Alta valle del Tevere: elaborazioni personali

Ricostruzione tramite GIS della superficie piezometrica della falda alluvionale nell’Alta valle del Tevere

3. Dati utilizzati

Per lo svolgimento di questo lavoro c’è stata la necessità di reperire dati storici sul livello della falda acquifera presente nei terreni alluvionali; si è quindi cercata la presenza di eventuali studi fatti in passato su questa zona e si sono contattate le amministrazioni pubbliche in cerca di eventuali dati. Si sono quindi trovate tre serie storiche di dati riguardanti i livelli della falda misurati su pozzo: una relativa all’estate (GiugnoLuglio) 1975, una relativa agli anni ’90 e ’91 e una relativa agli anni dal ’98 al 2001. I dati del 1975 sono stati ricavati da una carta 1:25000 dell’Idrotecnico e della Regione dell’Umbria (carta di posizione dei punti d’acqua rilevati e geologia) riguardante: “Ricerca operativa sulle acque sotterranee (studio della valle Tiberina, zona di Città di Castello)”. I dati del ’90’ 91 sono stati estratti dal “Progetto di ricerca finalizzato alla valutazione degli effetti nell’Alta Valle del Tevere conseguenti all’esercizio dell’invaso di Montedoglio” svolto da:

• Regione Toscana
• Regione Umbria
• ESAU
• C.M. Valtiberina Toscana
• Provincia di Arezzo
• Provincia di Siena
• ETSAF
• Ente Irriguo Aretino
• IRRES
• Ist. Ingegneria Ambientale dell’Università degli Studi di Perugia
• Geomath

I dati dal 1998 al 2001 sono stati invece forniti dall’istituto ARPA Umbria (Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale). Oltre ai dati sulle piezometrie l’ARPA ha anche fornito un DEM a 20 m della regione interessata e i dati delle stazioni meteorologiche di Città di Castello e San Sepolcro. La zona d’interesse è compresa entro le sezioni della CTR (1:10000) indicante con il numero: 289030, 289060, 289070, 289110, 289120.

3.1 Attendibilità dei dati

Per quanto riguarda l’attendibilità dei dati, c’è da dire che il dataset (19901991) proviene da uno studio approfondito della zona, quindi tutte le misurazioni sono state svolte da un equipe specializzata che ha censito i pozzi in questione. Tali misurazioni possono quindi essere considerate pienamente attendibili dal punto di vista dell’altezza piezometrica. Ciò che invece è soggetto ad errore è il posizionamento dei pozzi (di cui non si conoscevano le coordinate precise), in quanto sono stati georiferiti tramite scansione di una delle mappe allegate al lavoro, e successiva procedura di “image to image”[Meteler e Mitasova, 2003]. Tramite la mappa (Figura 3.1) non è stato possibile effettuare una semplice riproiezione di coordinate perché non si è riusciti a risalire al sistema di riferimento originale della carta.

Il procedimento di “image to image” ha però indotto un errore di approssimazione, inevitabile in questi casi. Un ulteriore errore è stato commesso nel posizionamento dei pozzi in quanto sulla carta scansionata, i pozzi erano rappresentati da simboli circolari di dimensioni elevate (aventi quindi bassa precisione grafica) come si vede chiaramente dalla Figura 3.1. Quanto detto sopra sul metodo di georeferenziazione della carta e relativo posizionamento dei pozzi, vale anche per il dataset del 1975, il quale come il precedente è stato ricavato tramite procedimento di “image to image”. L’ultima serie di dati (19982001) può considerarsi attendibile sia sotto il profilo delle altezze che del posizionamento, si tratta infatti di misure effettuate su pozzi monitorati dall’ARPA Umbria. Questi dati sono stati forniti nel sistema di riferimento GaussBoaga, lo stesso delle CTR.

4. Gestione dei dati

I dati di cui si disponeva sono stati trattati attraverso l’uso di 2 software open source (Licenza GPL) quali GRASS e R. Il sistema operativo utilizzato è GNU/Linux, distribuzione Mandriva 2006. GNU/Linux è il prodotto di appassionati indipendenti nato per pura sfida intellettuale, ma diventato ormai una valida alternativa ai sistemi proprietari. Questo ha generato due importanti conseguenze:

• un primo risultato ottenuto è la sorprendente collaborazione di migliaia di programmatori sparsi in tutto il Mondo (per questo viene considerato come il più grosso progetto collaborativo della storia dell’uomo) finalizzata allo sviluppo del sistema:
• il secondo aspetto è la “libertà d’uso” del prodotto: GNU/Linux è un software libero che permette agli utenti di avere a disposizione un sistema operativo completamente funzionante e privo di vincoli su utilizzo, distribuzione e studio.

La libertà del programma mette al centro l’utente garantendogli la possibilità di visionare e modificare i codici sorgenti, la possibilità di usare il software per qualsiasi scopo, la possibilità di ridistribuirlo nel formato originario o da lui modificato. Il sistema GNU/Linux è da considerare trasparente e completamente configurabile, al contrario dei sistemi operativi proprietari, i quali, a volte, dietro una patina di apparente semplicità, nascondono malfunzionamenti e limitazioni incomprensibili. Questa filosofia permette lo scambio di informazioni tra gli utenti e i programmatori e ha come risultato un prodotto che risulta avere prestazioni migliori in alcuni ambiti rispetto agli attuali concorrenti proprietari.

Non esiste un’unica versione di GNU/Linux, ma esistono diverse distribuzioni solitamente create da comunità di sviluppatori o società, che preparano e scelgono i pacchetti da includere. Tutte le distribuzioni condividono il kernel di Linux, mentre si differenziano tra loro per il cosiddetto “parco software”, cioè i pacchetti preparati e/o selezionati dagli sviluppatori per la distribuzione stessa, per il sistema di gestione del software e per i servizi di assistenza/manutenzione offerti. Un software libero è un software rilasciato con una licenza che permette a chiunque di utilizzarlo, studiarlo, modificarlo e redistribuirlo; per le sue caratteristiche, si contrappone al software proprietario.

Buona parte del software libero viene distribuito con la licenza GNU GPL (GNU General Public License), scritta da Stallman e Eben Moglen per garantire legalmente a tutti gli utenti le quattro libertà fondamentali. Dal punto di vista dello sviluppo software, la licenza GPL viene considerata una delle più restrittive, poiché impone che necessariamente ogni prodotto software derivato, ovvero, che modifica o usa codice sotto GPL, venga a sua volta distribuito con la stessa licenza. Il software libero non deve essere confuso con il software freeware, che è distribuibile gratuitamente ma che non è né software libero né open source, e con il software di pubblico dominio, che non è soggetto a nessuna licenza d’uso e quindi può essere chiuso (o aperto) da chiunque sotto qualsiasi licenza.

4.1 Gis e il software Grass

GRASS (Geographic Resources Analysis Support System) è un Sistema Informativo Geografico (GIS) utilizzato per la gestione, elaborazione, modellamento spaziale e visualizzazione di dati geografici bie tridimensionali. GRASS è un software libero (Open Source Free Software) che può essere acquisito, modificato e ridistribuito nei termini del GNU GPL(General Public License). GRASS nasce all’inizio degli anni ’80 come progetto dell’esercito degli Stati Uniti (US Army Corp of Engineering Research Laboratory USACerl). Lo sviluppo avviene in particolare utilizzando il linguaggio C e UNIX come sistema operativo di riferimento. Nel 1996 l’esercito degli Stati Uniti prende la decisione di abbandonare lo sviluppo di GRASS. Gli utenti sono invitati a migrare verso sistemi commerciali, mentre l’ultima versione di GRASS (4.1) rimane nel pubblico dominio. Alla fine del 1997, dopo oltre un anno, riesce a formarsi un nuovo team internazionale che si fa carico di continuare lo sviluppo. L’aggiunta di nuovi moduli e porzioni di codice al software di pubblico dominio pone però il problema del diritto d’autore. Nell’ottobre 1999 dopo un ampia discussione il GRASS Development Team (GDT) decide di rilasciare GRASS (5.0b) con la licenza GNU GPL.

I software liberi, proprio per la loro peculiarità, permettono una elevata interoperabilità ed integrazione gli uni con gli altri. Questo è un notevole vantaggio in quanto si lascia svolgere ad ogni software il lavoro per cui è stato progettato, delegando ad altri software gli altri tipi di elaborazioni. In particolare GRASS svolge tutta la parte di analisi territoriale ma si avvale di altri software per più specifiche elaborazioni. Infatti possono essere utilizzati:

• R per gli aspetti statistici e di geostatistica
• proj per le proiezioni cartografiche
• Qgis per la visualizzazione di raster e vettoriali
• PostgreSQL per la gestione del database

Secondo la definizione di Burrough (1986) il GIS è composto da una serie di strumenti software per acquisire, memorizzare, estrarre, trasformare e visualizzare dati spaziali dal mondo reale. Si tratta di un sistema informatico in grado di produrre, gestire e analizzare dati spaziali associando a ciascun elemento geografico una o più descrizioni alfanumeriche. Il GIS può essere visto come una forma di DBMS (DataBase Management System, Sistema di Gestione di basi di dati) geografico. Per la rappresentazione dei dati in un sistema informatico occorre formalizzare un modello rappresentativo flessibile che si adatti ai fenomeni reali. Nel GIS abbiamo tre tipologie di informazioni:

• Informazioni Geometriche: relative alla rappresentazione cartografica degli oggetti rappresentati; quali la forma (punto, linea poligono), la dimensione e la posizione geografica;
• Topologiche: riferite alle relazioni reciproche tra gli oggetti (connessione, adiacenza, inclusione ecc…);
• Informative: riguardanti i dati (numerici, testuali ecc…) associati ad ogni oggetto (Il GIS prevede la gestione di queste informazioni in un database relazionale).

L’aspetto che caratterizza il GIS è quello geometrico: esso memorizza la posizione del dato impiegando un sistema di riferimento che definisce la posizione geografica dell’oggetto. Il GIS gestisce contemporaneamente i dati provenienti da diversi sistemi di riferimento (es. UTM/ED50 o Gauss Boaga/Roma40, latitudinelongitudine) A differenza delle mappe su carta, la scala, in un GIS, è un parametro di qualità del dato e non di visualizzazione. Il valore della scala, esprime le cifre significative delle coordinate, di ciascuna entità geometrica, che possono essere considerate valide. Il mondo reale può essere rappresentato in un Sistema Informativo Geografico attraverso due tipologie principali di dato: il dato vettoriale e il dato raster. I dati vettoriali sono costituiti da elementi semplici quali punti, linee e poligoni, codificati e memorizzati sulla base delle loro coordinate. Un punto viene individuato in un Sistema Informativo Geografico, attraverso le sue coordinate reali (x1, y1); una linea o un poligono attraverso la posizione dei sui nodi (x1, y1; x2, y2; …). A ciascun elemento è associato un record del database informativo che contiene tutti gli attributi dell’oggetto rappresentato.

Il dato raster permette di rappresentare il mondo reale attraverso una matrice di celle, generalmente di forma quadrata o rettangolare, dette pixel. A ciascun pixel sono associate le informazioni relative a ciò che esso rappresenta sul territorio. La dimensione del pixel (detta anche pixel size), generalmente espressa nell’unità di misura della carta (metri, chilometri etc.), è strettamente relazionata alla precisione del dato.

I dati vettoriali e i dati raster si adattano ad usi diversi. La cartografia vettoriale è particolarmente adatta alla rappresentazione di dati che variano in modo discreto (ad esempio l’ubicazione dei pozzi o la rappresentazione della rete idrografica o di una carta geologica), la cartografia raster è più adatta invece alla rappresentazione di dati con variabilità continua (ad esempio un modello digitale di elevazione, DEM, o una carta di acclività del versante).

Il GIS consente di mettere in relazione tra di loro dati diversi, sulla base del loro comune riferimento geografico, in modo da creare nuove informazioni a partire dai dati esistenti. Il GIS offre ampie possibilità di interazione con l’utente e un insieme di strumenti che ne facilitano la personalizzazione e l’adattamento alle problematiche specifiche dell’utente.

I GIS presentano normalmente delle funzionalità di analisi spaziale ovvero di trasformazione ed elaborazione degli elementi geografici e degli attributi. Esempi di queste elaborazioni sono:

• L’overlay topologico: in cui si effettua una sovrapposizione tra gli elementi dei due temi per creare un nuovo tematismo (ad esempio per sovrappore il tema dei confini di un parco con i confini dei comuni per determinare le superfici di competenza di ogni amministrazione o la percentuale di area comunale protetta);
• Le query spaziali, ovvero delle interrogazioni di basi di dati a partire da criteri spaziali (vicinanza, inclusione, sovrapposizione etc.)
• Il buffering: da un tema puntuale, lineare o poligonale definire un poligono di rispetto ad una distanza fissa o variabile in funzione degli attributi dell’elemento
• La segmentazione: algoritmi di solito applicati su temi lineari per determinare un punto ad una determinata lunghezza dall’inizio del tema;
• La Network Analysis: algoritmi che da una rete di elementi lineari (es. rete stradale) determinano i percorsi minimi tra due punti.

4.2 La statistica e R

R è un ambiente di sviluppo specifico per l’analisi statistica dei dati che utilizza un linguaggio di programmazione derivato e in larga parte compatibile con S. Venne scritto inizialmente da Robert Gentleman e Ross Ihaka.

È un software libero in quanto viene distribuito con la licenza GNU GPL, ed è disponibile per diversi sistemi operativi (ad esempio Unix, GNU/Linux, Microsoft Windows). Il suo linguaggio orientato agli oggetti deriva direttamente dal pacchetto S distribuito con una licenza non open source e sviluppato da John Chambers e altri presso i Bell Laboratories. Dalla metà del 1997 vi è oltre ai due sviluppatori iniziali anche un gruppo di programmatori (comprendenti pure John Chambers) con diritti di scrittura sul progetto.

La sua popolarità è dovuta anche alla ampia disponibilità di moduli distribuiti con la licenza GPL e organizzati in un apposito sito detto CRAN (http://cran.rproject.org/) (CRAN = Comprehensive R Archive Network, in analogia al CTAN e CPAN). Tramite questi moduli è possibile estendere molto le capacità del programma. Per dare un’idea si consideri, che oltre alle molte funzioni statistiche aggiuntive, esistono moduli che permettono la comunicazione con database (sia con driver specifici che tramite connessioni ODBC) o con sistemi GIS come ad esempio GRASS.

Le librerie di R utilizzate per questo lavoro sono state:

• gstat, libreria di geostatistica
• spgrass6, libreria che permette di comunicare con Grass

Uno dei vantaggi del software libero è quello dell’interoperabilità fra programmi, cioè la possibilità di scambiarsi dati vicendevolmente, al fine di sfruttare tutte le potenzialità offerte dai software. Si è potuto in questo modo studiare i dati di Grass importandoli in R con l’uso di spgrass6 per poi analizzarli attraverso la geostatistica tramite gstat. Infine si sono create le mappe cercate e reimportate in Grass.

Gstat è un software open source (GPL) per la geostatistica multivariata. Inizialmente gstat era un software a se stante che però mancava di una propria veste grafica, per cui doveva appoggiarsi al software GNUPLOT. In seguito è stato eseguito il porting di gstat su R , in modo da sfruttare le enormi potenzialità di calcolo e capacità grafiche di R.