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Elaborazioni di dati raster - malg.eu

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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.

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