Modello di geoprocessing QGIS per semplificare l’analisi di microzonazione sismica di primo livello

L’Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria (IGAG) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) ha sede a Roma, nell’Area di Ricerca «Roma 1». E” stato fondato nel 2002 raggruppando cinque ex istituti e centri di ricerca attivi da oltre 40 anni nel loro campo di competenza. L’IGAG copre un’ampia gamma di argomenti scientifici nel campo delle scienze della Terra, con particolare attenzione allo studio di:

  • Geochimica ambientale e risanamento di terreni ed acque contaminati;

  • Depositi minerali e trattamento dei minerali, compreso il trattamento delle acque reflue;

  • Geoingegneria e sicurezza degli scavi in roccia;

  • Evoluzione geologica recente;

  • Mitigazione dei pericoli naturali;

  • Geoarcheologia e archeometria.

  • Geologia marina

  • Geomatica, analisi e sviluppo GIS.

Lo studio di microzonazione sismica di livello 1 dell’area di Pietramontecorvino (Puglia, Italia meridionale, situata lungo la catena dell’Appennino centro-meridionale) fa parte di un progetto, in collaborazione con l’Autorità di Bacino della Puglia (AdB Puglia) e il Dipartimento di Geologia e Geofisica (DGG) dell’Università di Bari, finalizzato alla microzonazione sismica di 63 Comuni dell’area di Foggia. L’attività è stata promossa dal Dipartimento della Protezione Civile (DPC) e finanziata dal Comitato Interministeriale per la Programmazione Economica (CIPE n. 20/2004).

Strumento di geoprocessing QGIS per studi di microzonazione sismica di primo livello

La microzonazione sismica valuta la pericolosità sismica in scala locale proponendo di individuare aree di territorio caratterizzate da un comportamento sismico omogeneo. Il primo livello di microzonizzazione sismica ha lo scopo di definire le proprietà litologiche e la geometria delle unità geologiche che caratterizzano queste porzioni di territorio (microzone).

L’osservazione dei danni causati da un terremoto mostra spesso variazioni in scala locale causate non solo da strutture geologiche, ma anche da strutture edilizie di diversa qualità e tipologia, con conseguenti diversi rischi sismici.

La microzonazione sismica valuta la pericolosità sismica locale, attraverso l’individuazione di aree di territorio caratterizzate da un comportamento sismico omogeneo.

Gli indirizzi e criteri per la microzonazione sismica 2008 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137) forniscono gli standard per gli studi di microzonazione sismica sul territorio italiano; distinguono tre livelli di profondità crescente (da 1 a 3).

La microzonazione sismica di primo livello consiste nella creazione di tre mappe tematiche:

  1. Mappa dei rilievi contenente i rilievi per gli studi di microzonazione sismica;

  2. Carta geolitologica, ottenuta da carte geologiche e geomorfologiche in scala dettagliata che integrano i dati litologici, stratigrafici e geotecnici esistenti relativi ai rilievi;

  3. Mappa di microzonazione sismica di livello 1 (il prodotto principale della microzonazione di livello 1), che identifica le microzone in tre categorie di pericoli locali:

    • Zone stabili;

    • Zone stabili inclini all’amplificazione al suolo;

    • Zone instabili.

Lo scopo di questo lavoro è quello di contribuire alla creazione di una metodologia di elaborazione di dati topografici, geologici, geofisici e geotecnici finalizzati alla stesura di carte di microzonazione sismica di livello 1, attraverso l’utilizzo di strumenti open source.

Lo strumento Modellatore Grafico integrato nell’ultima versione di QGIS (2.8.1 al momento in cui scriviamo) è stato utilizzato per la creazione di un semplice modello di geoprocessing. Questo strumento è utile per automatizzare una delle analisi comunemente eseguite per la creazione di mappe di microzonazione sismica di livello 1, in particolare per identificare le zone instabili come caratteristiche dei poligoni.

Il modello si avvale di diversi software open source e librerie (GRASS, GDAL, QGIS), dimostrando l’utilità di QGIS come interfaccia semplificata e unificata per strumenti GFOSS (Geospatial Free e Open Source Software) eterogenei (Fig. 1).

Geoprocessing model

(Fig. 1) Schermata del modello di geoprocessing.

Il modello prende come input (Fig. 2):

  • Uno shapefile di curve di livello contenente un campo con valori di elevazione;

  • Il nome del campo contenente i valori di altitudine;

  • La risoluzione del raster desiderata in metri per DEM e Pendenza (predefinito 10);

  • Verrà estratto uno shapefile di poligoni dal quale verranno estratte le aree di intersezione con pendenza superiore a 15 gradi;

  • Il nome del vettore poligonale risultante.

Model input form (left) and execution log (right)

(Fig. 2) Modulo di immissione del modello (a sinistra) e registro di esecuzione (a destra).

Quando viene lanciato, il modello esegue le seguenti operazioni:

  • Lo strumento GRASS v.to.rast.attribute converte le curve di livello in raster, prendendo come input lo shapefile del contorno, il nome del campo z e la risoluzione del raster;

  • Lo strumento GRASS r.surf.contour genera il modello di elevazione prendendo come input l’output temporaneo rasterizzato del passo precedente e la risoluzione del raster;

  • Lo strumento GDAL «gdaldem» genera la pendenza espressa in gradi dal modello di elevazione;

  • Lo strumento GRASS r.mapcalculator è utilizzato per generare un raster a 1 bit che identifica le aree con pendenza superiore a 15 gradi (questo valore è codificato nelle linee guida di microzonazione, e quindi è fisso), utilizzando l’espressione:

if(A>15,1,null())

dove A è il raster temporaneo delle pendenze generato da gdaldem;

  • Lo strumento GDAL «gdal_poligonize» converte il raster a 1 bit in poligoni;

  • Lo strumento QGIS «Intersezione» viene utilizzato per sovrapporre le aree con pendenza superiore a 15 gradi con il vettore di intersezione scelto.

Il risultato è un vettore poligonale con aree soggette ad instabilità a causa di un valore di pendenza superiore a 15 gradi, automaticamente estratto da una mappa tematica come ad esempio un vettore poligonale di frane (Fig. 3) o una mappa litologica.

The model output (in red) shows highly unstable areas extracted from a landslides layer (orange)

(Fig. 3) L’output del modello (in rosso) mostra aree altamente instabili estratte da un vettore di frane (arancione).

Conclusioni

Questo lavoro dimostra chiaramente che strumenti GIS open source come QGIS, GRASS, GDAL/OGR, possono essere utilizzati con successo per l’analisi spaziale e l’elaborazione dei dati per studi di microzonazione sismica di primo livello. In questo lavoro di esempio, QGIS è stato utilizzato come interfaccia semplificata e unificata per diversi strumenti GFOSS di alta qualità; il Graphical Modeler permette di costruire intuitivamente modelli di geoprocessing che possono essere facilmente condivisi come strumenti portatili e multipiattaforma che non richiedono costose licenze software. Lo strumento sfrutta le capacità di modellazione di QGIS per collegare graficamente algoritmi diversi, definendo i parametri di input e output e lasciando al software il compito di gestire l’output dei dati intermedi. L’utilizzo degli algoritmi di GRASS non richiede la definizione e l’utilizzo di un database e di un set di mappe GRASS, semplificando notevolmente la progettazione del modello. Sviluppi futuri includono la creazione di un pacchetto di strumenti e modelli, basati su software open source, che possono essere utilizzati per semplificare e velocizzare le attività di analisi spaziale necessarie per gli studi di microzonazione sismica.

Riferimenti

  • G. Baldassarre; Gallicchio, S.; Giannandrea, P. & Tropeano, M.: «Relazione Finale Geolitologica per la microzonazione sismica di livello 1dei Comuni della Provincia di Foggia Dipartimento di Geologia e Geofisica dell’Università di Bari, 2011»

  • Cavinato,G.P.; Cavuoto, G.; Coltella, M.; Cosentino, G.; Paolucci, E.; Peronace, E. & Simionato, M.: «Studio di fattibilità per il monitoraggio e la messa in sicurezza delle aree urbane a rischio di stabilità statica e vulnerabilità strutturale del Comune e della Provincia di Foggia - CIPE 20/2004 Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria, 2013, 526»

  • Contributi per l’aggiornamento degli «Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica » 2008. Ingegneria sismica, Pàtron Editore Bologna, 2011 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB28083)

  • Gruppo di lavoro MS, 2008. Indirizzi e criteri per la microzonazione sismica. Conferenza delle Regioni e delle Province autonome - Dipartimento della protezione civile, Roma, 3 vol. e Dvd, Presidenza del Consiglio dei Ministri, Dipartimento di Protezione Civile, 2008, 424. (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137)

Autori

Questo articolo è stato realizzato nel marzo 2015 da Giuseppe Cosentino e Francesco Pennica (www.igag.cnr.it).

Giuseppe Cosentino

Giuseppe Cosentino

Giuseppe Cosentino <g.cosentino@igag.cnr.it> è geologo e tecnico specializzato in Sistemi Informativi Geografici per la gestione dei rischi geologici e ingegneristici. Attualmente opera nel campo della microzonazione sismica e della caratterizzazione ambientale dei terreni in siti contaminati. Aree di interesse: rischi geologici e ambientali, cartografia, geologia strutturale, perforazioni esplorative.

Francesco Pennica

Francesco Pennica

Francesco Pennica fornisce lo sviluppo di software GIS e WebGIS e la gestione dei dati: GeoServer, MapServer, ArcGIS Server, servizi webgis basati su standard OGC GeoNetwork, Java, HTML, CSS, Javascript, Python, linguaggi e framework PHP, sviluppo front-end di WebGIS con OpenLayers, ExtJS, GeoExt, JQuery, GWT, Ext-GWT, Google Maps API SQL, gestione di geodatabase, PostgreSQL, PostGIS, software GIS di analisi e scripting (strumenti ArcGIS, GRASS, GFOSS), configurazione e gestione di software in server e desktop basati su Linux e Windows.