lez. 3 - corso di modelli e gis per l'ambiente

Universita` degli Studi della BasilicataDipartimento di Ingegneria e Fisica dell'Ambiente (DIFA)

GRASS GIS e l'idrologia

Ing. Margherita Di Leo

Introduzione

● In GRASS GIS sono implementati numerosi moduli utili alla modellazione idrologica. ● Qui [1] sono riportati alcuni esempi.

[1] http://grass.osgeo.org/wiki/Hydrological_Sciences

Carving● r.carve: Prende in input i fiumi digitalizzati e li utilizza per

“correggere” il DEM abbassando la quota nei punti in cui il reticolo di calcolo non coincide con quello naturale.

Input: DEM

Input: fiumi (vettoriale)

Output: DEM “corretto”

Carving● Opzione “no flat areas”:

Elimina le aree piane nella direzione del flusso.

● Opzione “points”: l'output generato e` in formato vettoriale. I punti possono essere utilizzati per reinterpolare il DEM per correggere gli errori.

● E` possibile indicare inoltre la larghezza e la profondita` del corso d'acqua.

Percorso di drenaggio● r.drain: Traccia il percorso del flusso attraverso il DEM utilizzando un

algoritmo di least-cost path (ovvero ricerca il percorso di “costo” inferiore). La mappa di input puo` essere una mappa dei costi cumulativi generata da r.cost. L'output e` un raster che mostra uno o piu` percorsi che minimizzano il costo. Di default l'output e` una mappa che riporta 1 lungo il percorso e null data altrove.

● In pratica cerca il percorso con i valori minimi a partire da un punto dato dall'utente (nell'esempio e` 19).

● La flag -c (copy) copia il valore del DEM nella mappa di output:

Percorso di drenaggio

● La flag -a (accumulate) pone la somma dei valori del DEM nella mappa di output:


● La flag -n (number) enumera il percorso delle celle nella mappa di output:


● NOTA: r.drain non trova TUTTI i valori piu` bassi del DEM, ma solo quelli collegati al punto di partenza indicato dall'utente.

● In pratica indica i “pits” che si incontrano lungo il percorso, non trova invece tutti i “buchi” del DEM.

● Per correggere i “buchi” del DEM si possono usare invece:

r.fill.dir, r.terraflow, e r.basins.fill.


Filling● r.fillnulls: Colma le aree in cui sono presenti dati

nulli (no data) interpolando i valori mancanti con un algoritmo RST (Regularized Splines with Tension).

● E` possibile controllare il risultato modificando i parametri smooth e tension, che vengono utilizzati nell'interpolazione.

Filling● r.fill.dir: Applica

un filtro e genera una mappa di elevazione priva di depressioni (sinks), e inoltre genera la mappa delle direzioni di drenaggio a partire dal DEM.

Linee di flusso● r.flow: Costruisce

le linee di flusso (flowlines), le lunghezze delle linee di flusso (flowpath lengths), e la densita` di drenaggio (upslope areas) a partire da un DEM.

Linee di flusso Linee di flusso

Lunghezza percorso

Densita` di drenaggio

Indice topografico

● r.topidx: Crea la mappa dell'indice topografico, [ln(a/tan(beta))] utilizzato in alcuni modelli idrologici.

Indice topografico

Modellazione dei deflussi● r.terraflow: Calcola il DEM filled (privo di

depressioni), la mappa delle direzioni di drenaggio, la densita` di drenaggio, l'indice topografico. Puo` utilizzare l'algoritmo D8 (single flow direction, SFD) o l'algoritmo MFD (multiple flow direction), che e` impostato di default.

Modellazione dei deflussi

Modellazione dei deflussi

Densita` di drenaggio MFD

Direzioni di drenaggio MFD

Deflussi profondi● r.gwflow : Modulo per il calcolo numerico del flusso

transiente in acquiferi confinati e non confinati, bidimensionale.

● r3.gwflow : Modulo per il calcolo numerico del flusso transiente in acquiferi confinati e non confinati, in 3D

Immagine tratta dal manuale online di GRASS

Modellazione idrologica● r.topmodel :

Modulo che consente di applicare il modello idrologico TOPMODEL (Beven, 1995), un modello idrologico distribuito fisicamente basato.

Erosione● r.sim.sediment: Simulazione del trasporto dei

sedimenti e dell'erosione/deposito;

● r.sim.water: Simulazione idrologica dell'overland flow.

Nella figura e` riportata una mappa della portata generata con il modulo r.sim.water, che simula l'overland flow utilizzando il path sampling method (SIMWE) con un rainfall excess rate di 50 mm/hr.

7.7

5.5

3.7

1.8

0.0

Analisi di bacino● r.basin.fill: Genera una mappa raster con

l'individuazione dei sottobacini.

● r.water.outlet: Delimita il bacino idrografico sotteso ad una determinata sezione di chiusura (vedi esercitazione).

● r.watershed: Analisi di bacino (vedi esercitazione).

● r.lake: “Allaga” un DEM a partire da un determinato punto. (vedi figura a lato).

Esercitazione

● L'obiettivo di questa esercitazione e` di estrarre il reticolo idrografico di una certa regione, e inoltre di voler delimitare il bacino idrografico sotteso alla sezione di chiusura di coordinate:

easting=643677.87 northing=222800.246

(Lambert Conformal Conic)

Analisi idrologica● r.watershed

permette di ricavare a partire dal DEM la mappa della direzione di drenaggio, la mappa di densita` drenaggio, la mappa raster del reticolo idrografico, data una certa SOGLIA.

● Possiamo scegliere di usare MFD o SFD. Di default e` impostato SFD (D8).

Input: elevation@PERMANENT

Analisi idrologica

Soglia

● La soglia e` il numero di celle della mappa della densita` di drenaggio, che discrimina fra versante e canale.

● In questo caso mettiamo 1000.

Analisi idrologica

r.watershed elevation=elevation@PERMANENT accumulation=accumuli drainage=drenaggio streams=fiumi threshold=1000

mailto:elevation%3Delevation@PERMANENT

Analisi idrologica


● In “Optional” spuntare “use positive flow accumulation even if likely underestimated”


Analisi idrologica


fiumi


Analisi idrologica

drenaggio

Analisi idrologica

accumuli

Trasformazione da raster a vettoriale

● Per trasformare un raster in vettoriale (linee) dobbiamo innanzitutto correggere il raster di partenza.

● Infatti gli elementi lineari presenti nel raster devono avere spessore di una sola cella, eventuali spessori diversi provocherebbero errori nella generazione del file vettoriale.

● Questa operazione si esegue con il comando r.thin.


fiumi

fiumi_thin

r.thin input=fiumi output=fiumi_thin


reticolo

fiumi_thinLa trasformazione da raster a vettoriale si esegue con il comando r.to.vect.

Feature: line

r.to.vect input=fiumi_thin output=reticolo feature=line

Visualizzazione del vettoriale

Dal Layer Manager scegliamo “Add Vector Layer” e scegliamo dal menu a tendina il file vettoriale appena creato (reticolo).


Possiamo confrontare il reticolo cosi` ottenuto con i fiumi digitalizzati.

Dal Layer Manager scegliamo “Add Vector Layer” e scegliamo dal menu a tendina il file vettoriale streams.

Aggiungiamo anche il file verroriale lakes, che rappresenta i laghi, con la stessa procedura.

Caricando le due mappe, assegnamo loro un colore differente dal nero per distinguerle, dal tab “colors” scegliamo il colore blu.


Layers: Lakes, streams

Confronto

Layers: Lakes, streams in blu e reticolo in nero.

Confronto

Layers: Lakes, streams in blu e reticolo in nero, elevation.

Delimitazione del bacino● Per delimitare il

bacino idrografico, utilizziamo il comando r.water.outlet, che apriamo come al solito dalla command console.

r.water.outlet drainage=drenaggio basin=bacino easting=643677.87 northing=222800.246

Delimitazione del bacino

● r.water.outlet prende in iput la mappa delle direzioni di drenaggio (che abbiamo chiamato drenaggio), il nome della mappa che vogliamo creare (bacino), e le coordinate easting=643677.87 northing=222800.246

r.water.outlet drainage=drenaggio basin=bacino easting=643677.87 northing=222800.246

Delimitazione del bacino

● Carichiamo il raster cosi` ottenuto:

bacino


● Usiamo il comando r.to.vect selezionando la feature “area”


● Usiamo l'opzione “smooth corners od area features”


● Il risultato finale e` la mappa vettoriale del bacino idrografico sotteso alla sezione di chiusura data.

Calcolare il perimetro del bacino

● Per calcolare il perimetro, aggiungiamo una colonna alla tabella associata al vettoriale.

● Per consultare la tabella, cliccare: Show attribute table.


● Per aggiungere una colonna alla tabella associata al vettoriale “bacino”, usiamo v.db.addcol.

● Indichiamo il nome della nuova colonna “perimetro” e il tipo di dato che conterra` “double precision”.


● Associamo la colonna al layer 1


● Controlliamo la tabella: la colonna “perimetro” e` stata aggiunta.

● Ora dobbiamo popolare la nuova colonna con i valori del perimetro.

Calcolare il perimetro del bacino● Per popolare la

colonna, usiamo v.to.db.

● Nel tab “Required” inseriamo il nome della mappa cui e` associata la tabella: “bacino”, e scegliamo il valore da aggiornare: “perimeter”.


● Nel tab “Optional” inseriamo l'unita` di misura “kilometers” e il nome della colonna da popolare: “perimetro”.


● Consultando nuovamente la tabella, notiamo che la colonna del perimetro e` stata aggiornata.

● Il perimetro del bacino risulta essere 54 km.

Misurare la distanza

● Per verificare che il valore ottenuto e` giusto, possiamo verificarne almeno l'ordine di grandezza misurandolo direttamente sulla mappa.

● Da “Analyze map” selezioniamo “Measure distance”.

● Per verificare che il valore ottenuto e` giusto, possiamo verificarne almeno l'ordine di grandezza misurandolo direttamente sulla mappa.

● Da “Analyze map” selezioniamo “Measure distance”.

Misurare la distanza

● Similmente al calcolo del perimetro, per il calcolo dell'area usiamo di nuovo v.db.addcol e poi v.to.db.

Calcolare la superficie

● v.db.addcol.

● Indichiamo il nome della nuova colonna “superficie” e il tipo di dato che conterra` “double precision”.

Calcolare la superficie● Visualizziamo la tabella associata al vettoriale e verifichiamo che il campo

“superficie” e` stato creato.

Calcolare la superficie● Per popolare la

colonna, usiamo v.to.db.

● Nel tab “Required” inseriamo il nome della mappa cui e` associata la tabella: “bacino”, e scegliamo il valore da aggiornare: “area”.


● Nel tab “Optional” inseriamo l'unita` di misura “kilometers” e il nome della colonna da popolare: “superficie”.


● Consultando nuovamente la tabella, notiamo che la colonna della superficie e` stata aggiornata.

● La superficie del bacino risulta essere 60 km2.

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