RELAZIONE DI FINE TIROCINIO

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1 Dipartimento di Ingegneria Civile Laurea Magistrale in Ingegneria Civile per la Protezione dai Rischi Naturali a.a RELAZIONE DI FINE TIROCINIO DETERMINAZIONE DELLA FUNZIONE DI AMPIEZZA TRAMITE SISTEMA INFORMATIVO GIS OPEN SOURCE Tirocinante: Carlo di Pace Tutor: Prof. Elena Volpi

2 Sommario 1. INTRODUZIONE AI GIS DATI: ENTITA E CAMPI DTM /DEM FORMATI DEI FILES PANORAMA DEI GIS DESKTOP OPEN SOURCE UDIG GRASS HortonMachine ESTRAZIONE DEL BACINO IDROGRAFICO COSTRUZIONE DELLA FUNZIONE DI AMPIEZZA PROCEDIMENTO TRAMITE UDIG Relazione di fine tirocinio 1

3 1. INTRODUZIONE AI GIS I sistemi informativi territoriali si sono diffusi in tutto il mondo e vengono utilizzati soprattutto dalle amministrazioni pubbliche per la gestione dei dati territoriali. L uso dei GIS si è diffuso molto negli ultimi dieci anni come strumenti essenziali per la panificazione urbanistica, la gestione e pianificazione delle risorse ambientali e nel campo della ricerca per la possibilità di accedere ad informazioni diverse correlate anche dalla posizione nello spazio. La loro diffusione deriva principalmente dalla grande capacità di salvare, recuperare, analizzare, modellare e mappare grandi aree attraverso un volume di dati spaziali molto grande, inoltre è possibile presentare dati geograficamente riferiti o meglio georeferenziati. Per georeferenziazione si intende l'attribuzione a un dato di un'informazione relativa alla sua dislocazione geografica; tale posizione è espressa in un particolare sistema geodetico di riferimento. La georeferenziazione è usata nei sistemi GIS, tanto da essere applicata sostanzialmente ad ogni elemento presente: pixel componenti un'immagine raster, elementi vettoriali come punti, linee o poligoni e persino annotazioni. I GIS consentono di sovrapporre differenti livelli di informazione relativi ad un area (Fig. 1) e quindi di ottenere una migliore comprensione dei processi che la interessano e dei fattori che la caratterizzano. Fig. 1 Possibili livelli di informazione Relazione di fine tirocinio 2

4 1.1.DATI: ENTITA E CAMPI I dati spaziali sono tradizionalmente divisi in due classi: Raster e Vettoriale CAMPI o RASTER (Fig. 2) : oggetti definiti quasi ovunque nel dominio di interesse, molto spesso continui. Esempio temperatura, pressione, quote. Sono rappresentati in forma discreta con matrici regolari di attributi (modelli matriciali o raster georeferenziato), reti irregolari di triangoli (modello TIN) oppure con curve di livello. ENTITÀ o VETTORIALI : oggetti discreti e discontinui, delimitati in modo preciso. Esempio: edifici, aree amministrative, rete viaria. Sono rappresentati con modelli vettoriali, eventualmente topologici e tabelle di attributi associate. Fig. 2 Campo Elevazione del Terreno Fig. 3 DTM Digital Terrain Model 1.2.DTM /DEM "Digital Elevation Model" (DEM) : rappresenta le quote di una superficie particolare, se si utilizza il DEM si deve sempre specificare la superficie di riferimento. "Digital Terrain Model" (DTM) : rappresenta le quote della superficie terrestre, ovvero del terreno. Il DTM è un caso particolare di DEM dove la superficie che si rappresenta è quella della terra (Fig. 3). DTM e DEM descrivono una superficie continua attraverso un numero finito di punti tridimensionali nello spazio (x,y,z). Le triplette xyz sono generalmente distribuite in modo irregolare perché ottenute con diversi metodi di misura. Questi punti irregolari vengono normalmente messi su un grigliato regolare (di solito quadrato, con la stessa ampiezza in direzione Relazione di fine tirocinio 3

5 x ed y) utilizzando diverse tecniche di interpolazione (es. kriging, spline, minimi quadrati..). Ogni tripletta (x,y,z) del DTM/DEM rappresenta in questo modo un area, ovvero un quadrato della griglia (Fig.4) a cui appartiene che viene chiamato CELLA o PIXEL (= picture element). 1.3.FORMATI DEI FILES Fig. 4 DTM griglia regolare VETTORIALI Il più diffuso formato di files vettoriale è sicuramente lo shapefile:.shp. Un file shapefile è costituito da una famiglia di files e comprende in particolare: -.shp contiene le informazioni legati alla forma delle features (oggetti grafici elementari) -.shx contiene un indice di posizione delle features - dbf contiene gli attributi collegati alle features -.prj contiene le informazioni legate al sistema di coordinate ed alla proiezione dei dati -.shp.xml contiene i metadati collegati alle features Relazione di fine tirocinio 4

6 RASTER I più diffusi sono: - TIFF (Tagged Image File Format) è un formato immagine di tipo raster sviluppato dalla Aldus Corporation. I files georeferenziati possono contenere l informazione già dentro il file oppure essere scritta in un file a parte con estensione TFW (o JGW). - GIF (Graphics Interchange Format) è un formato per immagini digitali di tipo bitmap molto utilizzato nel World Wide Web, l'estensione GIF viene usata per i file di grafica. - ASCII (American Standard Code for Information Interchange) sistema di codifica dei caratteri a 7 bit, comunemente utilizzato nei calcolatori. Contengono le informazioni legate alla regione ed alla localizzazione dei dati Struttura di un file ASCII L estensione.asc, che sta per ASCII, è una tabella dei caratteri di testo standard. Basta aprirlo con il blocco note di Windows per leggere le prime righe, che di solito sono di questo tipo: ncols 2000 nrows 1250 xllcorner yllcorner cellsize 20 NODATA_value [...] Le prime due righe indicano il numero di righe e di colonne, infatti il file verrà trattato come un raster, composto da un certo numero di righe e colonne di pixel. Ma pixel un po particolari. A seguire il punto di inserimento, X ed Y e la dimensione di ogni cella, o pixel, in metri. Segue una riga che indica la mancanza dei dati, come ad esempio per le aree coperte dal mare. Infine i dati veri e propri, ovvero le quote di ogni pixel, o cella. Relazione di fine tirocinio 5

7 2. PANORAMA DEI GIS DESKTOP OPEN SOURCE I GIS più diffusi nel panorama dei GIS Open Source sono: - GGRASS: Il più anziano dei GIS open, sviluppato inizialmente dal ministero della difesa degli stati uniti è un GIS molto forte sulla parte dell analisi raster. - JUMP: visualizzatore con possibilità di analisi di dati vettoriali. - GVSIG: visualizzatore con possibilità di analisi di dati vettoriali, qualche integrazione delle componenti raster ma non a livello di analisi. - QGIS: considerato l interfaccia grafica semplice di GRASS. - JGRASS: GIS dedicato all analisi ambientale, consente visualizzazione ed analisi di dati sia raster che vettoriali. - udig: visualizzatore di dati vettoriali ed immagini 2.1.UDIG L'obiettivo di udig è quello di fornire una soluzione Java completa per l'accesso ai dati GIS. udig vuole essere : - User friendly fornisce un ambiente grafico familiare per gli utenti GIS ; - Desktop located funziona come un thick client, cioè è indipendente dal server centrale, in modo nativo su Windows, Mac OS/X e Linux ; - Internet oriented sono presenti servizi geospaziali web ; - GIS ready capacità di analisi complesse. udig può usare GRASS per le operazioni vettoriali complesse e incorpora anche JGRASS e strumenti di idrologia specializzati (HortonMachine). Supporta shapefile, PostGIS, WMS, e molte altre fonti di dati nativo. udig è comunemente usato come un quadro di riferimento per la costruzione di altre piattaforme GIS e altre applicazioni. 2.2.GRASS Geographic Resources Analysis Support System, comunemente indicato come GRASS GIS, è un Sistema Informativo Geografico utilizzato per la gestione dei dati, l'elaborazione delle immagini, la produzione grafica, modellazione spaziale, e la visualizzazione di molti tipi di dati. GRASS GIS è un progetto ufficiale della Open Source Geospatial Foundation. Relazione di fine tirocinio 6

8 Originariamente sviluppato dalla US Army Construction Engineering Research Laboratories ( USA - CERL, ), un ramo della US Army Corp of Engineers, come strumento per la gestione del territorio e la pianificazione militare, GRASS GIS è evoluto in un potente programma di utilità con una vasta gamma di applicazioni in diversi settori di applicazioni e di ricerca scientifica. GRASS è attualmente utilizzato in ambienti accademici e commerciali in tutto il mondo, così come molte agenzie governative tra cui la NASA, NOAA, USDA, DLR, CSIRO, il National Park Service, l' US Census Bureau, USGS, e molte società di consulenza ambientale. 2.3.HortonMachine La disponibilità di un gran numero di dati di elevazione ad alta risoluzione richiede strumenti affidabili e automatici per l'estrazione delle caratteristiche dei bacini. Analisi di DEM per definire le caratteristiche idrologiche e geomorfologiche è stata una questione di grande interesse negli ultimi decenni ( vedi Wilson e Gallant, 2000; Band, 1993; Costa - Cabral e Burges, 1994; Rigon et al, 1996; Tarboton 1997 ) e ha permesso un grande progresso nella comprensione dei processi che agiscono sul paesaggio montano ( ad esempio Rodriguez - Iturbe e Rinaldo, 1997 ). Le HortonMachine sono incorporate nel sistema GIS JGrass ed è, così, open source, distribuito sotto licenza GPL e programmato in Java. Gli strumenti comprendono, oltre alla manipolazione del DEM, vari codici per il calcolo dell area contribuente, misure e classificazioni relative alla rete, strumenti per l'analisi di versante e per l'esecuzione di statistiche DEM. Sono anche presenti modelli idrologici e geomorfologici disponibili come Shalstab, Peakflow e Adige. I comandi delle HortonMachine possono così essere suddivisi in 7 categorie: 1- Analisi del reticolo idrografico; 2- Analisi relative al bacino; 3- Indici idro-geomorfologici; 4- Attributi del bacino; 5- Analisi dei versanti; 6- Manipolazione dei DEM; 7- Statistiche. Relazione di fine tirocinio 7

9 3. ESTRAZIONE DEL BACINO IDROGRAFICO La prima fase è una accurata analisi del DEM, tramite i pacchetti delle HortonMachine, per ricavare le mappe necessarie alla definizione della funzione d ampiezza. Di seguito sono sintetizzate le principali mappe per indagare sulle caratteristiche del bacino: ( per approfondimenti vedere ) 1) Rimozione dal DEM di depressioni artificiali (pit); Name : Pitfiller / Authors: David Tarboton, Andrea Antonello 2) Calcolo delle direzioni di drenaggio con il metodo della massima pendenza, scegliendola tra le 8 possibili direzioni di drenaggio intorno al pixel considerato (Fig. 5); Name : FlowDirections / Authors: David Tarboton, Andrea Antonello Fig. 5 Direzioni di drenaggio Relazione di fine tirocinio 8

10 3) Determinazione dell area totale di drenaggio afferente ad un punto del bacino (Fig. 6); Name : Tca (Total Contribution Area) / Authors: Antonello Andrea, Rigon Riccardo Fig. 6 Area di drenaggio 4) Stima delle pendenze in ogni punto tramite le direzioni di drenaggio (Fig. 7); Name : Slope / Authors: Antonello Andrea, Erica Ghesla, Cozzini Andrea, Franceschi Silvia, Pisoni Silvano, Rigon Riccardo Fig. 7 Pendenze Relazione di fine tirocinio 9

11 5) Determinazione delle curvature longitudinali, planari e tangenziali; Name : Curvatures / Authors: Erica Ghesla, Andrea Antonello, Franceschi Silvia, Andrea Cozzini, Silvano Pisoni 6) Estrazione del reticolo idrografico (Fig. 8); Name : ExtractNetwork / Authors: Daniele Andreis, Antonello Andrea, Erica Ghesla, Cozzini Andrea, Franceschi Silvia, Pisoni Silvano, Rigon Riccardo Fig. 8 Reticolo idrografico Relazione di fine tirocinio 10

12 7) Estrazione del sottobacino di interesse (Fig. 9); Name : Wateroutlet / Authors: Andrea Antonello, US Army Construction Engineering Research Laboratory Fig. 9 Maschera del bacino d interesse 8) Ritaglio delle mappe sulla maschera del bacino di interesse; Name : CutOut / Authors: Silvia Franceschi, Andrea Antonello Relazione di fine tirocinio 11

13 4. COSTRUZIONE DELLA FUNZIONE DI AMPIEZZA La funzione di ampiezza è definita come la porzione di area contribuente ad una prefissata distanza x (misurata lungo la rete) dall uscita. Numericamente è costituita dal numero di pixel N(x) posti ad uguale distanza x dalla sezione di chiusura (Fig. 11) (misurata lungo le direzioni di drenaggio a partire dalla sezione di chiusura). Fig. 11 Funzione di ampiezza discreta E possibile trasformare il grafico dividendo la distanza x per la velocità media V ottenendo così il tempo t. Mentre in ordinata dividiamo il numero di celle per il numero di celle totali. Questa funzione, che si chiama funzione di ampiezza riscalata, rappresenta la distribuzione nel tempo dell area del bacino contribuente. In realtà considerare una velocità media non ha senso fisico perché ciascun percorso ɣ del bacino sarà diviso da una lunghezza di versante Lv, fino al primo punto canalizzato, e una lunghezza di canale Lc, dal punto canalizzato fino alla sezione di chiusura, con una velocità rispettivamente Vv e Vc chiaramente differenti. Il tempo di percorrenza sarà quindi dato da: A questo punto si utilizza per tutti i percorsi, riottenendo di nuovo la funzione di ampiezza riscalata per due diverse velocità. Relazione di fine tirocinio 12

14 Questa funzione dice come è fatto il bacino e quanto tempo impiegherà l acqua, dalle diverse regioni del bacino, ad arrivare alla sezione di chiusura, tutto ottenuto in maniera analitica e con solo due parametri da calibrare, che hanno senso fisico (Vv, Vc). I momenti di questa distribuzione si possono ricavare facilmente e sono dati da due espressioni analitiche: E possibile tarare i due parametri Vv e Vc in funzione di queste due espressioni tramite il metodo dei momenti. 4.1.PROCEDIMENTO TRAMITE UDIG RescaledDistance Questo comando consente di determinare la distanza riscalata di ogni pixel dall uscita dal bacino idrografico. Tale distanza può essere definita dalla seguente relazione: Dove è la distanza riscalata di un punto P. Questa distanza è composta di due parti: una distanza dal punto P al canale misurata lungo la direzione di drenaggio, una distanza dal punto canale all uscita, r è un peso generalmente > 1, assegnato alla distanza nei versanti. Tale peso si può pensare come rapporto tra la velocità dell acqua nei canali e nei versanti. Da alcune indagini sperimentali, si è visto che la velocità di versante ha due ordini di grandezza in meno rispetto alla velocità di canale, quindi in prima approssimazione si può ipotizzare: Vv 0.01 m/s Vc 1 m/s. Inputs - Le mappe che rappresentano le direzioni di drenaggio e il reticolo idrografico in formato raster Output - Restituisce una mappa rappresentante le distanze riscalate (Fig. 12) Relazione di fine tirocinio 13

15 Fig. 12 Mappa delle distanze riscalate RasterSummary Calcola le statistiche di base della mappa analizzata, dove in input è necessario inserire: - La mappa da analizzare - Il numero degli intervalli per l istogramma fornisce: - Valore minimo - Valore massimo - Valore medio - Deviazione standard Inoltre restituisce una tabella con i valori delle statistiche calcolate per ogni classe; - Il numero di pixel nell intervallo considerato - La percentuale dei pixel nell intervallo rispetto al totale - Il numero e la percentuale dei valori non validi NaN Relazione di fine tirocinio 14

16 Se nella mappa da analizzare inseriamo quella che descrive le distanze dalla sezione di chiusura, l istogramma che darà in Output rappresenterà la funzione di ampiezza riscalata (risposta del bacino) P(s) Distanze S [m] Questo istogramma può essere ben fittato da una curva di tipo Gaussiana o una semplice curva interpolare. Questa curva rappresenta la risposta del bacino (IUH) che permette, sapendo la precipitazione, di calcolare l idrogramma di piena attraverso l integrale di convoluzione. Relazione di fine tirocinio 15

17 BIBLIOGRAFIA - Appunti di Idrologia Tecnica e Sistemazione dei Bacini e dei corsi d acqua, Università degli Studi di Trieste, Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale. Prof. Ing. Elpidio Caroni - Modelli afflussi deflussi per piccoli bacini idrografici non strumentati XXXII Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche Palermo, Settembre 2010 AndreaPetroselli, Salvatore Grimaldi, Gustavo Alonso, Fernando Nardi. - Metodi Geomorfologici di inferenza della risposta idrologica XXV Convegno di idraulica e costruzioni Idrauliche Torino, Settembre 1996 Politecnico di Torino Dipartimento di Idraulica, Trasporti e Infrastrutture civile Ricardo Rigon, Paolo D onorico e Luis Parra-Rosales Relazione di fine tirocinio 16