3 CAPITOLO – MORFOMETRIA FLUVIALE E ANALISI DIGITALI
3.4 Analisi morfologiche su modelli digitali
I database riferiti alle caratteristiche del terreno o all’elevazione del suolo sono utili nelle analisi realizzate con i vari sistemi GIS (Wilson & Gallant, 2000). Da queste elaborazioni, vengono spesso ricavate una serie di cartografie e banche dati indispensabili per un’accurata analisi del territorio. I software GIS possiedono delle ottime funzioni di analisi per processi di superficie. In questo paragrafo analizzeremo una serie di dataset per la realizzazione di output inerenti le caratteristiche morfologiche del terreno.
La possibilità di modellare il terreno attraverso un dato di elevazione, consente di eseguire alcune analisi relative alla natura tridimensionale della superficie rappresentata. Si parlerà quindi di analisi digitale del terreno (DTA, Digital Terrain Analysis)
Per queste analisi vengono distinti:
• modelli digitali della superficie del terreno (DSM, Digital Surface Model), • modelli digitali del terreno (DTM, Digital Terrain Model).
Si tratta di modelli che descrivono la continuità della superficie terrestre attraverso una quantità finita di punti memorizzati sotto forma di coordinate spaziali (X, Y, Z).
Il termine DEM viene spesso utilizzato quando l’elevazione della superficie topografica è modellata tramite raster grid, cioè tramite una matrice regolare di valori di quota che tengono conto di una superfice topografica “spoglia” a differenza dei DSM, che rappresentano la superfice topografica più i vari elementi antropici e la copertura vegetale. L’acronimo DTM spesso sottintende la modellazione della superficie del terreno attraverso la struttura TIN, Triangular Irregular Network (Moore et al., 1991).
Per la rappresentazione della superfice e delle sue caratteristiche morfologiche, grazie ai DEM è possibile ottenere i seguenti prodotti:
• Estrazione di curve di livello (Contour), • Estrazione di punti quotati in maglia (Point), • Estrazione di profili altimetrici (Profile), • Raster delle pendenze (Slope),
• Raster delle esposizioni (Aspect), • Raster della curvatura (Curvature),
• Raster dell’illuminazione solare relativa (Hillshade), • Raster dell’intervisibilità (Viewshed),
• Calcolo di variazioni di volume (Cut & Fill)
Contour - A partire dal modello digitale del terreno, è possibile costruire un tema vettoriale che ricostruisca delle isolinee descrittive delle soglie altimetriche della superficie. È possibile determinare a piacimento il range di valori (min/max) che si vuole descrivere attraverso le isolinee, nonché la loro equidistanza (intervallo metrico tra una isolinea e la successiva).
Point - È possibile creare una maglia di punti dal centroide della cella del DEM, genericamente viene utilizzata per interpolazioni del valore quota con altri DB vettoriali.
Profile - La generazione automatizzata di profili altimetrici da DEM permette di ottenere dati tabellari che possono essere esportati ed analizzati con tecniche numeriche. Slope - La pendenza di una superficie esprime l’angolo d’inclinazione della cella (triangolare in caso di TIN) rispetto al piano orizzontale. L’equazione matematica alla
base di questa procedura tiene conto di tutte le 9 celle centrate da quella da determinare. La pendenza può esprimersi in gradi o in percentuale.
Aspect - L’esposizione di una superficie esprime l’angolo formato dal piano normale
alla superficie e la direzione del nord; esprime, in altri termini, l’orientamento dei versanti rispetto ai punti cardinali. Si misura in gradi, in cui 0°/360° corrisponde il nord, + 90° est, +180° sud, +270° ovest.
Curvature - Misura la variazioni della pendenza lungo la direzione più inclinata,
determinando la convergenza o divergenza topografica.
Hillshade - Andamento della quantità d’illuminazione riflessa dato il modello del
suolo e la posizione di una sorgente di illuminazione. È possibile determinare a piacimento la posizione del sole (Azimuth e Altitude), un’eventuale fattore di moltiplicazione dei valori altimetrici (Z factor) e la dimensione della cella della copertura raster (Output cell size).
Viewshed - Identifica le celle di un DEM che possono essere viste da uno o più punti
di osservazione. Nel caso di un viewshed ottenuto a partire da un punto di osservazione, a ciascuna cella che può essere vista viene attribuito il valore 1, mentre alle altre celle viene attribuito il valore 0. Nel caso di un viewshed ottenuto a partire da più punti di osservazione, ciascuna cella nella copertura raster derivata riceve un valore che indica quanti punti possono vedere quella cella.
Cut/Fill - calcola le aree e i volumi di variazione tra due superfici aventi la stessa
estensione spaziale ma che sono state modificate attraverso addizioni o rimozioni di materiale di superficie. Il risultato di una operazione di cut/fill tra due layers che descrivono la superficie del suolo, in due diversi periodi, produce un tema raster differenziato in tre valori: superficie non modificata, superficie minore per erosione (cut), superficie maggiore per deposito (fill).
Per la rappresentazione delle caratteristiche idrologiche della superficie, grazie ai DEM è possibile ottenere i seguenti prodotti:
• Calcolo delle direzioni di flusso (Flow Direction),
• Determinazione del flusso cumulato (Flow Accumulation), • Calcolo dell’ordine gerarchico delle aste (Streem Order) • Delimitazione dei bacini idrografici (Watershed),
Grazie a queste informazioni è possibile eseguire una serie di analisi in funzione del dato di output che si vuole ottenere. Si può variare da analisi di erosione del suolo,
modellazioni geochimiche, modellazioni meteoclimatiche, simulazioni d’inondazioni, ecc.
Per la determinazione delle caratteristiche del reticolo idrografico è conveniente eseguire un iniziale processamento del modello digitale utilizzando l’operazione FILL, la quale colma le aree in cui sono presenti dati nulli (no data), interpolando i valori mancanti con appositi algoritmi, cioè, applica un filtro che genera una mappa di elevazione priva di depressioni anomale.
Flow Direction - Costruisce la mappa delle direzioni di drenaggio, utilizzando
l’algoritmo D8 (single flow direction, SFD) o l’algoritmo FD8/FRho8 (multiple flow
direction, MFD). Sono algoritmi che tentano di modellizzare la dispersione del flusso
verso valle basandosi sulla pendenza delle celle circostanti a cui viene assegnato un valore numerico intero che simboleggia verso quale delle otto celle avviene il flusso.
Flow Accumulation - Grazie al grid delle direzioni di flusso, per ogni cella può
essere calcolato il flusso cumulato dalle celle che vi drenano. Il grid in output rappresenta la somma del numero di celle a monte che drenano nella cella considerata.
Streem Order - Grazie a delle operazioni di map algebra e alle direzioni di flusso, si
riesce ad ottenere il numero di ordine gerarchico delle aste (metodo di Horton).
Watershed - Delimita il bacino idrografico sotteso ad una determinata sezione di
chiusura (cella). Si considera una cella come sezione di chiusura e vengono selezionate tutte le celle con direzione di flusso che drenano verso la cella più a valle.
Tutti questi output possono essere salvati in una directory temporanea (Temporary) o in una collocazione stabilita. Inoltre, queste elaborazioni restituiscono dei file raster che devono essere convertiti in file vettoriali (linee, poligoni, punti). Per trasformare un raster in vettore, generalmente bisogna correggere/riclassificare il file di partenza, utilizzando il comando reclassify, e successivamente passare alla conversione utilizzando il comando Raster to Polygon.
Dai vettoriali si riesce ad ottenere la lunghezza degli elementi lineari, il perimetro e l’area dei poligoni e le varie coordinate dei centroidi e dei punti, utilizzando i calcolatori di campi delle varie geometrie dei dataset.