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<strong>Elaborazioni</strong><br />
<strong>di</strong> <strong>dati</strong> <strong>raster</strong><br />
M. Alberti - 2010<br />
www.<strong>malg</strong>.<strong>eu</strong>
Modalità rappresentazione <strong>dati</strong> 2.5 D<br />
Sono rappresentabili in almeno quattro <strong>di</strong>fferenti formati, che possono essere convertiti fra <strong>di</strong> loro, quasi<br />
sempre con per<strong>di</strong>ta o alterazione dell’informazione originaria.<br />
Dati puntuali<br />
Points<br />
Points<br />
Dati sorgente: misure GPS,<br />
concentrazioni elementi;<br />
vengono in genere<br />
interpolati con tecniche<br />
apposite a produrre grid, tin<br />
o curve <strong>di</strong> livello<br />
Curve <strong>di</strong><br />
livello<br />
Contours<br />
Contours<br />
Forma tipica e pratica <strong>di</strong><br />
rappresentazione nelle carte<br />
topografiche, poco adatta per<br />
analisi quantitative nei GIS<br />
Triangular<br />
irregular<br />
networks<br />
TINs<br />
TINs<br />
Formato GIS adatto<br />
per analisi<br />
topografiche<br />
Griglia<br />
regolare<br />
Grids<br />
Grids<br />
Formato più utilizzato nei<br />
GIS per elaborazioni,<br />
grazie alla sua struttura<br />
spaziale regolare. Ottimo<br />
anche per visualizzazioni.
Processamenti <strong>di</strong> grid<br />
Conversioni <strong>di</strong> formato<br />
Mo<strong>di</strong>fica delle caratteristiche spaziali <strong>di</strong> un grid<br />
-Ricampionamento – Traslazioni - Ritagli e mosaicature - Etc.<br />
Calcolo <strong>di</strong> nuovo livello<br />
-densità puntuali - Distanze da oggetti - Riclassificazioni -<br />
Funzioni locali, focali, zonali e globali - (aspect, pendenze, etc.)
Conversione formato<br />
Conversione automatizzata elevazione da formato grid a isolinee<br />
(contour lines)<br />
Grid<br />
Grid con curve <strong>di</strong> livello sovrapposte
Estrazione <strong>di</strong> profili <strong>di</strong> elevazione<br />
La generazione automatizzata <strong>di</strong> profili altimetrici da<br />
DEM (o grid in generale) permette <strong>di</strong> ottenere <strong>dati</strong><br />
anche tabellari che possono essere esportati ed<br />
analizzati con tecniche numeriche (p.e. analisi<br />
spettrale, etc.)<br />
Profilo topografico<br />
Esempio <strong>di</strong> analisi spettrale <strong>di</strong><br />
<strong>dati</strong> topografici lineari
Riclassificazioni <strong>di</strong> grid<br />
La classificazione originaria <strong>di</strong> un grid può essere<br />
mo<strong>di</strong>ficata, in generale semplificandola, per meglio<br />
evidenziare i fenomeni <strong>di</strong> interesse.<br />
Possibile passaggio <strong>di</strong> <strong>dati</strong> da continui a <strong>di</strong>screti<br />
(categoriali).<br />
Esempio: riclassificazione <strong>di</strong> un grid delle elevazioni<br />
(<strong>dati</strong> numerici continui) in fasce altitu<strong>di</strong>nali (<strong>dati</strong><br />
categoriali)
Mo<strong>di</strong>fiche caratteristiche geometriche/valori<br />
Flip: riflette rispetto ad un<br />
asse orizzontale<br />
Mirror: riflette rispetto ad<br />
un asse verticale<br />
Invert: inverte la<br />
<strong>di</strong>stribuzione dei valori nel<br />
grid risultante: il valore<br />
massimo <strong>di</strong>venta il minimo<br />
e viceversa, e<br />
analogamente per i valori<br />
interme<strong>di</strong>
Mo<strong>di</strong>ficazioni caratteristiche geometriche-spaziali<br />
Traslazione (shift)<br />
Ri<strong>di</strong>mensionamento (rescaling)<br />
Cambiamento delle <strong>di</strong>mensioni in x e in y <strong>di</strong> un grid per fattori <strong>di</strong> scala<br />
specificati.
Mosaicatura (merging)<br />
Unione <strong>di</strong> due o più grid contigui a costituire un nuovo grid singolo<br />
Unione <strong>di</strong> due DEM<br />
<strong>di</strong> zone contigue,<br />
p.e. <strong>dati</strong> SRTM2<br />
sud<strong>di</strong>visi per limiti<br />
geografici
Ritaglio (clip)<br />
Mo<strong>di</strong>fica della estensione spaziale <strong>di</strong> un grid, “ritagliandola” a<br />
quella <strong>di</strong> un altro tema che le si sovrappone parzialmente<br />
Esempi <strong>di</strong> uso<br />
Ritaglio <strong>di</strong> un grid della topografia sull’estensione <strong>di</strong> una zona amministrativa<br />
(nazione, regione, provincia) o idrografica (bacino idrografico)
Map Algebra<br />
Applicazione <strong>di</strong> operatori<br />
matematici, statistici, topografici a<br />
uno o più grid, che producono un<br />
grid derivato contenente i risultati<br />
dell’operatore.<br />
Le funzioni applicabili vengono<br />
<strong>di</strong>stinte in:<br />
• Locali<br />
• Focali<br />
• Zonali<br />
• Globali<br />
http://www.quantdec.com/SYSEN597/GTKAV/section9/map_algebra2.htm
Calcoli nei grid - funzioni locali<br />
Funzioni locali: il calcolo si basa sul valore della singola cella in un grid o<br />
più frequentemente su una funzione dei valori delle celle sovrapposte in<br />
un insieme <strong>di</strong> grid. L'output è rappresentato da un nuovo grid.<br />
Vengono applicate le classiche<br />
operazioni matematiche<br />
(aritmetiche, trigonometriche,<br />
logiche, etc.) o statistiche su uno o<br />
più grid. Di solito il risultato è un<br />
nuovo grid, ma può anche<br />
consistere in una serie <strong>di</strong> valori<br />
numerici descrittivi.<br />
Da Burrough & McDonnell, 2000, fig. 3-5a.
Funzioni locali<br />
Le operazioni che vengono effettuate celle-per-cella all’interno <strong>di</strong> un singolo<br />
livello, o in più livelli sovrapposti possono essere (per grid con valori<br />
continui):<br />
Aritmetiche: +,-,*, /<br />
Logaritmiche ed potenze: ln,<br />
log10, exp(x)<br />
Trigonometriche: sin(a),<br />
atan(a/b)<br />
Esempi<br />
- uso <strong>di</strong> operatori aritmetici per<br />
un cambiamento dell'unità <strong>di</strong><br />
misura dei valori delle Z<br />
- calcolo della <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong><br />
quote tra due grid.
Applicazione cambiamento temporale<br />
Mitchell, 1999
Funzioni locali<br />
Altri tipi <strong>di</strong> funzioni locali:<br />
Statistiche: me<strong>di</strong>a(a,b,..),<br />
valore più<br />
frequente(a,b,c,d..,e)<br />
Logiche e Con<strong>di</strong>zionali:<br />
Vero, Falso, Not, And, Or,<br />
IsNull, If ..Then<br />
DeMers, 2000
Operazioni locali - espressioni logiche<br />
Le espressioni logiche usano gli operatori<br />
relazionali:<br />
>, >=, c<br />
2 grid numerico <strong>di</strong> input, 1 grid binario<br />
(1/0, vero/falso) <strong>di</strong> output<br />
Se in uno dei livelli è coinvolto una cella con<br />
valore assente (No Data), nel grid risultante si<br />
avrà un No Data in<strong>di</strong>pendentemente da quali<br />
valori possano essere presenti negli altri grid<br />
coinvolti.<br />
Nei grid <strong>di</strong> input con interi, il<br />
software interpreta il valore 0 Falso<br />
e i valori maggiori <strong>di</strong> 0 come Vero.
Funzioni focali<br />
Per il calcolo vengono utilizzati i valori delle celle che ricadono entro un intorno<br />
dalla cella che viene calcolata, considerando un solo grid.<br />
L'output è rappresentato da un nuovo grid.<br />
DeMers, 2000
Funzioni focali<br />
• Il numero <strong>di</strong> possibili<br />
funzioni utilizzabili per il<br />
calcolo è elevato<br />
• varie possibilità della<br />
estensione e forma<br />
dell’intorno considerato<br />
(quadrato, rettangolare,<br />
circolare, anello).<br />
Burrough & McDonnell, 2000, fig. 8-3.
Funzioni focali<br />
Dati categoriali<br />
Moda (valore più frequente) e Valore meno frequente: assegnano alla cella<br />
esaminata il più frequente, o viceversa il meno frequente dei valori categoriali presenti<br />
nell’intorno esaminato.<br />
Diversità: numero <strong>di</strong> <strong>di</strong>fferenti categorie presenti nell’intorno esaminato.<br />
DeMers, 2000, fig. 4.10a
Funzioni focali<br />
Dati numerici<br />
Flusso: determina quali celle si trovano in una posizione inferiore a quella analizzata,<br />
è utile per analisi idrografiche <strong>di</strong> tipo globale.<br />
Il risultato può essere co<strong>di</strong>ficato come un elenco <strong>di</strong> tipo binario (vero/falso) delle celle<br />
che presenterebbero flusso, partendo dall’alto a destra e andando in senso orario, e<br />
quin<strong>di</strong> convertito da un valore binario ad uno in base 10.<br />
DeMers, 2000, fig. 4.11, parte
Funzioni focali: filtri<br />
I filtri vengono calcolati usando una<br />
finestra <strong>di</strong> celle (3x3, 5x5, etc.) che<br />
contengono i pesi per i valori nell’intorno<br />
dei punti calcolati. Possono essere<br />
isotropi o anisotropi (<strong>di</strong>rezionali).<br />
Esempi noti <strong>di</strong> filtri isotropi sono il passa-basso<br />
(come frequenza), che causa uno smoothing dei<br />
<strong>dati</strong>, passa-alto che invece evidenzia le strutture<br />
ad alta frequenza, come per esempio i margini<br />
delle strutture.<br />
Di solito vige questa regola:<br />
passa-basso: valore cumulato (me<strong>di</strong>o) delle<br />
componenti = 1<br />
Passa-alto: valore cumulato (me<strong>di</strong>o) delle componenti<br />
= 0<br />
Due esempi <strong>di</strong> filtri isotropi: passa-basso<br />
(a sinistra) e passa-alto (a destra)<br />
Da Bonham-Carter, 2002.<br />
Un filtro <strong>di</strong>rezionale.<br />
Da Bonham-Carter, 2002.
Funzioni zonali<br />
Mettono in relazione un grid che rappresenta categorie, con<br />
un altro grid a valori numerici.<br />
I valori numerici vengono analizzati dopo essere stati<br />
raggruppati per zone, cioè le varie categorie presenti nel<br />
grid categoriale. Le zone possono essere connesse o non<br />
connesse spazialmente.<br />
Il risultato dell’analisi può essere un nuovo grid, oppure<br />
tabelle o istogrammi che mettono in relazione il numero <strong>di</strong><br />
casi per intervallo numerico, sud<strong>di</strong>visi in base alle varie<br />
categorie.<br />
Esempio <strong>di</strong> risultato <strong>di</strong> analisi zonale<br />
Numero <strong>di</strong><br />
celle per<br />
intervallo<br />
numerico<br />
Categorie nel grid originario<br />
DeMers, 2000, fig. 4.12<br />
Intervalli numerici<br />
derivati dal grid<br />
numerico
Funzioni globali<br />
Analizzano le caratteristiche del grid nella sua totalità.<br />
Permettono <strong>di</strong> ricavare in<strong>di</strong>ci riassuntivi statistici (me<strong>di</strong>a, me<strong>di</strong>ana, moda, varianza, etc.),<br />
caratteristiche topografiche e idrografiche (zone della visibilità da punti <strong>di</strong> osservazione,<br />
mappe dei reticolati fluviali e dei bacini idrografici).<br />
Il risultato può essere un insieme <strong>di</strong> nuovi grid, oppure dei valori tabelli/numerici.<br />
Esistono molti moduli specializzati, <strong>di</strong>sponibili da software come Grass, Arc/Info e Saga.<br />
Le principali tipologie <strong>di</strong> funzioni<br />
sono:<br />
•Distanza <strong>eu</strong>clideana (<strong>di</strong>stance<br />
map)<br />
•Distanza pesata<br />
•Analisi idrografiche<br />
•Analisi idrogeologiche<br />
DeMers, 2000, fig. 4.16
Parte II<br />
Analisi geomofologiche<br />
quantitative da DEM
Wilson & Gallant, 2000, p. 31
Funzioni per analisi morfometrica<br />
Derivate <strong>di</strong> primo e secondo or<strong>di</strong>ne estratte dai grid che rappresentano la<br />
topografia forniscono informazioni sulle caratteristiche morfometriche.<br />
Derivate del primo or<strong>di</strong>ne<br />
Acclività – pendenza dei versanti (slope,<br />
gra<strong>di</strong>ent)<br />
Esposizione dei versanti (aspect)<br />
Derivate <strong>di</strong>rezionali<br />
Derivate del secondo or<strong>di</strong>ne<br />
Curvatura in profilo (profile curvature)<br />
Curvatura in piano (plane curvature)
Acclività - pendenza (slope)<br />
Formula teorica<br />
Pendenza =<br />
∂ z<br />
( )<br />
∂ x<br />
2<br />
∂ z<br />
+ (<br />
∂ y<br />
)<br />
2<br />
In pratica la pendenza è calcolata usando una finestra <strong>di</strong> 3x3 celle, centrata sulla cella da<br />
determinare e combinando 2 filtri <strong>di</strong>rezionali <strong>di</strong> tipo high-pass, ognuno dei quali<br />
rappresenta la componente della derivata lungo l’asse delle x e quello delle y.<br />
Esempio<br />
-1 0 1<br />
E-W -2 0 2<br />
0 0 0<br />
N-S<br />
-1 0 1<br />
Componenti della pendenza<br />
-1 -2 -1<br />
1 2 1<br />
Esistono varie proposte <strong>di</strong> meto<strong>di</strong> per calcolare la pendenza, basandosi sulle 4 o 8 celle<br />
più vicine.
Acclività - pendenza (slope)<br />
La mappa delle pendenze può essere classificata o<br />
simboleggiata usando <strong>di</strong>fferenti colormap<br />
La scelta della particolare colormap influisce sulle<br />
caratteristiche morfologiche che vengono<br />
enfatizzate
Simboleggiature con <strong>di</strong>fferenti colormap<br />
Fronte dei Sibillini - <strong>dati</strong> SRTM2 (90 m) – Software: Mirone<br />
Evidenziazione dei<br />
valori massimi<br />
dell’acclività
Simboleggiature con <strong>di</strong>fferenti colormap<br />
Evidenziazione dei<br />
valori minimi <strong>di</strong><br />
acclività
Simboleggiature con <strong>di</strong>fferenti colormap<br />
Evidenziazione<br />
delle relazioni tra<br />
<strong>di</strong>verse strutture<br />
morfologiche
Derivate <strong>di</strong>rezionali (gra<strong>di</strong>enti)<br />
Grid del gra<strong>di</strong>ente <strong>di</strong> pendenza lungo<br />
la <strong>di</strong>rezione N325°<br />
DEM della zona a S <strong>di</strong> L’Aquila (SRTM2)<br />
Lungo la <strong>di</strong>rezione N045°<br />
N325°<br />
N045°
Esposizione <strong>di</strong> una superficie topografica (aspect)<br />
Esprime l’orientazione della <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> massima<br />
pendenza <strong>di</strong> una superficie topografica.<br />
E’ quantificato tramite l’angolo (sul piano<br />
orizzontale) che la linea <strong>di</strong> massima pendenza per<br />
una cella <strong>di</strong> un DEM forma con il nord geografico,<br />
misurato in senso orario.<br />
⎡ ∂ z ∂ z ⎤<br />
Esposizione = arctan⎢<br />
( ) /( ) ⎥<br />
⎣ ∂ y ∂ x ⎦<br />
Il suo interesse è legato ad analisi geomorfologiche e botaniche: il grado <strong>di</strong> esposizione,<br />
illuminazione ed umi<strong>di</strong>tà nei suoli, e conseguentemente i tipi <strong>di</strong> vegetazione variano in<br />
funzione dell’aspect <strong>di</strong> una superficie topografica.
Esposizione <strong>di</strong> una superficie topografica (aspect)<br />
I valori, misurati in gra<strong>di</strong>,<br />
variano da 0 a 360.<br />
• 0: esposizione a Nord<br />
• 90: esposizione a Est<br />
• 180: esposizione a Sud<br />
• 270: esposizione a<br />
Ovest<br />
• Superfici orizzontali<br />
ricevono il valore <strong>di</strong> -1.<br />
I valori risultanti <strong>di</strong> aspect<br />
possono essere<br />
raggruppati in classi.
Derivate del secondo or<strong>di</strong>ne<br />
Curvatura: derivata del secondo or<strong>di</strong>ne<br />
della superficie considerata<br />
Profile curvature: derivata seconda<br />
lungo la <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> massima pendenza<br />
– misura la variazioni della pendenza<br />
lungo la <strong>di</strong>rezione più inclinata.<br />
Plan curvature: derivata seconda lungo<br />
la perpen<strong>di</strong>colare a quella <strong>di</strong> massima<br />
pendenza – misura la convergenza o<br />
<strong>di</strong>vergenza topografica<br />
Usi concreti:<br />
DEM Grid della curvatura<br />
Le mappe della curvatura possono essere usate per descrive le caratteristiche fisiche <strong>di</strong> un bacino idrografico<br />
riguardo ai processi <strong>di</strong> scorrimento superficiale e <strong>di</strong> erosione.<br />
Profile curvature: fornisce informazioni sui cambiamenti potenziali nella velocità <strong>di</strong> flusso idrico e dei se<strong>di</strong>menti<br />
trasportati.<br />
Plan curvature: utile per valutare la propensione del flusso idrico a convergere o <strong>di</strong>vergere lungo il suo percorso.<br />
Le curve <strong>di</strong> livello rappresentate sopra ai grid derivati possono aiutare nell’interpretazione dei risultati.
Misure curvatura in ArcGis<br />
The curvature of a surface is calculated on a cell-by-cell basis. For each cell, a fourth-order polynomial of<br />
the form:<br />
Z = Ax ²y ² + Bx ²y + Cxy ² + Dx ² + Ey ² + Fxy + Gx + Hy + I<br />
is fit to a surface composed of a 3 x 3 window. The coefficients a, b, c, and so on, are calculated from this<br />
surface.<br />
The output of the Curvature tool is the second derivative of the surface—for example, the slope of the<br />
slope—such that:<br />
Curvature = -2(D + E) * 100<br />
Convezione dei segni in ArcGis<br />
•CURVATURA TOTALE E PLAN CURVATURE:<br />
+ -> convessa verso l’alto<br />
0 -> sup. piana<br />
- -> concava verso l’alto<br />
•PROFILE CURVATURE:<br />
+ -> concava verso l’alto<br />
0 -> sup. piana<br />
- -> convessa verso l’alto
Rilievo ombreggiato - hillshade<br />
La tecnica del relief sha<strong>di</strong>ng venne sviluppata da cartografi austriaci<br />
e svizzeri per evidenziare le <strong>di</strong>fferenze topografiche fra <strong>di</strong>fferenti<br />
zone, e si ispira al chiaroscuro degli artisti rinascimentali.<br />
La tecnica si basa sul <strong>di</strong>fferente grado <strong>di</strong> riflessione <strong>di</strong> superfici con<br />
inclinazioni variabili rispetto ad una stessa fonte <strong>di</strong> illuminazione<br />
puntiforme e a <strong>di</strong>stanza infinita.<br />
L’utilità degli shaded relief è duplice:<br />
•Permettono una ottima resa estetica della rappresentazione<br />
cartografica della topografia<br />
•Evidenziano efficacemente le strutture topografiche, anche in<br />
funzione della <strong>di</strong>rezione ed inclinazione della fonte luminosa<br />
adottata
Rilievo ombreggiato - hillshade<br />
I parametri topografici sufficienti per ottenere uno shaded relief sono l’inclinazione della superficie e la sua<br />
orientazione rispetto al nord geografico (aspect). Non vengono considerati gli effetti <strong>di</strong> ombreggiamento <strong>di</strong><br />
una zona su un’altra.<br />
Da parte dell’utente è necessario definire azimuth e inclinazione della fonte luminosa che <strong>di</strong> solito sono<br />
fissati a 315° e 45° rispettivamente.<br />
Un esempio <strong>di</strong> formula utilizzata, fra le varie <strong>di</strong>sponibili, è la sottostante (da Bonham-Carter, 2002).<br />
Illuminazione = cos(γ)<br />
cos( γ ) = cos( pendenza) cos( α ) + sin( pendenza)<br />
sin( α ) cos( α − aspect)<br />
α= azimuth
Mappe <strong>di</strong> visibilità – viewshed maps<br />
Le analisi <strong>di</strong> visibilità ed intervisibilità permettono <strong>di</strong> definire quali zone sono visibili<br />
e quali no da uno o più punti.<br />
Gli usi riguardano il posizionamento <strong>di</strong> stazioni trasmittenti e riceventi televisive, ra<strong>di</strong>o e <strong>di</strong> telefoni<br />
cellulari, <strong>di</strong> torri <strong>di</strong> osservazioni antincen<strong>di</strong>o, <strong>di</strong> tracciati <strong>di</strong> strade che non siano visibili ai residenti<br />
della zona, la definizione dei panorami visibili da strade e per scopi militari.<br />
Demers, 2000, Fig. 10.17<br />
Si usa il principio del ray-tracing.<br />
Per tenere conto <strong>di</strong> vegetazione o<br />
altro si può considerare una<br />
elevazione dell’osservatore<br />
rialzata rispetto alla superficie.
Mappe <strong>di</strong> visibilità – viewshed maps<br />
Definisce quali celle <strong>di</strong> un <strong>raster</strong> sono visibili da uno o più punti <strong>di</strong> osservazione, per i quali si<br />
possono anche considerare degli offset verticali.<br />
La mappa risultante può essere rappresentata come un grid binario, con 1 corrispondente a<br />
visibile e 0 a invisibile, ed essere sovrapposta al grid originario, in vista 3 o 2D.<br />
Burrough & McDonnell, 2000.
Analisi <strong>di</strong> intervisibilità<br />
Definisce per ogni cella <strong>di</strong> un <strong>raster</strong> quali punti <strong>di</strong> un set predefinito sono visibili.<br />
Produce un grid classificato in base alla visibilità/invisibilità <strong>di</strong> ogni punto.
Mappe dell’irra<strong>di</strong>azione<br />
Rappresentano la quantità assoluta <strong>di</strong> ra<strong>di</strong>azione solare ricevuta da una determinata zona<br />
geografica in funzione del giorno e dell’orario.<br />
Viene tenuto conto degli effetti gli effetti dell’assorbimento atmosferico, della <strong>di</strong>ffusione come pure<br />
quelli dell’ombreggiamento da parte delle zone rilevate.<br />
Altri parametri sono l’orientazione del sole (azimuth ed inclinazione dei raggi), la quantità <strong>di</strong><br />
ra<strong>di</strong>azione solare ricevuta alla sommità dell’atmosfera (flusso esoatmosferico), la trasmissività<br />
atmosferica e la presenza <strong>di</strong> ostruzioni visuali (ombreggiamento).<br />
Burrough & McDonnell, 2000.
Mappe dell’irra<strong>di</strong>azione<br />
E’ possibile ottenere queste<br />
mappe per più perio<strong>di</strong>, anche in<br />
maniera cumulativa, e quin<strong>di</strong><br />
utilizzare queste mappe<br />
dell’irraggiamento per stu<strong>di</strong> sulla<br />
<strong>di</strong>stribuzione vegetazionale,<br />
sull’alterazione delle rocce, sulle<br />
necessità <strong>di</strong> riscaldamento <strong>di</strong><br />
abitazioni.<br />
Burrough & McDonnell, 2000.
Parte III<br />
Analisi<br />
idrografiche
Analisi idrografiche<br />
La definizione <strong>di</strong> spartiacque superficiali,<br />
estensione dei bacini idrografici e altri parametri<br />
geomorfologico-idrografici è un passo necessario<br />
per analisi geomorfologiche e idrografiche.<br />
Usate da ecologi, idrologi, ingegneri, esperti <strong>di</strong><br />
inquinamento e controllo delle alluvioni.
Analisi idrografiche<br />
Analisi da foto aeree<br />
•in zone forestate i torrenti non sono visibili<br />
•In zone con rilievo gentile è <strong>di</strong>fficile riconoscere dove passa lo spartiacque<br />
Analisi da carte topografiche<br />
•il dettaglio dei tracciati può essere ridotto, e non rappresentare tutti i possibili tracciati<br />
fluviali<br />
Analisi da DEM<br />
•L’analisi <strong>di</strong> DEM con sufficiente risoluzione permette <strong>di</strong> ricavare in maniera quasi<br />
automatica l’insieme <strong>di</strong> tutti i possibili tracciati, <strong>di</strong>fferenziati anche per portata<br />
potenziale.<br />
•Questi tracciati possono poi essere confrontati con altre fonti <strong>di</strong> informazione.
Analisi idrografiche<br />
I DEM sono usati per:<br />
•Delimitare i bacini idrografici<br />
(watersheds)<br />
•Definire il reticolato idrografico<br />
•Stimare il contenuto in acqua dei<br />
suoli<br />
•Pre<strong>di</strong>re l’erosione potenziale dei<br />
suoli<br />
•Modellizzare l’evoluzione<br />
dell’immissione <strong>di</strong> inquinanti nel<br />
reticolato idrografico<br />
•Simulare gli effetti <strong>di</strong> inondazioni<br />
L’effettiva presenza <strong>di</strong> acqua può essere riconosciuta da immagini telerilevate.
Delimitazione bacini idrografici<br />
Passaggi<br />
– Preprocessamento - Fill<br />
Sinks/Pits<br />
– Calcolo delle <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong><br />
flusso - Flow <strong>di</strong>rection<br />
– Determinazione del<br />
flusso cumulato - Flow<br />
Accumulation<br />
– Definizione del bacino<br />
idrografico - Watershed<br />
– Analisi<br />
Fonte testo e immagine:<br />
GIS Tools for Watershed Delineation - Public Policy<br />
Perspectives (PPT), G. Coutu
Pre-processamento dei DEM<br />
Prima della vera e propria analisi idrografica, <strong>di</strong> solito i DEM devono essere pre-processati,<br />
per rimuovere gli errori <strong>di</strong> misurazione o le celle che rappresentano “depressioni” senza<br />
sbocco dal DEM.<br />
Rimozione dei “pits”/”sinks”<br />
La presenza <strong>di</strong> singole celle circondate da tutti i lati<br />
da celle con elevazione superiore (pits), che siano<br />
<strong>dati</strong> reali o artefatti, pone il problema <strong>di</strong> dove il<br />
flusso uscente dalla cella possa in<strong>di</strong>rizzarsi. Prima<br />
<strong>di</strong> proseguire è necessario quin<strong>di</strong> eliminare i pits.<br />
Burrough & McDonnell, 2000, Fig. 8-11a<br />
Sinks<br />
GIS Tools for Watershed Delineation -<br />
Public Policy Perspectives (PPT), G. Coutu
Processamento dei pit<br />
Esistono due modalità <strong>di</strong> processamento:<br />
1) “filling up”: il pit viene riempito sino a raggiungere la quota minima fra quelle delle celle più prossime,<br />
viene quin<strong>di</strong> controllato se questo permette <strong>di</strong> drenare a valle, altrimenti si prosegue con l’operazione<br />
<strong>di</strong> riempimento.<br />
2) “cutting through”: si ricerca, tramite finestre progressivamente più ampie attorno al pit considerato,<br />
una cella o serie <strong>di</strong> celle, a quota uguale o inferiore a quella del pit, e si crea un nuovo tracciato che<br />
collega il pit a questa cella o set <strong>di</strong> celle, senza considerare la quota delle celle nel mezzo.<br />
“Filling up”<br />
“Cutting through”
Calcolo delle <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong> flusso<br />
Avviene tramite Flow Routing Algorithms,<br />
che stimano le traiettorie <strong>di</strong> flusso in un<br />
DEM basandosi sulle <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong> massima<br />
pendenza.<br />
IL risultato è un nuovo grid che contiene le<br />
<strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong> flusso locali (local drain<br />
<strong>di</strong>rections, ldd), co<strong>di</strong>ficate secondo<br />
convezioni variabili da software a software.<br />
Esempio <strong>di</strong> grid che<br />
rappresenta le <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong><br />
flusso (scala <strong>di</strong> colori<br />
<strong>di</strong>screta applicata<br />
secondo la convenzione<br />
nella matrice a destra)<br />
DeMers, 2000, fig. 4.27<br />
32 64 128<br />
16 X 1<br />
8 4 2
Calcolo delle <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong> flusso<br />
Esistono meto<strong>di</strong> deterministici, con varianti che presentano una componente<br />
stocastica (casuale).<br />
Fra gli algoritmi più <strong>di</strong>ffusi vi sono:<br />
D8 (single -flow-<strong>di</strong>rection - deterministic): considera la<br />
<strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> flusso come quella corrispondente alla<br />
<strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> massima pendenza entro una griglia <strong>di</strong><br />
ricerca <strong>di</strong> 3x3 celle. Le possibili orientazioni sono<br />
costrette a variare ad intervalli <strong>di</strong> 45°.<br />
Rho8 (randomized single-flow <strong>di</strong>rection - stocastico):<br />
versione stocastica del D8, è introdotto una<br />
componente random nella <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> movimento<br />
calcolata.<br />
FD8 e FRho8 (F: fractional; multiple-flow-<strong>di</strong>rection<br />
methods): sono mo<strong>di</strong>ficazioni del D8 e del Rho8<br />
rispettivamente, che tentano <strong>di</strong> modellizzare anche la<br />
<strong>di</strong>spersione del flusso verso valle basandosi sulla<br />
pendenza delle celle circostanti.<br />
http://www.sci.uszeged.hu/foldtan/geomatematika<br />
i_szakosztaly/JHG/Vol_02/Kiss_R<br />
ichard_JHG.pdf
Co<strong>di</strong>fica della <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> flusso<br />
La <strong>di</strong>rezione <strong>di</strong> flusso viene co<strong>di</strong>ficata attraverso un co<strong>di</strong>ce numerico.<br />
Alla cella viene assegnata un valore numerico intero che simboleggia verso quale delle otto<br />
celle circostanti avviene il flusso.<br />
Co<strong>di</strong>fica in ArcGis<br />
http://www.sed.manchester.ac.uk/geogr<br />
aphy/research/tas/tutorial2.pdf<br />
Co<strong>di</strong>fica in Saga
Determinazione dei flussi cumulati<br />
Grazie al grid delle <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong> flusso, per ogni cella può essere calcolato il flusso cumulato dalle<br />
celle che vi drenano.<br />
Il prodotto è rappresentato da un grid dei flussi cumulati.<br />
Se ad ogni cella a monte viene attribuito un valore unitario, il grid dei flussi cumulati rappresenta il<br />
numero <strong>di</strong> celle a monte che drenano in ogni particolare cella.<br />
Grid <strong>di</strong>rezioni flusso Grid flussi cumulati<br />
Grid dei flussi<br />
cumulati nella zona<br />
attorno a Siena,<br />
derivato dai <strong>dati</strong><br />
SRTM2 a 90 m <strong>di</strong><br />
risoluzione.
Delimitazione <strong>di</strong> bacini idrografici<br />
Il bacino idrografico relativo ad<br />
una particolare cella è<br />
rappresentato da tutte le celle<br />
che drenano in quest’ultima.<br />
Viene creato selezionando in<br />
maniera automatizzata dal grid<br />
delle <strong>di</strong>rezioni <strong>di</strong> flusso tutte le<br />
celle che drenano verso la cella<br />
considerata.<br />
Bacino idrografico <strong>di</strong> un ramo iniziale dell’Ombrone (area<br />
blu scura sovrapposta al dem della topografia). Derivato<br />
da <strong>dati</strong> SRTM2 a 90 m <strong>di</strong> risoluzione.
Altri parametri idrografici<br />
Canali idrografici<br />
I canali idrografici possono essere definiti come le celle che drenano un numero uguale o superiore<br />
ad un valore predefinito N <strong>di</strong> celle a monte.<br />
Il grid dei canali idrografici può essere creato con una semplice operazione <strong>di</strong> selezione logica sul<br />
grid dei flussi cumulati:<br />
Streams= if (upstreamelements >= N) then 1 else 0<br />
Spartiacque<br />
Gli spartiacque (dorsali ed i picchi) possono essere estratti dal grid dei flussi cumulati selezionando le celle<br />
che non hanno alcuna cella a monte che vi drena<br />
Ridges -> if (upstreamelements = 0) then 1 else 0<br />
Parametri idrografici che sono in<strong>di</strong>cativi dell’umi<strong>di</strong>tà potenziale <strong>di</strong> una zona, oppure dell’intensità del<br />
trasporto idrico o del trasporto <strong>di</strong> suoli possono essere ricavati combinando con formule e parametri appositi<br />
il grid dei flussi cumulati con quello delle pendenze topografiche.<br />
Per approfon<strong>di</strong>menti:<br />
Burrough & McDonnell, 2000, cap. 8
Limitazioni delle analisi con i DEM<br />
Alcuni fattori possono limitare il grado <strong>di</strong> esattezza e precisione dei risultati ottenute con<br />
queste tecniche.<br />
Uno dei fattori principali è la risoluzione dei DEM, che influenza fortemente la pendenza,<br />
l’aspect calcolato e lo stesso spessore dei tracciati ricavati. Questi ultimi infatti hanno<br />
costantemente una larghezza limitata ad una singola cella, in<strong>di</strong>pendentemente dal fatto<br />
che i flussi reali siano più o meno ampi.<br />
Anche la presenza <strong>di</strong> errori ed artefatti non riconosciuti e/o non corretti nei DEM può<br />
influenzare pesantemente il risultato finale.<br />
La determinazione dei flussi <strong>di</strong>pende dal grado <strong>di</strong> successo nella modellizzazione dei<br />
processi <strong>di</strong> <strong>di</strong>spersione e <strong>di</strong>ffusione. Siccome questa modellizzazione considera solo il<br />
principio <strong>di</strong> gravità, quando entrano in gioco anche i fattori cinematici interni delle acque<br />
in movimento i risultati prodotti possono essere non realistici.
Fonti delle immagini<br />
Bonham-Carter, G. F., 2002. Geographical Information Systems for Geoscientists. Modelling with<br />
GIS. Pergamon Press.<br />
Burrough, P. A., McDonnell, R. A., 2000. Principles of Geographical Information Systems. . Oxford<br />
University Press.<br />
DeMers, M. N., 2000. Fundamentals of Geographical Information Systems, 2nd E<strong>di</strong>tion. John Wiley<br />
& Sons.<br />
Mitchell, A., 1999. The ESRI Guide to GIS Analysis. Volume 1: Geographic Patterns &<br />
Relationships. ESRI Press.<br />
Wilson, J.P., Gallant, J.C., 2000. Terrain Analysis: Principles and Applications, John Wiley and<br />
Sons.