MANUALE D USO DEL SOFTWARE APPLICATIVO ADB-TOOLBOX (VERSIONE 1.7 E SUPERIORI) ESTENSIONE ANALISI GEOMORFOLOGICHE (AGEOM)

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1 Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare MANUALE D USO DEL SOFTWARE APPLICATIVO ADB-TOOLBOX (VERSIONE 1.7 E SUPERIORI) ESTENSIONE ANALISI GEOMORFOLOGICHE (AGEOM)

2 Titolo Autore Oggetto Argomenti Parole chiave ESTENSIONE ANALISI GEOORFOLOGICHE (ACLIM) ADB-TOOLBOX (VERSIONE 1.7 E SUPERIORI) Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare - Geoportale nazionale Manuale utente Utilizzo estensione Analisi Geomorfologiche (AGEOM) ADB TOOLBOX Analisi geomorfologiche, DEM, parametri morfometrici, area drenata, direzioni deflusso, distanza idrografica, pendenza, esposizione, Hillshade, scabrezza topografica, Stream Power Saturation, curvatura, Melton, Mass Transport and Deposition, Relative Elevation Attribute. Thesaurus - Descrizione Responsabile pubblicazione La guida è finalizzata all uso dell estensione Analisi Geomorfologiche presente all interno del software ADB TOOLBOX Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare - Geoportale nazionale Contributi - Data stesura Tipo Formato dei dati Nome e versione del software Documento testuale PDF Adobe Acrobat Identificatore - Origine - Lingua dei dati ITA Riferimenti/Relazioni - Commenti - Copertura - Diritti Creative Commons Attribuzione - Non commerciale - Condividi allo stesso modo 3.0 Unported License Dimensione Lingua del metadato ITA Responsabile del metadato Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare - Geoportale nazionale 2

3 Stato del documento Funzione Data Redatto Team di progetto Geoportale nazionale Approvato Responsabile di progetto: Dott. Salvatore Costabile Revisioni del documento N.Rev Stesura Modifiche Redatto Approvato 1 Aggiornamento dell impaginazione e revisione contenuti. 3

4 Acronimi e definizioni Nella seguente tabella sono riportati gli acronimi e le abbreviazioni utilizzate nel documento che non sono usati comunemente o che si vogliono comunque specificare. ACRONIMO O DEFINIZIONE DESCRIZIONE GN MATTM AGEO CED ADB TOOLBOX AF DEM GIS IDW OGC PRISM RTI SCC SCF SDI SVF WCS Geoportale nazionale Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare Estensione analisi Geomorfologiche Centro Elaborazione Dati Software Applicativo Analisi Funzionale Digital Elevation Model (Modello Digitale dell Elevazione) Geographical Information System (Sistema Informativo Geografico) Inverse Distance Weighting Open GIS Consortium Parameter Elevation Regressions on Independent Slopes Model Raggruppamento Temporaneo d Imprese (composto da Eutelia S.p.a.- Compagnia Generale Riprese aeree S.p.A. BETA Studio S.r.l. Sistema Cartografico Cooperativo Snow Correction Factor Spatial Data Infrastructure Sky View Factor Web Coverage Service 4

5 ACRONIMO O DEFINIZIONE DESCRIZIONE WFS WMS JUMP ACI DENET MTD GSEC RLP Web Feature Service Web Map Service Java Unified Mapping Platform Atlante Climatico e Idrologico Deficit on channel Network Mass Transported Deposition Gauge Site Exposure Classe Regressione Lineare Pesata 5

6 INDICE 1. Introduzione Analisi geomorfologiche DEM Depittaggio DEM Parametri morfometrici Area drenata, direzioni di deflusso, distanza idrografica Pendenza ed esposizione Hillshade Indice di Openess Indice di scabrezza topografica Indice di stream power e saturazione Curvatura Deficit on channel network (DENET) Indice di Melton Mass Transport and deposition (MTD) Relative Elevation Attribute (REA) Analisi su kernel Bibliografia

7 1. Introduzione La Direzione Generale per la Difesa del Suolo del Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM), in conformità ai suoi compiti istituzionali e vista la necessità di far fronte a emergenze ambientali presenti e future si è voluta dotare di un infrastruttura capace di fornire e gestire in modo capillare informazioni geografiche su tutto il territorio nazionale. Tale infrastruttura, denominata Sistema Cartografico Cooperante (SCC), è costituita dal Geoportale nazionale (GN) e dalla connessa rete dei CED federati dislocati presso le Pubbliche Amministrazioni Centrali e Locali ed è finalizzata allo scambio efficiente di dati e informazioni geospaziali, territoriali e ambientali. Obiettivo del progetto è stata la realizzazione di una infrastruttura tecnica e tecnologica attraverso la quale condividere a tutti i livelli della Pubblica Amministrazione, centrale e locale, la cartografia disponibile sul territorio nazionale mediante protocolli standard internazionali conformi alle specifiche dell OpenGIS Consortium (OGC), senza la necessità di trasferimento fisico del dato, nel pieno rispetto del principio della sussidiarietà e del libero scambio delle informazioni. Gli obiettivi specifici del progetto hanno compreso: estensione del network del Sistema Cartografico Cooperante mediante potenziamento hardware e software dell infrastruttura centrale presso il ministero (GN) e creazione di 69 nuovi CED federati; aggiornamento delle banche dati cartografiche del Ministero attraverso la produzione di ortofoto digitali a colori; sviluppo e applicazione di software operativi specifici di elaborazione e analisi di dati territoriali e ambientali: progettazione e sviluppo del software applicativo AdB-ToolBox; pianificazione ed erogazione del servizio di formazione attraverso la realizzazione di sessioni teoriche e pratiche sull uso operativo della piattaforma del GN e del software applicativo implementato. Dal punto di vista operativo, il progetto è stato realizzato in due fasi che hanno previsto un primo sviluppo dell infrastruttura del Sistema Cartografico Cooperante e un aggiornamento delle banche dati del GN ( ) e la loro sua successiva estensione ( ). Con particolare riferimento al software applicativo implementato (AdB-ToolBox), il primo contratto [A01] ha previsto lo sviluppo di un applicativo che, oltre alle più comuni funzionalità dei Sistemi Informativi Geografici, mettesse a disposizione dei Centri Federati del SCC strumenti e 7

8 funzionalità specifiche per l analisi idrologica (Sottosistema Analisi Idrologiche). La versione 1.3 del software, inoltre, inserendosi nel quadro di una infrastruttura tecnologica di servizi e funzionalità comuni a tutto il Sistema Cartografico Cooperante, implementa meccanismi di interoperabilità quali i servizi WMS (Web Map Service), WFS (Web Feature Service) e WCS (Web Coverage Service). L applicativo si caratterizza inoltre per il fatto di essere basato su tecnologie e librerie di tipo open source che lo rendono uno strumento standard e aperto, consultabile da diverse categorie di utenza per analisi di diverso livello di complessità. In particolare lo sviluppo delle funzioni GIS generiche è stato basato su piattaforma OpenJUMP (Java Unified Mapping Platform). Le attività di sviluppo evolutivo del software hanno successivamente portato ad una profonda riorganizzazione e al potenziamento di AdB-ToolBox. In particolare tale sviluppo evolutivo, che ha portato al rilascio della versione di AdB-ToolBox, ha compreso: integrazione e potenziamento delle funzionalità GIS del software applicativo con particolare riferimento alle funzionalità di editing (modifica e creazione di feature e relativi attributi), a quelle di analisi (creazione di buffer, operazioni di intersezione, overlay, unione, algebra vettoriale), a quelle di importazione ed esportazione (che sono state estese ad un maggior numero di formati) e a quelle di stampa; l integrazione e il potenziamento del sottosistema Analisi idrologiche (AI) con particolare riferimento al potenziamento degli algoritmi di depittaggio del DEM, di calcolo dell idrogramma di progetto, di calcolo dell area drenata, di calcolo delle statistiche descrittive e all integrazione di nuove funzionalità per l analisi dei raster, per il miglioramento della rappresentazione grafica dei risultati, per il miglioramento dell usabilità del sottosistema (impostazione dei layer di input, indipendenza degli output, miglioramento delle interfacce); lo sviluppo del sottosistema Atlante Climatico e Idrologico (ACI) che, sulla base di informazioni termiche e pluviometriche acquisite da stazioni di misura puntuali, permette di generare una serie di strati informativi relativi alle caratteristiche termiche e pluviometriche del territorio e da essi trarre indicazioni su alcuni termini essenziali del bilancio idrologico e quindi delineare le specificità del territorio in relazione alla risorsa idrica; lo sviluppo del sottosistema FIST per la definizione, l aggiornamento e la gestione tecnica e amministrativa del quadro del fabbisogno di interventi finalizzati alla sicurezza del territorio. Lo sviluppo evolutivo del software applicativo ha previsto inoltre che i sottosistemi sviluppati vengano implementati come estensioni di AdB-ToolBox. All avvio dell applicazione vengono 8

9 pertanto caricate le estensioni, le componenti di run-time, che sono librerie JAR, e aggiungono funzionalità all applicazione. Queste funzionalità aggiuntive possono essere in forma di plug-in, sotto forma di elementi di menù, di cursor tool, cioè bottoni della toolbar, di renderer, ossia modalità di visualizzazione dei dati, o di data source driver, ovvero componenti per la lettura e l eventuale scrittura di diversi formati di dati. La release 1.5 di AdB-ToolBox, include una riorganizzazione ed una integrazione delle estensioni presenti nella versione precedente, resasi necessaria allo scopo di aumentare la semplicità di utilizzo del software. In particolare comprende le seguenti estensioni e funzionalità o Plug-in. Il presente documento costituisce pertanto il manuale d uso dell Estensione Analisi Geomorfologiche (AGEOM) del software applicativo AdB-ToolBox (versione 1.7 e superiori) e illustra le modalità operative per l uso delle funzionalità dell estensione. ESTENSIONE PLUG-IN Indici energetici Orizzonte apparente Rapporto energia diretta/diffusa Sky View Factor (SVF) Aggregazione dati climatici Analisi Climatiche (AClim) Analisi spaziale stazioni Correzione precipitazioni Importazione XYZ in layer Interpolazione dati spaziali Interpolazione precipitazioni Interpolazione temperatura Area drenata, Direzioni di deflusso, Distanza idrografica Analisi Geomorfologiche (AGeom) Curvatura Deficit on channel NETwork (DENET) DEM 9

10 ESTENSIONE PLUG-IN Depittaggio DEM Hillshade Indice di Melton Indici topografici Mass Transport and Deposition (MTD) Pendenza ed esposizione Relative Elevation Attribute (REA) Aree in dissesto attivo Efficienza idrologica del soprassuolo Gruppi idrologici Permeabilità dei litotipi Propensione al dissesto Analisi Idrogeologiche (AIdro) Curve Number Deflusso locale Reticolo idrografico (era: Idrografia di sintesi) Indice di Horton-Strahler Quantili di precipitazione Tempi di residenza Spartiacque (era: Watershed) Aree e volumi Analisi Topografiche (ATopo) Profili longitudinali Sezioni trasversali Campionamento raster Strumenti raster (StRas) Combinazione raster Maschera raster Riclassificazione raster 10

11 ESTENSIONE PLUG-IN Ritaglia strato Vettorializza layer raster Statistiche descrittive Visualizzazione proprietà raster Fabbisogno di interventi finalizzati alla sicurezza del territorio (FIST) Visualizzazione pratica Istruzione pratica Conversione Grid Floating Point in ASCII (xyz) Conversione Grid Floating Point in ASCII GRID Conversioni LIDAR Conversione file ASCII (xyz) in formato WKT Conversione file WKT in formato ASCII (xyz) Creazione e mosaicatura GRID Floating Point da ASCII (xyz) Creazione e mosaicatura GRID Floating Point da ASCII GRID Visualizzazione header file LAS Visualizzazione ingombro file LAS 11

12 2. Analisi geomorfologiche L estensione Analisi Geomorfologiche comprende un set di strumenti accessibili attraverso il menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche (Figura 1). Si consiglia di utilizzare raster di dimensioni non elevate in termini di Mega Byte per le elaborazioni di seguito esposte. Figura 1 Menù per accedere all estensione Analisi geomorfologiche. 12

13 2.1. DEM Lo strumento per il calcolo del DEM è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > DEM (Figura 2). Figura 2 Finestra di dialogo DEM. A partire da feature, di tipo puntuale o lineare, con informazione di quota vengono interpolati i raster relativi a quota, pendenza ed esposizione, ottenendo rispettivamente i file di output denominati DEM, Carta delle pendenze e Carta dell esposizione. Le feature quotate vengono forniti come layer vettoriale. Tale layer può contenere sia feature 3D, nelle quale l informazione Z è contenuta nella geometria stessa, sia feature 2D, per le quali è necessario specificare l attributo che identifica la quota. 13

14 Lo strumento permette di salvare e caricare i parametri di calcolo in un file di testo mediante i pulsanti Carica e Salva. Le caratteristiche spaziali dei raster in output, definite dai parametri origine, estensione e dimensione della cella, possono essere impostate manualmente oppure desunte dall estensione dei punti o da raster esistenti mediante il menù a discesa Estensione. In questa finestra vengono riportati i raster attualmente aperti in AdB-ToolBox, ma è anche possibile sceglierne un altro mediante il tasto Scegli. INPUT Layer quote X e Y origine Estensione Estensione X Estensione Y Cella Smoothing Max kernel DEM Carta delle pendenze Carta dell esposizione Layer vettoriale delle feature Coordinate dell origine delle griglie in output. Le coordinate si riferiscono allo spigolo in basso a sinistra (lower-left corner) delle griglie. Raster dal quale importare l estensione del DEM Estensione sull asse X dei raster in output Estensione sull asse Y dei raster in output Dimensione del lato della cella Un basso valore di Smoothing Factor produce carte di output spigolose con possibilità di repentine variazioni di quota, pendenza ed esposizione anche tra celle contigue. Al contrario un valore elevato produce carte dolci, senza brusche variazioni. Il valore di default è pari a 10 che risulta adatto alla maggior parte dei casi. Raggio massimo, in celle, della finestra (kernel) per la ricerca dei punti quotati. Il valore di default è 20, che può essere aumentato nel caso le carte di output fossero presenti dei buchi, ovvero delle aree non coperte da dati. OUTPUT Nome da assegnare al modello digitale del terreno. Il DEM è associato alla simbologia DEM. Nome da assegnare alla carta delle pendenze. La carta è associata alla simbologia Pendenza. Nome da assegnare alla carta dell esposizione La carta è associata alla simbologia Esposizione. 14

15 2.2. Depittaggio DEM Lo strumento per il depittaggio del DEM è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Depittaggio DEM (Figura 3). Figura 3 Finestra di dialogo Depittaggio DEM. Per ottenere un DEM adatto alle analisi idrologiche, ossia un DEM idrologicamente corretto, è necessario sottoporlo a un filtraggio per eliminare le depressioni locali, denominate pit. Tale operazione viene anche chiamata depittaggio. Il DEM grezzo può, infatti, contenere celle la cui quota è inferiore alla quota di tutti le otto celle circostanti. La presenza di queste celle, che di norma non inficia la validità del modello altimetrico, può rivelarsi esiziale nel caso di applicazioni idrologiche specifiche, quali la definizione dei percorsi idrologici nei bacini idrografici. Lo strumento mette a disposizione due algoritmi di depittaggio: uno di scavo e uno di riempimento. L algoritmo di scavo è generalmente più rapido di quello di riempimento, tuttavia ci 15

16 sono dei casi in cui non riesce a portare a termine il depittaggio producendo dei messaggi di errore. Si consiglia quindi di utilizzare l algoritmo di scavo come prima scelta, e di ricorrere all algoritmo di riempimento solo quando necessario. Lo strumento, operando con l algoritmo di scavo, registra le operazioni effettuate in un file di testo denominato <depitlog> (Figura 4). Per ciascuna depressione, o pit, rilevata, si riportano: numero sequenziale del pit, quota iniziale, colonna, riga, numero di pixel adiacenti esterni al bacino, iterazione; quota modificata, leggermente inferiore a quella più bassa delle otto circostanti; quota e coordinate del solver, cioè il pixel più vicino a quota inferiore; quota e coordinate dei pixel scavati ; canale d uscita fino al solver. Figura 4 Esempio di file di denominato <depitlog> Eccezionalmente, operando con l algoritmo di scavo, si verificano situazioni in cui lo strumento non riesce a risolvere una depressione. In tal caso viene segnalato un messaggio di errore e viene prodotto anche un file di testo supplementare denominato <pitremoverker.log> che riporta i valori di quota dei pixel circostanti il pit in una finestra 8x9. 16

17 INPUT DEM in input Algoritmo di depittaggio Coordinata origine X DEM grezzo, non idrologicamente corretto Algoritmo di depittaggio utilizzato: scavo o riempimento [OPZIONALE] Posizione della sezione di chiusura in coordinate geografiche. La coordinata X deve essere lasciata uguale a 0 nel caso il DEM copra una superficie arbitraria, non definita da uno spartiacque idrografico Algoritmo di scavo Algoritmo di riempimento DEM depittato Coordinata origine Y Frame (celle) Step z (m) Crea DEM idrologicamente corretto [OPZIONALE] Posizione della sezione di chiusura in coordinate geografiche. La coordinata Y deve essere lasciata uguale a 0 nel caso il DEM copra una superficie arbitraria, non definita da uno spartiacque idrografico Dimensione del lato della finestra entro la quale viene ricercato un solver per un determinato pit. La finestra è quadrata, e il pit si trova al centro della stessa. Un frame più ampio aumenta le possibilità di trovare un solver, ma aumenta anche i tempi di calcolo. Lo step rappresenta la profondità del pit residuo. Questa opzione permette la creazione di DEM in cui tutte le celle sono risolte per la sezione di chiusura. Se l opzione non viene selezionata, nel DEM, in output potrebbero esserci zone con celle adiacenti a quota costante. OUTPUT Nome da assegnare al modello digitale del terreno idrologicamente corretto. Il DEM è associato alla simbologia DEM. Mappa pit Nome da assegnare alla mappa dei pit in output. Nella mappa dei pit le celle assumano i seguenti valori: -1: celle non corrette; -3: solver ; -5: canale; -6: pit prodotto durante iterazione -8 pit. 17

18 2.3. Parametri morfometrici Lo strumento per il calcolo dei parametri morfometrici è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Parametri morfometrici (Figura 5). Figura 5 Finestra di dialogo Parametri morfometrici. Questo strumento permette di calcolare i principali parametri morfometrici per un bacino idrografico per il quale sia disponibile un DEM. I parametri calcolati sono: area topografica; area effettiva; quota minima, media e massima; curva ipsografica, dimensionale e adimensionale. 18

19 Per calcolare i parametri morfometrici: selezionare il DEM; [opzionale] selezionare il raster della pendenza. Se non viene selezionato, la pendenza viene calcolata a partire dal DEM utilizzando la formula di Horn (Horn, 1981); [opzionale] se si desidera che venga calcolata la curva ipsografica adimensionale, premere il pulsante Adim ; premere il pulsante Esegui. Una volta che i parametri morfometrici sono stati calcolati, è possibile esportarli tutti in un unico file di testo, premendo il pulsante Esporta e specificando il nome del file in output. Un esempio del contenuto di questo file è riportato di seguito (Figura 6). Figura 6 Esempio di file di output con i valori dei parametri morfometrici. 19

20 2.4. Area drenata, direzioni di deflusso, distanza idrografica Lo strumento per il calcolo dell area drenata, delle direzioni di deflusso e della distanza idrografica è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Area drenata, direzioni di deflusso e distanza idrografica (Figura 7). Figura 7 Finestra di dialogo Area drenata, direzioni di deflusso e distanza idrografica. Sulla base del solo DEM idrologicamente corretto è possibile ricavare i percorsi del deflusso superficiale che collegano ciascuna cella del raster alla sezione di chiusura, generando quindi le carte dell area drenata, delle direzioni di deflusso e della distanza idrografica. Per il calcolo delle direzioni di deflusso sono disponibili quattro algoritmi: D-8, D-8 Facets, D-Inf, MultiFlow. D-8 : è l algoritmo tradizionale di calcolo. Viene calcolato il gradiente di quota, pendenza, verso le otto celle circostanti sulla base della differenza di quota e della distanza tra i centri delle celle. Si suppone quindi che il deflusso scelga la direzione della massima pendenza. D8 Facets : costituisce una variante del modello D8 Classic in cui l azimut viene calcolato a facets con le stesse modalità di D-Inf, ma forzato ad assumere un valore multiplo di 45. D-Inf : il gradiente di quota viene calcolato su otto facets triangolari, di ampiezza 45, ciascuna costituita da tre vertici di diversa quota. Due facets adiacenti condividono la cella centrale e una cella del kernel. I tre vertici individuano univocamente un piano 20

21 inclinato la cui pendenza ha una specifica direzione. Degli otto piani si sceglie quello con pendenza massima. L angolo è compreso tra 0 e 360, in senso antiorario con origine a destra Se l angolo non coincide con una direzione cardinale o diagonale il deflusso viene suddiviso tra due celle adiacenti secondo una proporzione dettata in rapporto all azimut. MultiFlow : calcolati i gradienti, come nell algoritmo D8 Classic, il deflusso teorico viene suddiviso tra tutti i percorsi possibili, quelli con gradiente negativo, con percentuali diverse date da un fattore di pesatura ricavato dai gradienti stessi. Se si dispone delle bluelines in formato vettoriale, è possibile guidare la direzione del deflusso verso la topologia del reticolo idrografico standard. In tal caso il programma costruisce un grid temporaneo in cui ciascun pixel viene classificato se è attraversato da un tronco di rete. Al momento del calcolo i pixel del kernel classificati vengono abbassati di una determinata. In tal modo aumenta la probabilità che la pendenza massima vada proprio nella direzione di un pixel corrispondente al reticolo standard. Nel raster dell area drenata i valori vanno da uno, per tutte le celle sorgente che drenano solo se stessi, al numero totale di celle del bacino per la sezione di chiusura. La distanza idrografica è la lunghezza del percorso del deflusso superficiale da ciascuna cella alla sezione di chiusura. Essa può essere calcolata solamente quando, nella griglia, esiste una sola sezione di chiusura, ovvero, quando il file del DEM copre una superficie definita da uno spartiacque idrografico. Lo strumento permette di salvare, e caricare, i parametri di calcolo in un file di testo mediante i pulsanti Carica e Salva. INPUT DEM DEM idrologicamente corretto (cfr. sez. 2.1) Algoritmo Bluelines Algoritmo utilizzato per i calcoli: D-8, D-8 Facets, D-Inf, MultiFlow. [OPZIONALE] Layer vettoriale del reticolo idrografico standard. OUTPUT Cartella di output Raster area drenata Cartella in cui verranno creati i raster in output. Nome da assegnare al raster dell area drenata. La carta è associata alla simbologia Area drenata. 21

22 Raster direzioni di deflusso Raster distanza idrografica Nome da assegnare al raster delle direzioni di deflusso. La carta è associata alla simbologia Direzioni di deflusso. [OPZIONALE] Nome da assegnare al raster della distanza idrografica. Questo raster può essere generato solo nel caso in cui nella griglia esiste una sola sezione di chiusura, ovvero quando il DEM copre una superficie definita da uno spartiacque idrografico. La carta è associata alla simbologia Distanza idrografica. 22

23 2.5. Pendenza ed esposizione Lo strumento per il calcolo di pendenza ed esposizione a partire da un DEM preesistente è accessibile dal menù Analisi > Analisi Geomorfologiche > Pendenza ed esposizione (Figura 8). Figura 8 Finestra di dialogo Pendenza ed esposizione. Questo strumento permette di calcolare i raster di pendenza ed esposizione a partire da un raster DEM. I risultati ottenibili sono molto simili, ma non identici a quelli ottenibili con lo strumento DEM. INPUT Raster DEM Modello dell elevazione OUTPUT Raster pendenza Raster esposizione Raster della pendenza. La carta è associata alla simbologia Pendenza Raster dell esposizioni. La carta è associata alla simbologia Esposizione 23

24 2.6. Hillshade Lo strumento per il calcolo dell hillshade è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Hillshade (Figura 9). Figura 9 Finestra di dialogo Hillshade. L hillshade è la rappresentazione di un illuminazione ipotetica di una superficie. Il calcolo dell hillshade avviene simulando la presenza di una fonte di luce, la cui posizione viene scelta dall utente specificando zenit e azimut, che solitamente viene posta a nordovest rispetto alla superficie interessata. La relazione utilizzata per il calcolo dell hillshade HS è la seguente: HS (( cos( Z ) cos( S )) + ( sin( Z ) sin( S) ( A ))) = 255 cos A S dove: Z è lo zenit espresso in radianti; S è la pendenza; A è l azimut espresso in radianti; AS è l esposizione. 24

25 INPUT Pendenza Esposizione Zenit Azimut Raster della pendenza Raster dell esposizione Elevazione sull orizzonte della fonte di illuminazione [ gradi ]. Orientamento rispetto al nord (con rotazione in senso orario) della fonte di illuminazione [ gradi ]. OUTPUT Hillshade Raster dell hillshade 25

26 2.7. Indice di Openess Lo strumento per il calcolo dell indice di scabrezza topografica è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Openness (Figura 10). Figura 10 Finestra di dialogo Indice di Openess. Il parametro morfometrico dell Openness (Yokoyama et al., 2002) permette di rappresentare la topografia senza la necessità di imporre a priori la direzione di una fonte di illuminazione. L Openness esprime il grado di dominanza o depressione topografica di un luogo in una superficie irregolare ed è rappresentato dalla misura angolare della relazione tra il rilievo della superficie ed una distanza orizzontale. La misura è calcolata a partire dagli angoli zenitali e nadirali lungo otto direzioni azimutali. L Openness ha due prospettive visuali e dunque può essere espresso da due indici differenti. L indice positivo di Openness restituisce solamente valori positivi che esprimono l apertura al di sopra della superficie e che sono maggiori per le forme convesse. L indice di Openness negativo produce valori negativi che descrivono questo attributo al di sotto della superficie e che sono maggiori per le forme concave. Per il calcolo dell Openness, oltre al DEM, deve essere specificata la distanza radiale, da ogni cella, entro la quale viene effettuato il calcolo. A tale proposito lo strumento dà la possibilità di impostare una distanza costante nelle otto direzioni azimutali, utilizzando l opzione Circolare, oppure una distanza non costante, selezionando l opzione Quadrato. Nel primo caso, il numero di celle considerato sulle direzioni diagonali sarà uguale al numero di celle considerato sulle direzioni 26

27 ortogonali moltiplicate per 2 2. Nel secondo caso, il numero di celle considerato sulle direzioni diagonali sarà uguale al numero di celle considerato sulle direzioni ortogonali. Variando il valore della distanza è possibile rappresentare forme da piccola a grande scala. 27

28 2.8. Indice di scabrezza topografica Lo strumento per il calcolo dell indice di scabrezza topografica è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Indice di scabrezza topografica (Figura 11). Figura 11 Finestra di dialogo Indice di scabrezza topografica. Questo strumento permette di calcolare la mappa dell indice di scabrezza topografica, che misura la variabilità locale delle quote. L indice viene calcolato facendo scorrere sulle celle del DEM in input una finestra mobile quadrata di dimensioni impostate dall utente. Per ogni cella vengono quindi considerate le celle circostanti incluse nella finestra. Ad esempio, per una finestra con un valore di cinque celle, significa che viene preso in esame un intorno della cella di 5 5 = 25 celle. La dimensione della finestra deve essere quindi un numero positivo intero e dispari, compreso tra 3 e 15. La dimensione della finestra può essere specificata sia in celle sia in metri. Nel secondo caso, la dimensione in celle viene calcolata automaticamente. La relazione che viene utilizzata per calcolare la scabrezza topografica ( σ ) è la seguente: σ = k k i=1 ( x x ) i k k m 2 28

29 dove: k è la dimensione della finestra; x i è il valore di una specifica cella all interno della finestra; x m è la media dei valori delle celle ricadenti nella finestra. La scelta della dimensione della finestra è legata alle reali dimensioni delle forme che si intendono caratterizzare. Il limite inferiore è dato dalla dimensione della cella del DEM, il limite superiore è pari alle dimensioni delle forme più grandi presenti nell area di studio. 29

30 2.9. Indice di stream power e saturazione Lo strumento per il calcolo degli indici di stream power e saturazione è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Indici di stream power e saturazione (Figura 12). Figura 12 Finestra di dialogo Indice di stream power. A partire dal DEM idrologicamente corretto è possibile calcolare cinque parametri morfometrici per la caratterizzazione del bacino: pendenza locale ( S ); indice di stream power (Stream Power Index, SPI) indice adimensionale di stream power (Dimensionless Stream Power Index, DSPI); indice di suscettibilità al trasporto (Sediment Transport Index, STI); Wetness Index (WI). La pendenza locale viene calcolata a partire dal DEM esaminando ogni cella insieme alle otto celle adiacenti per individuare la direzione di massima pendenza tenuto conto della distanza tra i 30

31 centri delle celle. L indice di stream power mette in relazione l area drenata con la pendenza locale, e definisce la dissipazione di energia potenziale per unità di lunghezza del canale. Esso viene calcolato mediante la formula: SPI = A 0.5 S dove: SPI è l indice di stream power; A è l area drenata; S è la pendenza locale. L indice adimensionale di stream power è ottenuto mediante normalizzazione dello Stream Power Index (SPI) standard utilizzando un valore di soglia ( Soglia ) che individua i punti di inizio della rete idrografica ( channel heads ). L indice di suscettibilità al trasporto mette in relazione l area drenata con la pendenza locale, ma fornisce indicazione sulla potenza erosiva del deflusso superficiale. Esso viene calcolato con la seguente relazione: STI = ( 1 + m) A d m ( S) sin n dove: A è l area drenata; S è la pendenza locale; d è la dimensione della cella; m ed n sono due parametri. Il Wetness Index descrive l effetto della topografia sulla posizione e dimensione delle aree di accumulo di acqua nel suolo. 31

32 Esso viene calcolato con la relazione: WI A = ln tan S ( ) dove: WI è il Wetness Index; A è l area drenata; B è la pendenza locale. Lo strumento permette di salvare e caricare i parametri di calcolo in un file di testo mediante i pulsanti Carica e Salva. 32

33 RASTER IN INPUT DEM depittato DEM idrologicamente corretto (cfr. sez. 2.1) Area drenata Direzioni di deflusso Carta dell area drenata Carta delle direzioni di deflusso Parametri ASPI Soglia PARAMETRI Valore di soglia che individua i punti di inizio della rete idrografica Parametri STI m Parametro m per il calcolo dello STI: 06 n Parametro n per il calcolo dello STI: 1.3 OUTPUT Cartella di output Pendenza locale Indice adimensionale di stream power (ASPI) Indice di suscettibilità al trasporto (STI) Cartella che conterrà i file di output Nome da assegnare alla carta della pendenza locale. La carta è associata alla simbologia Pendenza locale. Nome da assegnare alla carta dell indice adimensionale di stream power. La carta è associata alla simbologia ASPI. Nome da assegnare alla carta dell indice di suscettibilità al trasporto. La carta è associata alla simbologia STI. 33

34 2.10. Curvatura Lo strumento per il calcolo della curvatura è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Curvatura (Figura 13). Figura 13 Finestra di dialogo Curvatura. Il parametro morfometrico curvatura, che risulta essere la derivata seconda della quota, consente una misura della convergenza o della divergenza delle superfici. Quando la curvatura assume valori negativi si è in presenza di una superficie divergente, convessa, in cui generalmente hanno la prevalenza processi di versante non canalizzati. Quando invece la curvatura assume valori positivi si è in presenza di una superficie convergente, concava, in cui generalmente hanno la prevalenza processi canalizzati. Lo strumento offre la possibilità di calcolare la curvatura con due algoritmi diversi: Evans e Thorne. Con l algoritmo di Evans, è possibile calcolare la curvatura minima, media e massima. L algoritmo di Evans permette di variare la dimensione del kernel utilizzato per il calcolo. Con 34

35 l algoritmo di Thorne è possibile calcolare la curvatura planare, cioè lungo l asse delle x, di profilo, lungo l asse delle y, e totale, cioè planare e profilo. L algoritmo di Thorne assume un kernel fisso con lato pari a tre celle. Selezionando la spunta Valori di curvatura in standard ESRI ArcMap i raster in output presenteranno i valori di curvatura moltiplicati per un valore pari a INPUT DEM DEM idrologicamente corretto (cfr. sez. 2.1) Algoritmo Carta dell area drenata Kernel Raster curvatura minima Raster curvatura media Raster curvatura massima Dimensione del kernel in celle Raster della curvatura minima Raster della curvatura media Raster della curvatura massima OUTPUT THORNE Raster curvatura totale Raster curvatura di profilo Raster curvatura planare Valori di curvatura in standard ESRI ArcMAP Raster della curvatura totale (planare+profilo) Raster della curvatura di profilo Raster della curvatura Permette di produrre i raster di curvatura che rispettano gli standard ESRI 35

36 2.11. Deficit on channel network (DENET) Lo strumento per il calcolo del DENET è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > DEficit on channel NETwork (DENET) (Figura 14). Figura 14 Finestra di dialogo DEficit on channel NETwork (DENET). Questo strumento permette di identificare e classificare le parti di reticolo idrografico con bassi valori di Stream Power Index (SPI), dove quindi il trasporto di sedimenti avviene con efficienza ridotta. Una volta impostata una soglia di SPI, lo strumento cerca le celle del reticolo con valori di SPI al di sotto di tale soglia (che prendono valore DENET=1). Se immediatamente a valle di queste celle altre celle hanno SPI inferiore alla soglia, queste prendono valori di DENET crescenti (+1 per ogni cella a valle con SPI inferiore alla soglia). Questo perché serie contigue di celle con basso SPI individuano generalmente zone con alta capacità di diminuire il trasporto solido e l erosione, molto di più di singole celle isolate con basso SPI. Le celle che stanno all intersezione di due canali con SPI inferiore alla soglia assumono un valore di DENET pari alla somma dei valori di DENET delle due celle a monte, aumentato di uno. 36

37 INPUT Raster direzioni di deflusso Raster reticolo sintetico Raster SPI Raster area drenata [opz] Raster dis. Idrologica [opz] Soglia SPI Carta delle direzioni di deflusso Carta del reticolo sintetico Carta dello SPI [OPZIONALE] Necessario per il calcolo di alcuni parametri statistici [OPZIONALE] Necessario per il calcolo di alcuni parametri statistici Soglia SPI generalmente uguale a quella utilizzata per estrarre il reticolo idrografico OUTPUT Raster DENET Statistiche DENET Raster con i valori di DENET File di testo con statistiche per le celle appartenenti al reticolo. Prende lo stesso nome del raster DENET, con il suffisso _SATS e l estensione.txt con i campi separati da virgole. Se non vengono specificati i due fle opzionali in input, i campi saranno: NX: coordinata x della cella; NY coordinata y della cella; INDICE [num celle]: valore di DENET; SHSTRESS [m]: sforzo di taglio. Se vengono specificati i due file opzionali input verranno aggiunti i seguenti campi: DISTANZA [m]: distanza dalla sezione di chiusura; 2 AREA DR [ km ] : area drenata; S [-]: pendenza. 37

38 2.12. Indice di Melton Lo strumento per il calcolo dell indice di Melton è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Numero di Melton (Figura 15). Figura 15 Finestra di dialogo Indice di Melton. L indice di Melton è un indicatore dell acclività del bacino, ed è calcolato mediante la seguente relazione: Mel = H max H 0.5 A min dove: Mel è l indice di Melton; H max e H min sono la quota massima e minima del bacino; A è l area drenata. INPUT DEM DEM di un bacino idrografico ottenuto su base idrologica Raster area drenata OUTPUT Raster indice di Melton 38

39 2.13. Mass Transport and deposition (MTD) Lo strumento per il calcolo dell indice di Mass Transport and Deposition (MTD) è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Mass Transport And Deposition (MTD) (Figura 16). Figura 16 Finestra di dialogo Mass Transport and Deposition (MTD). L algoritmo per il calcolo dell indice MTD simula in modo empirico i processi di redistribuzione gravitativa della massa, e viene tipicamente utilizzato per simulare il trasporto e il deposito della precipitazione nevosa su aree fortemente acclivi. La massa nevosa ( D β è calcolata come: max ) che una cella può accumulare in funzione della pendenza del pendio D max β D = βlim 0 1 lim se se β < βlim β βlim 39

40 dove: Dmax è il deposito limite, deposito massimo che può accumularsi su un piano orizzontale; βlim è la pendenza limite al di sotto della quale è consentito un certo accumulo. Lo strumento mette a disposizione quattro diversi algoritmi per il calcolo delle direzioni di deflusso. Oltre ai classici D 8, D e MultiFlow, è presente anche una variante del D in cui la direzione di deflusso è limitata ad un massimo di due delle quattro celle cardinali, con esclusione delle diagonali, in modo da contenere ulteriormente la dispersione. Lo strumento permette di impostare una massa iniziale spazialmente uniforme oppure di specificare un raster con l informazione distribuita sulla massa stessa. MTD risulta pari a 0 nei punti con pendenza superiore a β lim, pari a 1 nei punti non interessati dal fenomeno e maggiore di 1 nelle zone di accumulo. La somma totale dei valori di MTD di ciascun pixel può venire infine bilanciata per rispettare la conservazione della massa. 40

41 INPUT Raster DEM Mass input Limite deposito Limite pendenza MTD Bilanciato Dir. di deflusso Modello dell elevazione Uniforme: massa iniziale uniforme Distribuita: massa iniziale specificata da un raster Deposito massimo che può accumularsi su un piano orizzontale Limite al di sotto della quale è consentito un certo accumulo Bilanciamento dell MTD in output per rispettare la conservazione della massa Algoritmo direzioni di deflusso: D 8, D Inf 8 ( D D Inf 4, classico), ( D a quattro direzioni), MultiFlow. OUTPUT Raster MTD Raster dell indice Mass Transport and Deposition (MTD) 41

42 2.14. Relative Elevation Attribute (REA) Lo strumento per il calcolo del Relative Elevation Attribute (REA) è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Relative Elevation Attribute (REA) (Figura 17). Figura 17 Finestra di dialogo Relative Elevation Attribute (REA). Questo strumento permette di parametrizzare le convessità e concavità del terreno, e viene tipicamente utilizzato per valutare l accumulo e lo spostamento della neve per effetto del vento, denominato fattore di redistribuzione eolico. Il vento agisce trasportando la neve dalle zone convesse a quelle concave. Per distinguere le zone convesse dalle concave e per definire i diversi gradi di curvatura il modello ricostruisce un DTMS con dimensione del pixel, raggio, maggiore di quella del DTM originale. Il risultato statistico della mediazione dei dati rende le curvature in DTMS meno marcate e quindi il DTMS risulta più smussato del DTM originale. La differenza puntuale tra DTM e DTMS risulta positiva nelle zone convesse e negativa in quelle concave, con valori assoluti maggiori a indicare punti di maggiore curvatura. Per tener conto della maggiore frequenza e intensità dei venti in quota è possibile anche utilizzare un raggio variabile in modo lineare in funzione dell elevazione: raggio = Rmin fino a Q min ; raggio crescente tra Qmin eq max ; 42

43 raggio = R max per quote superiori a Q max. Dalle differenze in metri si ricava un indice distribuito (REA) che viene quindi bilanciato intorno al valore neutro che è 1.0. Viene inoltre calcolato un ulteriore indice (indice REA), in cui i valori di REA vengono resi adimensionali tra i valori di REA min e REA max specificati in input. La somma totale dei valori di REA di ciascun pixel può venire infine bilanciata per rispettare la conservazione della massa. INPUT Raster DEM Raggio min Elevazione raggio min Raggio max Elevazione raggio max REA min REA max MTD Bilanciato Modello dell elevazione R Valore minimo del raggio ( min ). Deve essere maggiore del doppio della dimensione della cella Elevazione fino alla quale viene applicato il raggio min Q min Valore massimo del raggio ( R max del triplo della dimensione della cella ). Deve essere maggiore Elevazione al di sopra della quale viene applicato il raggio max ( Q ) max Valore minimo di REA Valore massimo di REA Bilanciamento del REA in output per rispettare la conservazione della massa. OUTPUT Raster MTD Raster Indice REA Raster con i valori di REA Raster con i valori dell indice REA 43

44 2.15. Analisi su kernel Lo strumento per effettuare analisi su kernel è accessibile dal menù Strumenti > Analisi Geomorfologiche > Analisi su kernel (Figura 18). Figura 18 Finestra di dialogo Analisi su kernel. Questo strumento permette di effettuare analisi di raster mediante filtri a finestre mobili, kernel, personalizzabili dall utente. Un filtro mobile è costituito da una finestra rettangolare che viene fatta scorrere su un raster. Ad ogni posizione della finestra, essa includerà un certo numero di celle, i cui valori vengono opportunamente combinati con il kernel del filtro per ottenere un nuovo valore, che verrà assegnato alla cella della griglia in output situata al centro del filtro ( g ). ij 44

45 Figura 19 Esempio di funzionamento del kernel del filtro. p p g ij = hk, m fk, m k = p k = p Lo strumento mette a disposizione dei kernel predefiniti le cui dimensioni possono sempre essere modificate dall utente, e la possibilità di crearne uno personalizzato ( Personalizzato ). NOME DESCRIZIONE Laplace Mediano Passa alto Passa basso Può essere usato per rimuovere ad altra frequenza da un raster oppure per individuare i bordi degli oggetti. Può essere usato per rimuovere rumore puntiforme. Sostituisce a una determinata cella il valore mediano dei suoi vicini. Esalta i particolari ad alta frequenza spaziale e aumenta globalmente il contrasto. Elimina le componenti ad alta frequenza dell immagine. Sostituisce a una determinata cella il valore medio delle celle contenute nel kernel. 45