxa neural convolucional. El punt de partida era APLASTIC-Q, un algoritme de detecció de brossa de plàstic en aigües. El primer algoritme (PLD) és el detector de brossa de plàstic, capaç de distingir les categories de brossa en general, de llenya, de sorra, de roca i d’altres. El segon algoritme és un quantificador de brossa de plàstic, que considera vuit categories: ampolles de tereftalat de polietilè (PET), poliestirè (PS), poliuretà (PU), ampolles de vidre, roca, sorra, llenya i altres.
La categorització fou establerta a partir d’una avaluació in situ dels objectes de la localitat, i d’una revisió visual preliminar de les imatges. En les acumulacions de brossa destacaven les ampolles de PET, les escumes blanques de PS, les escumes grogues de PU i les ampolles de vidre. Altres materials eren sabates, pneumàtics i tubs.
L’algoritme divideix l’ortomosaic en quadres de 128 x 128 píxels. El PLD classifica cada quadre segons el material present. Si en un quadre no hi ha brossa, conclou el procés per a aquell quadre. Si n’hi ha, el quadre es dividit en quatre quadrets de 64 x 64 píxels. Els quadrets són processats pel segon algoritme (PLQ).
El desenvolupament fou conduït amb 7911 mostres per al PLQ (2852 de PS, 2086 de llenya, 1107 de sorra, 942 de roca, 474 de PU, 308 d’ampolles PET, 111 d’ampolles de vidre i 31 d’altres) i 1977 per al PLD (1269 de brossa, 298 de roca, 221 de sorra, 182 de llenya, i 7 d’altres). Per a cada algoritme, el 80% de les dades foren emprades en l’entrenament, i la resta per a la prova. L’entrenament fou conduït en 100 èpoques, amb desplaçaments horitzontals i verticals aleatoris. Les dades eren etiquetades manualment.
Dades meteorològiques i imatges aeris foren utilitzades per a identificar patrons espacials i temporals d’acumulacions de brossa i d’inundacions passades. Les imatges són analitzades amb un model d’aprenentatge automàtic.
Imatges aèries
Les imatges de Google Earth procedeixen de sistemes aeris tripulats. Oh et al. empren un conjunt d’aquestes imatges per a l’anàlisi espacial i una altra per a l’anàlisi temporal. Es tracta d’imatges de platges de l’àrea d’estudi. En les imatges es pot identificar la presència de brossa, però no es pot identificar els constituents de l’acumulació per la manca de resolució.
Les imatges de l’anàlisi espacial es corresponen a la data del 3 de maig del 2015. Prop de Torrente Sàvoca, Torrente Sciglio i Torrente Fiumedinisi hi ha acumulació de brossa elongada, paral·lela a la línia de costa, amb una amplada de 5 metre, i una continuïtat lateral fins a 100 m.
Les imatges de l’anàlisi temporal cobreixen un àrea situada a 50 metres al nord-est de la desembocadura del Fiumara d’Alì. En les imatges del 7 de juny del 2014 i del 23 de maig del 2020 no hi ha cap acumulació de brossa. En la del 21 de juliol del 2018 hi ha una acumulació molt lleugera. En la del 15 de setembre del 2017 hi ha una acumulació gairebé contínua, amb 4 metres d’amplada i 100 metres de llargada. En la del 16 de setembre del 2021 hi ha acumulació de 4 metres d’amplada i 10 metres de llargada.
Les dades meteorològiques
La precipitació total diària entre l’1 de gener del 2010 i el 30 d’abril del 2024 varia de 0 a 245 mm per a Antillo (mitjana 3,8 mm ± 13,9 mm; mediana de 0 mm) i de 0 a 162 mm per a Fiumedinisi (2,8 mm ± 9,0 mm; mediana de 0 mm). Les dues estacions es troben a una distància de 12 km, i tenen una correlació de precipitacions de 0,77, amb 2,7 vegades més precipitació a Antillo que a Fiumedinisi. Juliol és el mes més eixut (només 3 dies de precipitació). A Antillo el mes més plujós és novembre (16 dies de precipitació). A Fiumedinisi ho és el mes de gener (15 dies de precipitació).
El maig del 2023, Antillo registrà una precipitació de 205,4 mm, i un vent dominant de nord-oest (2,6 m·s–). El gener del 2024, Antillo registrà una precipitació de 110,0 mm, i un vent de llevant de 1,25 m·s–.
L’estació de Fiumedinisi registrà una forta precipitació el 17 de març del 2015 (55,6 mm). L’11 de setembre del 2017 registrà una altra de 31,0 mm. El 9 de setembre del 2021 registrà una de 28,0 mm.
L’algoritme d’aprenentatge automàtic sobre imatges de drons
Els drons captaren imatges de brossa acumulada prop de les desembocadures de Torrente Sàvoca i Furci Siculo. L’algoritme PLD identificà un 64,7% de brossa, un 14,7% de roca, un 11,5% de sorra i un 8,9% de fusta. La precisió de l’algoritme era del 85,4%.
L’algoritme PLQ trobà un 42,6% de PS, un 35,6% de llenya, un 6,1% de PU, un 5,4% d’ampolles PET, un 5,1% de sorra i roca, i un 5,2% d’ampolles de vidre amb altres materials. Hi havia doncs un domini de PS (72,0% de la brossa). Els objectes més petits detectats eren de 2 cm.
Dinàmica i distribució de la brossa de platges
Les imatges de sistemes aeris tripulats indiquen una variabilitat espacial i temporal en l’acumulació de brossa de les platges estudiades. Espacialment, les acumulacions es fan en gran mesura prop de les desembocadures dels rius torrencials. Això indica el rol principal de la dinàmica fluvial en el transport i acumulació de brossa en aquesta regió.
En les acumulacions associades als aiguats del maig del 2023 i del gener del 2024, les dades meteorològiques permeten estimar quin és el llindar de precipitació que provoca una descàrrega fluvial de brossa. Aquest llindar fou depassat també en les acumulacions del març del 2015, del setembre del 2017 i del setembre del 2021.
No sempre un aiguat provoca una acumulació de brossa a les platges. Això és especialment cert en la temporada turística, quan hi ha un esforç local de neteja. A la regió estudiada són platges de ‘Bandiera Blu’ les d’Alì Terme, Roccalumera, Furci Siculo i Santa Teresa di Riva.
A Fiumara d’Alì el pitjor episodi d’acumulació de brossa fou el setembre del 2017. Hi participà una combinació de factors: forta precipitació, règim de vents, gestió de residus.
Un factor cabdal en l’acumulació de brossa a les platges després d’un aiguat és el període previ d’eixutesa. Com més llarg és el període eixut previ, més quantitat hi ha de transport de brossa a través del sistema de drenatge fluvial. Hernández et al. (2025) han constatat al litoral barceloní que el 51,1% de les partícules foren dipositades prop de les desembocadures del Llobregat i del Besòs.
A l’àrea estudiada de Sicília, el temps de residència de la brossa a les platges és breu, tant pel que fa als objectes que suren com als que s’enfonsen. El temps de residència es pot allargar si els vent bufa cap a l’interior.
L’algoritme PLQ funciona bé en la identificació de brossa, però és millorable pel que fa a la distinció entre PET i PU. Hi podria ajudar que en les imatges hi hagués informació hiperespectral més enllà de les dades RGB.
Abocaments il·legals com els fotografiats prop de Torrente Pagliara són una de les fonts de la brossa arrossegada per rius en situacions de pluges torrencials.
Episodis de fortes precipitacions que generen inundacions sobtades mobilitzen materials de la conca fluvial i els envien cap a la mar, on les onades els fan distribuir al llarg de les platges veïnes a les desembocadures. En la brossa de les platges dominen les petites peces d’escuma de PS, però també hi ha escuma de PU i ampolles de PET.
Lligams:
– Flash-flood-driven litter accumulation on beaches studied with aerial imagery and machine learning on Sicily’s northeastern coast, southern Italy. Jun Seok Oh, Carolin Leluschko, Christoph Tholen, Marcello Gugliotta. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 383: 20240427 (2025).
Des de la Mediterrània 