Morfologia Fluviale con Sistemi Informativi Open SourceRiccardo Rigon con numerosi contributi “rubati” a D. Tarboton

(1)

Morfologia Fluviale con Sistemi Informativi Open Source

Riccardo Rigon con numerosi contributi “rubati” a D. Tarboton

Travelers Among Mountains and Streams, ink and slight colour on silk hanging scroll, by Fan Kuan, c. 960–c. 1030, Bei (Northern) Song dynasty; in the National Palace Museum, Taipei, Taiwan.

Monday, December 13, 2010

(2)

Delineazione dei bacini idrografici

Riccardo Rigon

2

In quell'impero, l'Arte della Cartografia raggiunse una tale Perfezione che la mappa di una sola provincia occupava tutta una Città e la mappa dell'Impero tutta una Provincia. Col tempo codeste Mappe Smisurate non soddisfecero e i Collegi dei Cartografi eressero una mappa dell'Impero che uguagliava in grandezza l'Impero e coincideva puntualmente con esso.

Meno Dedite allo studio della cartografia, le Generazioni Successive compresero che quella vasta Mappa era inutile e non senza Empietà la abbandonarono all'Inclemenze del Sole e degl'Inverni. Nei deserti dell'Ovest rimangono lacere rovine della mappa, abitate da Animali e Mendichi; in tutto il paese non è altra reliquia delle Discipline Geografiche.

(Suarez Miranda, Viaggi di uomini prudenti, libro quarto, cap. XLV, Lérida, 1658)

Da Jeorge Luis Borges, L'artefice, Ed. Mondadori i Meridiani vol. 1, pg. 1253

(3)

Riccardo Rigon

Obbiettivi

3

(4)

Riccardo Rigon

Obbiettivi

3

•Introdurre i concetti correlati alla delineazione di un bacino idrografico

(5)

Riccardo Rigon

Obbiettivi

3

•Verificare alcune situazioni idrogeomorfologiche

(6)

Riccardo Rigon

Obbiettivi

3

•Dare una base teorica alle lezioni con JGrass

(7)

Riccardo Rigon

Obbiettivi

3

•Dare una base teorica alle lezioni con JGrass

•Definire il concetto di bacino digitale

(8)

Riccardo Rigon

La Discretizzazione del Terreno

4

da Tarboton: www.cuahsi.org

(9)

Riccardo Rigon

Una griglia e’ uno Spazio Geografico di celle equidistanziate.

Ogni cella contiene un valore, per esempio di quota.

5

(10)

Introduzione ai GIS - Sistemi Informativi Territoriali

Silvia Franceschi

Sistemi Informativi Territoriali (SIT)‏

Geographic Information Systems (GIS)‏

6

(11)

Silvia Franceschi

Sistema Informativo:

Insieme di attrezzature, procedure e persone che hanno il compito di, organizzare, selezionare, archiviare e comunicare i dati riguardanti le attività di un'organizzazione (pubblica o privata).

Il suo obiettivo è quello di mettere a disposizione dei responsabili delle decisioni operative tutte le informazioni necessarie per effetture le migliori scelte possibili.

Insieme di procedure basate sull’uso di sistemi informatici, usate per archiviare ed elaborare dati georeferenziati” (Aronoff 1989)

Insieme di strumenti per acquisire, estrarre, elaborare, archiviare e RAPPRESENTARE dati spaziali del mondo reale” (Burrough 1986)

7

(12)

Silvia Franceschi

8

Sistema Informativo:

(13)

Silvia Franceschi

GIS – Geographic Information System

1. Strumento completo adatto alla rappresentazione del territorio ed al trattamento delle informazioni associate agli oggetti georeferenziati.

2. Agli oggetti (punti, linee, aree) sono assegnate le coordinate spaziali congruenti con la base cartografica di riferimento.

3. I GIS integrano le caratteristiche di diversi tipi di software.

Utilizzare un GIS non significa solo usare un software ma piuttosto adottare un metodo di lavoro.

CAD DATABASE

Image Processing

GIS

9

(14)

Silvia Franceschi

Cosa non è un Geographic Information System (GIS)?

L'errore più comune nel parlare di GIS è quello di confondere un Sistema Informativo Geografico con una o più delle sue componenti tecnologiche.

• GIS non è una cartografia digitale

• la base cartografica digitale è semplicemente uno dei punti di partenza nella realizzazione di un GIS

• base cartografica

• GIS non è un pacchetto software più o meno evoluto

10

(15)

Silvia Franceschi

Invece

✤ è un sistema che presuppone l'esistenza di un progetto ben definito da parte dell'utente finale

✤ è un MODELLO DI RAPPRESENTAZIONE DEL MONDO REALE

11

✤ e quindi identifica un metodo di lavoro

(16)

Silvia Franceschi

Come funziona un GIS?

12

(17)

Silvia Franceschi

In cartografia numerica i piani informativi possono essere separati (molto spesso lo devono essere).

RETICOLO IDROGRAFICO

INSEDIAMENTI

VIABILITÀ PRIMARIA

13

Text

Piani Informativi

(18)

Silvia Franceschi

I dati spaziali sono tradizionalmente divisi in due classi:

•RASTER (campi, coverages)

•VETTORIALE (entità, features)

14

Dati: Entità e Campi

(19)

Silvia Franceschi

Oggetti definiti quasi ovunque nel dominio di interesse, rappresentazione discreta di oggetti 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.

15

Campi o Raster (o Coverages)

(20)

Silvia Franceschi

Campi

Quote (DTM: Digital Terrain Model)‏

16

(21)

Silvia Franceschi

DTM

17

Raster

(22)

Silvia Franceschi

18

Oggetti discreti e discontinui, delimitati in modo preciso. O delimitazione di oggetti continui.

Esempio: edifici, aree amministrative, rete viaria.

Sono rappresentati con modelli vettoriali, eventualmente topologici e tabelle di attributi associate.

Entità, Vettori, Features

(23)

Silvia Franceschi

19

Curve di Livello

(24)

Getting Started with JGRASS

Silvia Franceschi

Arrigo e Boetti - Map of the World 1984

(25)

“Free Software ... you should think of ‘free’ as in ‘free speech,’ not as in “free beer.^””

Richard Stallman

(26)

Silvia Franceschi

Getting Started with JGRASS and GIS

Installazione

!JGrass si può installare su tutti i sistemi operativi in cui sia attiva una Java Virtual Machine:

! windows

! linux

! macOSX

JGrass si scarica gratuitamente dal sito:

www.jgrass.org Esistono due tipologie di installazione:

!installazione usando la versione completa di JGrass

!installazione come plugin di uDig ₂₂

(27)

Silvia Franceschi

Installazione come Plugin di uDig

!JGrass come plugin di uDig può essere solo dopo aver installato uDig.

!scaricare la versione consigliata di uDig http://udig.refractions.net/download/

!installare uDig seguendo le istruzioni della procedura guidata di installazione

!scegliere dal menu Help -> Find and Install...

23

(28)

Silvia Franceschi

Scegliere di installare delle nuove funzionalità e proseguire con la procedura guidata.

Nella scelta della funzionalità da installare selezionare JGrass.

24

(29)

Silvia Franceschi

25

(30)

Silvia Franceschi

Descrizione dell’Ambiente di Lavoro

VISTA DEI PROGETTI

26

(31)

Silvia Franceschi

VISTA DEI PIANI

27

(32)

Silvia Franceschi

VISTA MAPPA

28

(33)

Silvia Franceschi

CATALOGO, TABELLA ATTRIBUTI...

29

(34)

Silvia Franceschi

Visualizzazione dei Dati

In JGrass-uDig è possibile visualizzare dati georiferiti sia RASTER che VETTORIALI.

Per i dati vettoriali si fa riferimento alle funzionalità di uDig.

Approfondimenti da questo punto di vista (personalizzazione visualizzazione, visualizzazione dati in rete...) si trovano nei due manuali:

http://udig.refractions.net/confluence/display/EN/Walkthrough+1 http://udig.refractions.net/confluence/display/EN/Walkthrough+2 Per i dati raster si usano le funzionalità dei due sistemi a seconda del tipo di dato con cui si sta lavorando.

30

(35)

Di nuovo sulle nostre mappe di elevazione

Riccardo Rigon con numerosi contributi “rubati” a D. Tarboton

Travelers Among Mountains and Streams, ink and slight colour on silk hanging scroll, by Fan Kuan, c. 960–c. 1030, Bei (Northern) Song dynasty; in the National Palace Museum, Taipei, Taiwan.

(36)

Riccardo Rigon

Gli attributi topografici primari:

32

- Quote

- Pendenze - Curvature

(37)

Riccardo Rigon

Quote: per averle utili per la Modellazione Idrologica non basta avere i dati.

E’ necessario aver eliminato tutte le depressioni che si possono generare nel reticolo.

PitFiller

33

(38)

Riccardo Rigon

34

Gradiente - Pendenze

(39)

Riccardo Rigon

35

From Arc Hydro

Bacini Idrografici in digitale

(40)

Che cos’é la Geomorfometria? Una breve Introduzione - I

Silvia Franceschi

36

DEFINIZIONE: un insieme di strumenti informatici nei quali collezionare ed organizzare dati e modelli relativi ad un bacino idrografico, in modo che siano facilmente interrogabili per fornire alle amministrazioni che si occupano della gestione del bacino le informazioni necessarie per la pianificazione.

Digital Watershed - Bacino Digitale

(41)

Silvia Franceschi

DIGITAL EARTH Al Gore 1998

rappresentazione virtuale e 3D

della terra

spazialmente georiferita

connessioni ad archivi di dati

digitali in tutto il mondo

informazioni scientifiche naturali e culturali

descrivere e capire la terra

il suo ambiente e l'attività umana ₃₇

Digital Watershed - Bacino Digitale

(42)

Silvia Franceschi

38

La “Macchina di Horton”

E’ un insieme di modelli sviluppati per ricavare gli elementi qualitativi e quantitativi di un bacino che costituiscono la sostanza di un bacino digitale.

Molte applicazioni sono pensate per aree montane, con geografia complessa e gestiscono vari formati di dati.

(43)

Silvia Franceschi

39

I comandi sono suddivisi in 7 categorie:

•DEM manipulations

(44)

Silvia Franceschi

40

•Geomorphology

(45)

Silvia Franceschi

41

•Geomorphology

•Network related measures

(46)

Silvia Franceschi

42

•Geomorphology

•Hillslope Analysis

(47)

Silvia Franceschi

43

•Geomorphology

•Basins Attributes

(48)

Silvia Franceschi

44

•Geomorphology

•^Statistics

(49)

Silvia Franceschi

45

•Geomorphology

•^Statistics

•Hydrogeomorphology

(50)

ydroloGIS nvironmental ngineering

HydroloGIS s.r.l. - Via Siemens, 19 – 39100 Bolzano www.hydrologis.com

The representation on a regular rectangular grid of the data constitutes the most common and most efficient form in which the

terrain digital data can be found.

HYPOTHESIS ON DEM:

• data are significant

• regular squared grid

• 8 direction topology

DIGITAL ELEVATION MODELS (D.T.M.)‏

The data in this raster form usually is made by reporting the vertical coordinate, z, for a

subsequent series of points, along an assigned regular spacing profile.

(51)

PRELIMINARY OPERATIONS

(52)

definition the working region

import in JGrass the starting DEM which we want to analyse

(53)

(54)

pit detection

(55)

FIRST STEP: DEPITTING THE DEM

The first operation to do is to fill the depression points present within a DEM so that the drainage directions can be defined in each point.

Observations on this topic demonstrate that this calculation addresses lesser than the 1% of the data and that usually this depressions are given by wrong calculation in the DEM creation phase and that in fact

they are not real depressions.

The command used to fill the depressions is:

h.pitfiller

based on the Tarboton algorithm.

(56)

h.pitfiller

Fills the depressions following the Tarboton algorithm.

(57)

Riccardo Rigon

Le principali grandezze derivate:

51

•Direzione di drenaggio

•Aree contribuenti

(58)

(59)

pit detection

definition of the drainage directions

(maximum slope)‏D8

D8 with correction

(correction on the direction of the gradient)‏

(60)

Riccardo Rigon

53

(61)

Riccardo Rigon

54

Bacini Idrografici dai DEM

Una volta che si siano identificate le direzioni di drenaggio:

•Scelto un punto (pixel)

•Si può determinare l’insieme dei punti che “fluisce” in quel punto

•Tale insieme costituisce la superficie di un bacino idrografico

(62)

Riccardo Rigon

55

Direzioni di Drenaggio

(63)

(64)

pit detection

definition of the drainage directions

definition of the main network

(maximum slope)‏D8

D8 with correction

(correction on the direction of the gradient)‏

(65)

Riccardo Rigon

La Rete Idrografica: dove iniziano i Canali?

57

(66)

Riccardo Rigon

58

Montgomery and Dietrich, WRR, 1992

(67)

Riccardo Rigon

59

(68)

FLOW DIRECTIONS

only 8 possible direction in which direct the flux

this is a limit of modelling the natural flow They define how water moves on the surface in relation to the topology of the study

region. Flow directions allow you to calculate the drainage directions.

Hypothesis: each DEM cell drains only in one of its 8 neighbours, either adjacent or diagonal in the direction of the steepest downward slope.

(69)

h.flowdirections

It calculates the flow direction in the direction of the steepest downward slope choosing for each DEM cell to one of its 8 neighbours.

The flow directions convention numbers are from 1 to 8 where 1 is the east direction.

(70)

FLOW DIRECTIONS

In the map each colour represents one of the 8 drainage directions. The map

contains the convention number of this directions.

(71)

FLOW DIRECTIONS

(72)

FLOW DIRECTIONS

(73)

FLOW DIRECTIONS

(74)

FLOW DIRECTIONS

(75)

FLOW DIRECTIONS

(76)

FLOW DIRECTIONS

(77)

FLOW DIRECTIONS

(78)

FLOW DIRECTIONS

(79)

FLOW DIRECTIONS

(80)

FLOW DIRECTIONS

(81)

A CORRECTION TO THE PURE D8 METHOD

Using the “pure” D8 method for the drainage direction estimation cause an effect of deviation from the real direction identified by the gradients.

This algorithm calculates the drainage direction minimizing the deviation of the flow from the real flux direction. The deviation is calculated beginning

from the pixel at highest elevation and going downstream.

The deviation is calculated with a triangular construction and can be expressed as angular deviation (method D8-LAD) or as transversal

distance (method D8-LTD)‏

The lambda parameter is used to assign a weight to the correction made to the drainage directions.

This method has been developed by S. Orlandini

(82)

h.draindir

LAD method:

angular deviation check on alpha LTD method:

transversal deviation check on delta

The deviation is cumulated from higher pixels down-hill and the D8 drainage direction is redirected to the real direction when the value is larger than an assigned threshold.

If λ = 0 the deviation counter has no memory and the pixels up-hill do not affect the choice.

(83)

THE NEW DRAINAGE DIRECTIONS AND THE NEW TCA

STANDARD METHOD

(84)

(85)

(86)

(87)

(88)

h.draindir

Map obtained categorizing the

resulting map of the command Map obtained personalizing the colours of the original map

(89)

h.draindir

NETWORK FIXED METHOD: in flat areas or where there are manmade constructions, it can happen that the extracted channel network does not coincide with the real channel network.

Fixed network Extracted network

(90)

h.draindir

FLOW FIXED METHOD

(91)

h.draindir

FLOW FIXED METHOD

Flow fixed map created by h.netshape2flow from a shapefile of the network

(92)

h.draindir

(93)

h.draindir

(94)

TOTAL CONTRIBUTING AREA

It represents the area that contributes to a particular point of the catchment basin.

It is an extremely important quantity in the geomorphologic and hydrologic study of a river basin: it is strictly related to the discharge flowing through the different points of the system in uniform precipitation conditions.

On this quantity most of the diffusive methods used to extract the stream network from the digital models are based.

(95)

TCA

Where W_j is:

• 1 for pixels that drain into the i-est pixel;

• 0 in any other case for single flow directions.

(96)

TCA

Where W_j is:

(97)

TCA

source

Where W_j is:

(98)

TCA

source

Where W_j is:

(99)

TCA

Where W_j is:

(100)

TCA

source

Where W_j is:

(101)

TCA

source

Where W_j is:

(102)

TCA

1 source

Where W_j is:

(103)

TCA

Where W_j is:

2

(104)

TCA

source

Where W_j is:

2

(105)

TCA

source

Where W_j is:

2

(106)

TCA

1 source

Where W_j is:

2

(107)

TCA

Where W_j is:

2

(108)

TCA

source

Where W_j is:

2

(109)

TCA

source

Where W_j is:

2

(110)

TCA

1

3

source

Where W_j is:

2

(111)

TCA

Where W_j is:

(112)

TCA

source

Where W_j is:

(113)

TCA

source

Where W_j is:

(114)

TCA

1 2

3 4

5 6

7 8

9

source

Where W_j is:

(115)

TCA RESULTS COMPARISON

Log(TCA)‏ Log (LAD-TCA)‏

In the figures are compared the total contributing areas calculated with the pure D8 method and with the corrected method (LAD-D8). In the second case the typical maximum steepest parallelisms are not present with a representation of the flow

very near to reality.

(116)

Riccardo Rigon

La numerazione di STRAHLER e

Le Leggi di HORTON

85

• Il reticolo idrografico “estratto” e’, matematicamente parlando, un grafo orientato.

•Gli elementi di tale grafo posseggono una topologia ad albero

(117)

Riccardo Rigon

86

La numerazione di Stahler e le leggi di Horton

(118)

Riccardo Rigon

86

In giallo “le sorgenti”

(119)

Riccardo Rigon

86

Le sorgenti hanno ordine di Strahler 1

(120)

Riccardo Rigon

86

Le sorgenti hanno ordine di Strahler 1

D u e s o r g e n t i s i incontrano e formano un r a m o d i o r d i n e d i Strahler di ordine 2

(121)

Riccardo Rigon

87

Ad ogni incrocio di corso d’acqua:

se si incontrano due r a m i d i o r d i n e diverso, m ed n, il corso d’acqua che ne esce ha ordine

max(m,n)+1

(122)

Riccardo Rigon

88

Strahler - Horton

Si forma così una rete gerarchizzata con rami (streams) di ordine diverso. Di questi si può:

-contare il numero

-valutare la lunghezza media

- v a l u t a r e l ’ a r e a afferente media.

(123)

Riccardo Rigon

La distanza di ogni punto

in un bacino dal crinale. Legge di Hack

89

(124)

Riccardo Rigon

1 10 100 1000

Area 0.01

0.1 1 10 100

<L

^n

>ê<

L^H n- 1L>

1 10 100 1000

0.001 0.01 0.1 1 10 100

h = 0.54

Rigon et al., 1996

90

La distanza di ogni punto

in un bacino dal crinale. Legge di Hack

(125)

Riccardo Rigon

La Densita’ di Drenaggio

91

(126)

Riccardo Rigon

92

La Densita’ di Drenaggio

(127)

Riccardo Rigon

La Distanza dalla Rete Idrografica dei punti nei versanti

93