Studio dei sistemi GIS per la gestione dei dati geografici in ambito idrologico

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1 Studio dei sistemi GIS per la gestione dei dati geografici in ambito idrologico Relazione di tirocinio Di Andrea Paciola Matricola Corso di Laurea in Ingegneria Civile per la protezione dai rischi naturali Facoltà di Ingegneria anno 2014

2 Sommario 1 Premessa Introduzione ai GIS Il software udig e le HortonMachine Preparazione dei dati per l'estrazione del bacino idrografico Le HortonMachine Pitfiller FlowDirection DrainDir Markoutlets Slope Curvatures Tc Estrazione del reticolo idrografico Extract network Wateroutlet

3 1 Premessa L obiettivo del tirocinio, svolto presso il laboratorio computazionale di costruzioni idrauliche-marittime, è quello di apprendere e approfondire lo studio dei sistemi GIS con particolare attenzione all analisi e alla gestione dei dati geografici per interessi legati all ambito idrologico. A tale proposito verrà presentato udig, un software open source con il quale sarà possibile descrivere la procedura per determinare il limite del bacino idrografico di interesse. 2

4 2 Introduzione ai GIS I GIS, che sono sistemi informativi territoriali dedicati allo studio ed alla gestione di dati geografici, nascono in Canada e trovano ad oggi larga diffusione in tutto il mondo. Tali sistemi venivano utilizzati soprattutto dalle amministrazioni pubbliche per la gestione dei dati territoriali, essenziali per la panificazione urbanistica e per la gestione e pianificazione delle risorse ambientali. Negli ultimi anni i GIS vengono impiegati anche nel campo ambientale e in quello della ricerca per la possibilità di accedere ad informazioni diverse correlate anche dalla posizione spaziale. Attraverso questi strumenti è possibile: - raccogliere - modellare - manipolare - analizzare presentare dati geograficamente riferiti o meglio georeferenziati. Per georeferenziazione si intende l'attribuzione di un'informazione relativa alla dislocazione geografica di un certo dato; tale posizione è espressa in un particolare sistema geodetico di riferimento (DATUM). La georeferenziazione usata nei sistemi GIS, viene applicata sostanzialmente ad ogni elemento presente: pixel (che compongono un'immagine raster), elementi vettoriali come punti, linee o poligoni e persino annotazioni.bi GIS consentono di sovrapporre differenti livelli di informazione relativi ad un area (figura 1) e quindi di ottenere una migliore comprensione dei processi che la interessano e dei fattori che la caratterizzano. Figura 1 - Esempio di un GIS 3

5 I sistemi informativi territoriali consentono inoltre di archiviare ordinatamente i dati utilizzati nelle attività analitiche e gestionali. I dati geografici possono essere messi in relazione tra di loro, organizzati in strutture ed organizzati secondo le esigenze. In generale come dati si possono importare: - elementi grafici (punti, linee, aree). - immagini. - determinati attributi associati agli elementi precedenti. 3 Il software udig e le HortonMachine udig è un software open source sviluppato da una comunità guidata dalla società di consulenza canadese Refractions Research. Programma user friendly è dotato di un interfaccia utente molto semplice da utilizzare e nella sua configurazione di base supporta una varietà di metodi di accesso ai dati, raster e vettoriali. Con file raster intendiamo oggetti definiti quasi ovunque nel dominio di interesse, al contrario quando si parla di file vettoriali si vogliono intendere oggetti discreti e discontinui, delimitati in modo preciso (edifici, aree amministrative, rete viaria). udig è in grado di interfacciarsi con JGrass, un applicazione sviluppata per l'elaborazione di dati raster necessari all'analisi idrologica e geomorfologica del territorio. Tale analisi è possibile solo attraverso l'uso delle Horton Machine, applicativi appositamente sviluppati all'interno di JGrass con l obbiettivo di fornire degli strumenti quantitativi e qualitativi per indagare la morfologia di un bacino idrografico. Le Horton Machine, partendo da un digital terrain model (DTM) e da carte topografiche, permettono infatti di risalire alle variabili necessarie per l'analisi idro-geomorfologica. I comandi delle Horton Machine sono stati suddivisi in 7 categorie: Analisi del reticolo idrografico Network Analisi relative al bacino Hydro-Geomorphology Indici idro-geomorfologici Basin Attributi del bacino Geomorphology Analisi dei versanti Hillslope Manipolazione dei DEM DEM Manipulation Statistiche Statistics 4

6 Il DEM (Digital Elevation Model) rappresenta le quote di una superficie particolare, se si utilizza un DEM si deve sempre specificare la superficie di riferimento. Un caso particolare di DEM è il DTM (Digital Terrain Model) il quale rappresenta le quote della superficie terrestre, dunque del terreno. La forma più comune ed efficiente di rappresentare un Modello Digitale del Terreno (DTM) è mediante una griglia regolare formata da celle quadrate, in ogni intersezione della maglia verrà riportata la quota del terreno e le relative coordinate se il file risulta essere georeferenziato. Aprendo il programma ci si ritrova davanti una schermata dal layout molto intuitivo (figura 2), divisa nelle seguenti finestre: Project view Layers view Tools palette Catalog view dove vengono visualizzati i progetti dove vengono visualizzati i livelli (raster e vettoriali) danno l opportunità di editare shapefile appositamente creati dove viene visualizzato il catalogo Figura 2 - Interfaccia udig 5

7 4 Preparazione dei dati per l'estrazione del bacino idrografico Le procedure per l estrazione di un bacino idrografico sono illustrate a seguire facendo riferimento ad uno specifico caso di studio; i dati a disposizione sono pertanto costituiti dal DTM (figura 3) rappresentante un'area del nord America e l'obiettivo sarà quello di estrarre un bacino idrografico attraverso l'uso delle Horton Machine, precedentemente caricate all'interno di udig. Una volta creato un proprio ambiente di lavoro, cioè una cartella dove verranno salvate tutte le mappe generate mediante le Horton Machine e dopo aver scelto il DATUM geodetico di riferimento è possibile inserire il DTM semplicemente trascinandolo all'interno della layers view che rappresenterà l'elenco con tutte le mappe caricate o realizzate con le Horton Machine (figura 2). Il funzionamento delle Horton Machine all'interno di udig è molto intuitivo, basterà dare in input le mappe richieste dal programma e specificare il nome e l'estensione dell'output che verrà collocato all'interno dell'ambiente di lavoro precedentemente creato. Figura 3 - DEM 6

8 5 Le HortonMachine 5.1 Pitfiller La prima Horton Machine da utilizzare fa parte della sezione DEM Manipulation e prende il nome di Pitfiller. Questo comando viene utilizzato per correggere eventuali "errori" (buchi, imperfezioni, valori fuori range, depressioni ) del DTM che risulterà essere il file di input (figura1), restituendo la mappa raster del DTM "depitted", file di output (figura 4). Pitfiller eliminando dal DTM eventuali punti di depressione consentirà, attraverso il comando FlowDirection di poter calcolare correttamente le direzioni di drenaggio. Figura 4 - Pitfiller 7

9 5.2 FlowDirection Il passo successivo consiste nel determinare come l acqua si muove sulla superficie in relazione alla topografia che caratterizza la regione di studio. L'istruzione FlowDirections permette di calcolare, a partire dalla mappa ricavata con pitfiller (input), le direzioni di drenaggio. Il limite all esatta individuazione del percorso naturale è legato al modo in cui la superficie terrestre viene discretizzata e quindi al fatto di avere solo 8 possibili direzioni verso le quali dirigere il flusso. Flowdirections individua le direzioni di drenaggio dirigendo il flusso lungo la linea di massima pendenza secondo lo schema D8 mostrato in figura 5, nella stessa è rappresentata la convenzione adottata per la numerazione delle 8 direzioni di drenaggio possibili, mentre in figura 6 il risultato finale. Figura 5 - Direzioni di drenaggio Figura 6 - Flowdirection 8

10 5.3 DrainDir Un modo analogo per determinare le direzioni di deflusso è utilizzare il pacchetto Draindir, che restituisce la mappa raster delle direzioni di drenaggio corrette secondo l algoritmo di Orlandini et al., 2003, partendo dalla mappa "depitted" e dalla mappa delle flowdirection. Tale pacchetto è indispensabile per minimizzare la deviazione rispetto al percorso realmente seguito dall acqua durante la discesa da monte verso valle, calcolato precedentemente con il metodo usato in Flowdirections. Il programma calcola anche le aree contribuenti (TCA o Total Contributing Area) che rappresentano la proiezione sul piano orizzontale delle aree che afferiscono ad un punto del bacino. Il calcolo di tale quantità avviene percorrendo da tutti i punti del bacino le direzioni di drenaggio e cumulando l area a monte. I risultati sono mostrati in figura 7 e 8. Se invece si volessero determinare le direzioni di drenaggio con il pacchetto flowdirection allora per ricavare la mappa delle TCA bisognerebbe utilizzare la Horton Machine specifica che si trova su Geomorphology e che prende propio il nome di Tca. Figura 7 - DrainDir 9

11 Figura 8 - Total contribution area (TCA) 5.4 Markoutlets A questo punto è necessario fissare sulla mappa delle direzioni di drenaggio tutti i punti di uscita dalla regione considerata. Seguendo le direzioni di drenaggio ricavate grazie al comando DrainDir (input), si arriva infatti sul bordo del DEM. I punti sul bordo, sono la chiusura di un bacino idrografico. MarkOutlets individua questi punti. Si è adottata una convenzione per la quale a tutte le uscite viene sostituito 10 al valore della direzione di drenaggio preesistente. Nell esecuzione delle prossime routine si farà sempre riferimento alle direzioni di drenaggio con le uscite marcate, anche se non specificato. I risultati sono visualizzati in figura 9. Figura 9 - MarkOutlets 10

12 5.5 Slope Stima la pendenza in ogni punto utilizzando come input le direzioni di drenaggio (flowdirection) e il file depittato (pitfiller). Differentemente da flowdirection, slope calcola il dislivello tra la cella generica e ogni cella adiacente ad essa (8 celle) e divide il risultato per la lunghezza tra le celle. Il valore della pendenza sarà il massimo tra gli 8 valori così calcolati. I risultati sono mostrati in figura 10. Figura 10 - Slope 11

13 5.6 Curvatures Partendo dalla mappa depittata consente di ricavare tre mappe raster rappresentanti le curvature longitudinali, planari e tangenziali. Le curvature rappresentano la deviazione del vettore gradiente per unità di lunghezza (in radianti) lungo particolari curve tracciate sulla superficie e in esame. Sono un elemento fondamentale per l'identificazione dell'incisione fluviale. Curvature longitudinali Le curvature longitudinali rappresentano le variazioni del gradiente lungo il flusso. (Figura 11) Curvature tangenziali Le curvature tangenziali rappresentano la variazione della pendenza lungo le direzioni individuate dalle linee di livello. (Figura 12) Curvature planare Le curvature planari rappresentano una misura della divergenza del flusso. (Figura 13) Figura 11 - Curvatura longitudinale Figura 12 - Curvatura tangenziale 12 Figura 13 - Curvatura planare

14 5.7 Tc Il comando Topological Classes permette di classificare il territorio, suddividendolo secondo nove classi topografiche in relazione al valore di curvatura longitudinale e planare. A partire da queste nove classi il programma fa una riclassificazione della mappa raggruppando tali classi nelle tre categorie di siti concavi, convessi e planari. Il programma chiede di imporre un valore soglia alla curvatura longitudinale e su quella normale per definire la planarità (i siti che presentano una curvatura minore in valore assoluto della soglia vengono considerati planari). In genere per determinare questo valore vanno fatti degli esperimenti per ogni bacino, in relazione alla topografia. Le convenzioni adottate per la descrizione delle classi topografiche sono: 10 siti planare - parallelo; 20 siti convesso - parallelo; 30 siti concavo - parallelo; 40 siti planare - divergente; 50 siti convesso - divergente; 60 siti concavo - divergente; 70 siti planare - convergente; 80 siti convesso - convergente; 90 siti concavo - convergente. nella mappa in cui le 9 categorie (TC9) vengono raggruppate in 3 fondamentali (TC3), le convenzioni adottate sono quelle mostrate in figura 14: 13 Figura 14 - TC9/TC3

15 Figura 15 - TC9 Figura 16 - TC3 14

16 6 Estrazione del reticolo idrografico 6.1 Extract network Una volta determinata la distinzione tra siti concavi, convessi e planari si può procedere all estrazione del reticolo idrografico utilizzando il seguente metodo, che restituisce la mappa raster ed anche il file vettoriale ".shp"(shape file). Per fare questo bisogna utilizzare l Horton Machine extract network che prenderà in input la mappa delle flowdirection (ottenuta utilizzando però il comando markdrain), la TCA (total contribution area), la slope e il TC3 (ottenuta come precedentemente detto con il comando Tc). Sarà inoltre possibile specificare il dettaglio della rete idrografica estratta andando a ridurre il valore di soglia (threshold) che di default è posto pari a 100 [adim]. In input bisognerà specificare anche il "processing mode" cioè il valore etichetta che identificherà il reticolo idrografico (nel caso specifico si è scelto di inserire il valore 2). I risultati vengono presentati in figura 17 e 18. Figura 17 - extract network raster 15

17 Figura 18 - extract network vettoriale 6.2 Wateroutlet Una volta ottenuto il reticolo idrografico con il metodo descritto in precedenza, è possibile estrarre il sottobacino di interesse (che rappresenta solo una parte dell area finora analizzata) e procedere quindi all analisi geomorfologica. Il programma richiede di indicare la sezione di chiusura del bacino idrografico. Per individuare la sezione di chiusura è sufficiente cliccare con info (figura 2) su un punto che appartenga al reticolo idrografico descritto nella mappa Net100, occorre assicurarsi che il punto selezionato abbia valore 2 (valore descritto in precedenza nel comando extract network), cioè appartenga effettivamente all alveo e non a un versante e che ha un valore di defult di La coordinata Nord ee Est del pacchetto Wateroutlets verrà inserita automaticamente una volta scelta la sezione di chiusura. Il risultato finale è mostrato in figura

18 Figura 19 - bacino estratto Bibliografia Orlandini S., Moretti G., Franchini M.: Path-based methods for the determination of non dispersive drainage directions in grid-based elevation models., Water Resources Research, Vol. 39, NO. 6, 1144, doi: /2002wr001639,