Introduzione_______________________________________________________
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Lo sviluppo tecnologico ha permesso negli ultimi venti anni, la
realizzazione di numerose procedure per l’estrazione di reti di
drenaggio da DEM tra cui quella di Jenson & Domingue utilizzata da
ArcInfo, uno dei più comuni software della categoria dei Sistemi
Informativi Georeferenziati (GIS).
Comunque, quale che sia la procedura eseguita, ci sono alcuni
problemi concernenti la reale approssimazione del terreno che viene
introdotta in una digitalizzazione dello stesso. Uno di questi è la
presenza di alcune zone all’interno del DEM che creano, per così dire,
una certa indeterminatezza nella reale definizione della rete di
drenaggio: i cosiddetti PIT o depressioni.
Lo scopo di questo lavoro è di presentare una nuova metodologia di
rimozione di questi punti di discontinuità idrologica tramite una
procedura che si avvale di un’interfaccia tra lo strumento di
rappresentazione della superficie georeferenziata, e quindi ARCINFO,
e un interpolatore compilato in ambiente Fortran, che utilizza un
algoritmo sviluppato da Niemann (2000), per l’elaborazione di
superfici, basato su fenomeni fisici che modellano il terreno.
Vengono altresì mostrati alcuni esempi applicativi della procedura nei
quali si possono verificare gli effetti di una correzione basata su
parametri fisici rispetto ad un metodo puramente geometrico ( FILL di
ArcInfo).
Introduzione_______________________________________________________
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Schematicamente il lavoro verrà così suddiviso:
ξ Capitolo I Breve descrizione del sistema GIS e dei metodi di
redazione dei DEM. Definizione di PIT e Flat Area. Origine e
loro conseguenze sulla determinazione della rete di drenaggio.
ξ Capitolo II Metodi di rimozione delle imprecisioni
precedentemente proposti. Maggiore attenzione alle procedure
proposte da Jenson & Domingue (1988) per ArcInfo e da Ao
Tianqi (2003).
ξ Capitolo III Descrizione delle metodiche adottate
nell’approccio proposto in questo lavoro. In particolare
descrizione del modello d’interpolazione e suo adattamento agli
scopi prefissati.
ξ Capitolo IV Presentazione delle verifiche e delle applicazioni
della procedura proposta. Confronto con il metodo FILL di
ArcInfo.
ξ Capitolo V Conclusioni alle quali si è giunti e sviluppi
applicativi.
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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CAPITOLO I
‘PIT’ e ‘Flat Areas’ nei Digital Elevation Models.
I.1 - Il GIS
Con la crescente esigenza da parte di tecnici e di studiosi
dell’ambiente di possedere strumenti di indagine sempre più accurati e
semplici da utilizzare, accompagnato dal notevole sviluppo dinamico
di aree sul territorio, si richiedono sempre più strumenti adeguati per
l’analisi, la pianificazione ed il monitoraggio ambientale.
Data la complessità del territorio è auspicabile che questi strumenti
siano organizzati in un sistema informativo, che avendo per oggetto la
superficie territoriale e le informazioni ad essa relative, viene
denominato Sistema Informativo Territoriale (SIT)(Buscarlo et al.,
2001).
Un sistema informativo è “uno strumento computerizzato che
permette di raccogliere, memorizzare, posizionare, richiamare,
analizzare, trasformare e rappresentare dati georiferiti ed eventi che
esistono e si verificano sul territorio”.
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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Un contributo fondamentale all’aggiornamento delle informazioni
territoriali è dato soprattutto dal GIS, strumento informatico di
organizzazione, catalogazione e manipolazione della “memoria storica
territoriale” (Crespi e Baiocchi, 2001), aggiornabile con continuità. Il
GIS gestisce i dati di un SIT in maniera efficiente ed efficace.
Considerando la grande quantità di dati che occorre gestire e le loro
elaborazioni, richieste dai nuovi metodi di pianificazione basati sulla
sovrapposizione tematica, l’utilizzo della tecnologia informatica
appare fondamentale con il vantaggio che le informazioni inserite in
un SIT possono essere aggiornate e modificate rapidamente rispetto
alla cartografia tradizionale.
Figura 1 - Rappresentazione schematica dei legami e delle proprietà dei
componenti della famiglia dei SIT.
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Caratteristica fondamentale di un GIS è la capacità di georeferenziare
i dati, cioè di attribuire ad ogni elemento le sue coordinate spaziali
reali. Infatti, le coordinate di un oggetto non sono memorizzate
relativamente ad un sistema di riferimento arbitrario (ad esempio di
una mappa), né relativamente al sistema di coordinate della periferica
usata, come la tavoletta digitalizzatrice od il video, ma sono
memorizzate secondo le coordinate del sistema di riferimento (Gauss-
Boaga, UTM, ecc.) in cui realmente l'oggetto si trova.
L’archiviazione dei dati, una volta definito il sistema di riferimento e
il modello dei dati, avviene utilizzando due formati:
ξ formato vettoriale;
ξ formato raster.
Figura 2 - Espressione figurativa delle diverse tipologie di strumenti per
l'archiviazione dei dati nel GIS.
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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La differenza sostanziale tra i due formati sta nel fatto che mentre i
dati vettoriali per la loro memorizzazione necessitano di alcuni punti
significativi, per i raster, invece, i dati sono memorizzati attraverso la
creazione di una griglia regolare o matrice, in cui ad ogni cella
(assimilabile ad un pixel) viene assegnato un numero o un determinato
codice alfanumerico che ne rappresenta un attributo ben preciso ed
univoco. La possibilità di utilizzare il dato cartografico
tridimensionalmente, in formato sia vettoriale che raster o combinato
come ortoimmagine 3D, consente all’utente di poter usufruire di tutte
le potenzialità di elaborazione offerte dalle due tipologie, senza dover
essere vincolato dai formati stessi. Le analisi spaziali risultano così
essere più semplici ed eloquenti e consentono di ottenere una mappa
tematica con caratteristiche di realismo assai utili per l’individuazione
immediata dei risultati cercati nell’analisi.
I.1.1 - Rappresentazioni spaziali in GIS
Il GIS ha come punto di forza la capacità di gestire oggetti
tridimensionali, ovvero georeferenziare elementi ben definiti tramite
sistemi a tre coordinate reali. Tra i sistemi utilizzati per la
rappresentazione dei dati in tale forma, le più comuni sono: TIN,
DTM e DEM.
La triangolazione dei dati, TIN (Triangulated Irregular Network),
utilizza una distribuzione continua di triangoli ricavati generalmente
con algoritmi appropriati in cui i vertici (nodi) dei triangoli sono
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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costituiti dai punti osservati (Fig. 3); questo tipo di organizzazione li
rende particolarmente efficaci quando si deve rappresentare un terreno
molto accidentato con bruschi cambi di pendenza.
Figura 3 - Esempio dell'a rappresentazione spaziale in formato TIN.
I DEM (Digital Elevation Model) sono utilizzati per rappresentare la
morfologia del territorio e sono solitamente realizzati in forma raster
o a matrice delle altezze (altitude matrix) e prodotti, quindi, a partire
da dati spaziati regolarmente o meno (Fig. 4). Ogni elemento della
griglia viene memorizzato con la rispettiva quota (GRID, matrice
delle altezze), oppure con quota puntuale al centro della cella e con gli
altri punti all’interno di essa che vengono interpolati (lattice).
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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Figura 4 - Esempio di rapresentazione digitale dell'elevazione del terreno (DEM).
I DTM (Digital Terrain Model) hanno le stesse caratteristiche, ma ha
un significato più generico rispetto al precedente, in quanto può
rappresentare superfici tridimensionali di varia natura.
La fortuna del modello DTM è dovuta alla facilità con cui le matrici
possono essere manipolate con gli elaboratori elettronici e alla
struttura topologica di facile comprensione(Tarboton et al., 1991).
I.1.2. - I Digital Elevation Models (DEM)
Soffermandoci sulla rappresentazione spaziale del terreno, si ricorda
in sintesi che il DEM è uno strumento che permette di descrivere
numericamente la superficie del suolo.
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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Esso di norma può essere suddiviso in tre diverse tipologie:
¾ una matrice di numeri che rappresentano la distribuzione
spaziale delle quote su una griglia regolare;
¾ un insieme di coordinate (x,y,z) di un numero N di punti;
¾ un insieme di coordinate (x,y,z) di punti ricavati dalle curve
isoipse.
Figura 5 - Esempio di rappresentazione cromatica di DEM utilizzata in GIS e
relativa corrispondenza in termini di elevazione.
Relativamente allo sviluppo ed al conseguente utilizzo i DEM del
primo tipo sono quelli più diffusi; essi sono generalmente realizzati
tramite una griglia regolare di valori di cui ogni cella rappresenta la
quota di un punto.
Numerosi sono i metodi per la rilevazione dei dati di cui ha bisogno la
redazione di un DEM. La fotogrammetria è sicuramente quello che è
stato più utilizzato, almeno nei primi anni, in quanto costituiva un
448 448 443 449 450
438 438 432 444 450
433 427 421 438 447
434 427 425 431 438
435 425 421 427 429
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mezzo semplice e rapido per il rilevamento topografico. La
fotogrammetria rappresenta il complesso dei metodi operativi sia
analitici che grafici che ottico – meccanici che automatici i quali,
utilizzando un sufficiente numero di fotografie del terreno scattate da
punti diversi o da aerei, consentono di costruire una carta topografica.
Figura 6 - Foto di tecniche fotogrammettriche per la redazione di carte
topografiche digitalizzate.
Il passaggio dalle fotografie alla rappresentazione grafica del terreno
rilevato, ossia alla cartografia, viene poi eseguita tramite apparecchi
specifici definiti restitutori: essi possono essere ottici, analogici, a
proiezione ottica e meccanica, analitici ed automatici.
Successivamente lo sviluppo tecnologico negli ultimi decenni delle
tecniche del rilievo ha subito innovazioni considerevoli, specialmente
in seguito all’avvento dei distanziometri elettronici: efficaci ma molto
sensibili alle condizioni di visibilità, alla distanza di visualizzazione e
soprattutto alle condizioni atmosferiche.
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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Tuttavia l’impiego dei satelliti artificiali si è immediatamente imposto
sui metodi di rilevamento precedentemente adottati per rapidità e
risoluzione delle misure topografiche. Dal 1957 ad oggi sono stati
lanciati in orbita un numero considerevole di satelliti realizzando così
una rete che, orbitando intorno alla terra, permettono di conoscere la
posizione di qualsiasi punto rispetto ad un sistema di riferimento
mondiale. Una serie di stazioni a terra controlla le orbite dei satelliti e
fornisce a questi ultimi i dati sulla loro posizione, insieme ad altre
informazioni. Lo strumento che utilizza la rete satellitare per il
rilevamento topografico è il NAVSTAR – GPS. È un complesso di 24
satelliti che orbitano intorno al globo a 21000 km di quota, disposti su
sei orbite sfalsate di 60’ ed inclinate di 55’ sull’Equatore.
Tale configurazione permette di avere sopra l’orizzonte, per qualsiasi
punto del pianeta ed in qualsiasi momento del giorno, almeno quattro
satelliti visibili contemporaneamente. (Fig. 7)
Figura 7 - A sinistra l'insieme dei 24 satelliti che costituiscono il sistema GPS,
mantre a destra esempio di configurazione ottimale per la determinazione della
posizione di un ricevitore posto sul globo terrestre.
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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Questa è la condizione minima necessaria per una misura GPS: esso è
alla base per la determinazione della posizione di un oggetto
attraverso la misura delle distanze dai satelliti. Il funzionamento del
sistema avviene tramite il laser scanning (LIDAR) : emesso un
impulso laser, il tempo di restituzione dell’eco, essendo nota la
velocità della luce, viene trasformato in distanza rispetto al bersaglio.
Figura 8 - Rappresentazione dei componenti terrestri e spaziali del GPS.
La procedura per la determinazione delle coordinate di un punto può
essere distinta in due fasi principali:
‰ acquisizione dei dati da velivolo (pianificazione del volo,
definizione delle stazioni di riferimento a terra, taratura del
sistema, acquisizione vera e propria dei dati, elaborazione dei
dati di navigazione);
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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‰ calcolo dei punti (riduzione dei dati, filtraggio ed eliminazione
delle caratteristiche non appartenenti alla morfologia indagata,
trasformazione delle coordinate, interpolazione del reticolo).
Ciascun punto è definito allora da un vettore 3D. l’impiego del GPS
avviene in modalità cinematica post-processata, per cui è necessaria la
presenza di un ricevitore a terra che sia collocato su un punto di
coordinate note. Di solito il sistema è corredato anche da una o più
telecamere per l’acquisizione di una documentazione visiva delle zone
sorvolate, particolarmente utile nella fase di elaborazione.
Il terreno viene scansionato in strisciate, assicurando la
sovrapposizione sul bordo delle stesse. Considerando che il laser viene
riflesso anche dalle coperture vegetali, il modello digitale risultante
costituisce il DSM (Digital Surface Model), dal quale è poi possibile
ricavare l’effettivo andamento del terreno: il DEM.
L’esperienza ha dimostrato che l’utilizzo dei dati satellitari integrati
da informazioni di superficie, comporta il duplice vantaggio, rispetto
alle tecniche tradizionali, di fornire informazioni più omogenee nel
tempo e nello spazio e che tali informazioni sono, a parità di
precisione, economicamente più vantaggiose.
Un settore applicativo, di particolare rilevanza, del sistema di
rilevamento satellitare è proprio quello della generazione di carte
tematiche ottenute da dati raccolti e l’implementazione di sistemi per
il loro aggiornamento periodico con tecniche assistite da calcolatori.
Gli elementi riconoscibili mediante telerilevamento possono
riguardare varie classi di copertura del suolo, ma il più importante dal
Capitolo I Pit e Flat areas nei Digital Elevation Models
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punto di vista tecnico – scientifico è la possibilità di generare modelli
di elevazione del terreno usando coppie di immagini acquisite dai
satelliti capaci di osservare il suolo da diverse angolazioni.
I dati da satellite sono sottoposti ad un processo di elaborazione per
referenziarli geograficamente rispetto ad una determinata proiezione
cartografica e per correggere eventuali alterazioni dovute alle
condizioni atmosferiche. Si procede quindi alla fase di classificazione
in cui ogni elemento dell’immagine (pixel) viene associato ad una
quota, operazione effettuabile sia tramite un fotointerprete o con
tecniche automatiche. Sono poi condotti dei test di validazione
dell’accuratezza della classificazione utilizzando i punti test osservati
a terra. Tutti i dati così ricavati vengono inseriti nel sistema
informativo territoriale GIS per creare in forma digitale la carta: il
DEM.
Riassumendo le principali classi DEM che si possono utilizzare sono:
- DEM creati con sistemi fotogrammetrici partendo da
coppie stereoscopiche di immagini da satellite o
fotografie aeree.
- DEM cartografici. Possono essere prodotti da curve di
livello oppure da punti sparsi attraverso programmi di
interpolazione. Le curve di livello devono essere
digitalizzate con la relativa informazione altimetrica.
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