UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile ed Ambientale CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA PER L AMBIENTE ED IL TERRITORIO Il Kriging spazio-temporale per l interpolazione di misure della qualità dell aria acquisite tramite Relatore Ch.mo Prof. Ing. Massimiliano Fabbricino Co-relatore Dott.ssa Grazia Fattoruso Candidato Della Porta Agostino Matr. M67/413 Anno Accademico 2018/2019 1

2 Obiettivo Elaborazione di mappe di qualità dell aria a scala stradale attraverso il metodo geostatistico del kriging spazio-temporale, applicato su misure di parametri della qualità dell aria, acquisite da sensoristica innovativa mobile quale il dispositivo MONICA 2

3 Il controllo della qualità dell aria Centraline fisse: ARPA Sensori mobili: MONICA 3

4 Auto MONICA (MONItoraggio Cooperativo della qualità dell Aria) Settaggio dei parametri per la campagna Interfaccia Web Bici Passeggino Esposizione agli inquinanti in tempo reale Inquinanti rilevati CO NO2 O3 File formato.csv 4

5 Area studio: città di Portici Strade monitorate: Via Corso Umberto I Via della Libertà Via Da Vinci Via Diaz Corso Garibaldi MODALITA DI CAMPIONAMENTO Auto f=1-2 sec vmax=25-30 km/h Campagne eseguite: Fasce orarie:

6 Dati acquisiti: creazione dataset Visualizzazione tramite Interfaccia web Totale dei dati acquisiti durante la campagna di 6 giorni: I punti campionati sono circa

7 Il kriging spazio-temporale Il principio fondante della geostatistica è l autocorrelazione spaziale: Ogni cosa è collegata con le altre, ma le cose più vicine sono più collegate tra loro di quelle distanti (Tobler) Kriging spaziale Z(s) = μ +ε (s) Variogramma spaziale Kriging spazio-temporale Z(s,t) = µ(s,t) + ε(s,t) Variogramma spazio-temporale 7

8 Software R Gestione di dataset spazio-temporali mediante R l pacchetti spacetime sp xts gstat geor raster rgdal Classi dei dati STFDF (Space Time Full Data Frame ) STIDF (Space Time Irregular Data Frame) 8

9 Il codice del kriging spazio-temporale in R 9

10 Il codice del kriging spazio-temporale in R Il codice implementa: 1. L acquisizione del dataset misurato 2. Elaborazione del variogramma empirico 10

11 Il codice del kriging spazio-temporale in R Il codice implementa: 3. Elaborazione dei modelli di variogramma a) Separable model b) Product Sum model c) Metric model d) Sum-Metric model e) Simple Sum-Metric model 11

12 Il codice del kriging spazio-temporale in R Il codice implementa: 4. Calcolo per ogni modello di variogramma sperimentato dell RMSE (Root Mean Square Error). MODEL JOINT Exp+Exp Exp+Sph Sph+Exp Sph+Sph Calcola RMSE Calcola RMSE2 Calcola RMSE4 Calcola RMSE3 separable product-sum metric sum-metric Sph simple summetric Sph

13 Il codice del kriging spazio-temporale in R Il codice implementa: 5. Applicazione del Kriging per la previsione dei dati 13

14 I risultati per O3 2. I modelli di variogramma 3. Mappe di predizione spazio-temporali in R 1. I variogrammi empirici 14

15 Mappe di O3 elaborate col kriging spazio-temporale visualizzate in ArcGis Giorno Giorno Giorno Giorno Giorno Giorno Ore Ore Ore Ore 16:00 Ore 18:00 15

16 Mappe del Ore 9:00 Ore 11:00 Ore 13:00 O3 (ppb) Ore 16:00 Ore 18:00 Ora VELOCITA DEL VENTO[m/s] DIREZIONE DEL VENTO [ ] TEMPERATURA [ C] PRECIPITAZIONI [mm/h] RADIAZIONE SOLARE [W/m2] ,77 218,78 15, , , ,89 15, , ,93 253,37 16, , ,45 249,04 15, , ,94 271,157 15, ,3 16

17 Mappe del Ore 9:00 Ore 11:00 Ore 13:00 O3 (ppb) Ore 16:00 Ore 18:00 Ora VELOCITA DEL VENTO[m/s] DIREZIONE DEL VENTO [ ] TEMPERATURA [ C] PRECIPITAZIONI [mm/h] RADIAZIONE SOLARE [W/m2] ,15 245,68 15, , ,5 136,56 13, , ,76 178,3 16, , ,77 179,91 15, , ,42 199,73 15, ,07 17

18 Mappa ore 09:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 1,15 245,68 15, ,88 O3 (ppb) 18

19 Mappa ore 11:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 2,5 136,56 13, ,68 O3 (ppb) 19

20 Mappa ore 13:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 2,76 178,3 16, ,05 O3 (ppb) 20

21 Mappa ore 16:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 4,77 179,91 15, ,3 O3 (ppb) 21

22 Mappa ore 18:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazion i [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 5,42 199,73 15, ,07 O3 (ppb) 22

23 Mappe del Ore 9:00 Ore 11:00 Ore 13:00 O3 (ppb) Ore 16:00 Ore 18:00 Ora VELOCITA DEL VENTO[m/s] DIREZIONE DEL VENTO [ ] TEMPERATURA [ C] PRECIPITAZIONI [mm/h] RADIAZIONE SOLARE [W/m2] ,17 230,44 14, , ,27 209,67 15, , ,29 206,24 16, , ,43 190,29 15, , ,99 191,9 15, ,89 23

24 Mappe del Ore 9:00 Ore 11:00 Ore 13:00 O3 (ppb) Ore 16:00 Ore 18:00 Ora VELOCITA DEL VENTO[m/s] DIREZIONE DEL VENTO [ ] TEMPERATURA [ C] PRECIPITAZIONI [mm/h] RADIAZIONE SOLARE [W/m2] ,68 174,11 14, , ,05 171,86 14, , ,68 190,89 14, , ,89 188,73 15, , ,52 193,13 15, ,21 24

25 Mappe del Ore 9:00 Ore 11:00 Ore 13:00 O3 (ppb) Ore 16:00 Ore 18:00 Ora VELOCITA DEL VENTO[m/s] DIREZIONE DEL VENTO [ ] TEMPERATUR A [ C] PRECIPITAZIONI [mm/h] RADIAZIONE SOLARE [W/m2] ,80 33,87 14, , ,30 23,43 16, , ,16 18,00 17, , ,70 25,00 17, , ,45 34,76 17, ,60 25

26 Mappe del Ore 9:00 Ore 11:00 Ore 13:00 O3 (ppb) Ore 16:00 Ore 18:00 Ora VELOCITA DEL VENTO[m/s] DIREZIONE DEL VENTO [ ] TEMPERATUR A [ C] PRECIPITAZIONI [mm/h] RADIAZIONE SOLARE [W/m2] ,63 199,9 18, , ,45 233,17 18, , ,23 219,11 18, ,, ,06 177,90 18, , ,65 166,46 17, ,66 26

27 Mappa ore 09:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 1,63 199,9 18, ,99 O3 (ppb) 27

28 Mappa ore 11:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 2,45 233,17 18, ,14 O3 (ppb) 28

29 Mappa ore 13:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 2,23 219,11 18, ,06 O3 (ppb) 29

30 Mappa ore 16:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 2,06 177,90 18, ,21 O3 (ppb) 30

31 Mappa ore 18:00 Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] Temperatura [ C] Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 1,65 166,46 17, ,66 O3 (ppb) 31

32 Confronto mappe ore CONDIZIONE PIU GRAVOSA: O3 (ppb) Velocità vento [m/s] Direzione del vento [ ] 2,23 219,11 Temperatura [ C] 18,79 Precipitazioni [mm/h] Radiazione solare [W/m2] 0 834,06 32

33 Zona maggiormente critica: Incrocio tra via Diaz via Da Vinci: vista dall alto 33

34 Mappa della campagna di misura di 6 giorni con MONICA in ArcGis O3 (ppb) I punti campionati sono circa

35 Particolare della corrispondenza tra la campagna di misura e la stima di O3 ottenuta con il Kriging spazio-temporale O3 (ppb) STIMATO O3 (ppb) MISURATO Campagna di misura del Ore

36 Particolare della corrispondenza tra la campagna di misura e la stima di O3 ottenuta con il Kriging spazio-temporale O3 (ppb) STIMATO O3 (ppb) MISURATO Campagna di misura del l interpolazione di Ore misure 9.00 della qualità dell aria acquisite tramite 36

37 Particolare della corrispondenza tra la campagna di misura e la stima di O3 ottenuta con il Kriging spazio-temporale O3 (ppb) STIMATO O3 (ppb) MISURATO Campagna di misura del Ore

38 Conclusioni Attraverso l elaborazione di mappe di qualità dell aria a scala stradale, i risultati ottenuti hanno mostrato che il kriging spazio-temporale riesce a catturare in maniera dettagliata la variabilità del fenomeno dell inquinamento atmosferico osservato e ci ha permesso di individuare le zone critiche presenti nella città di Portici Sviluppi futuri: Applicazione dell algoritmo ad altri inquinanti come PM, CO e NO2 Sperimentare altri modelli di variogrammi al fine di minimizzare l errore Intensificazione delle campagne di monitoraggio per avere un maggior grado di dettaglio sulla situazione dell inquinamento nelle diverse ore del giorno all interno della città aumentando ad esempio il numero di MONICA circolanti 38

39 FINE Grazie per l attenzione! 39