Modelul QGIS de geoprocesare pentru simplificarea primului nivel de analiză a microzonării seismice

Institutul de Geologie și de Geoinginerie a Mediului (IGAG) al Consiliului Național de Cercetare (CNR) este situat în Roma, în Zona de Cercetare „Roma 1”. Acesta a fost înființat în anul 2002 prin regruparea a cinci foste Institute și Centre de cercetare care au fost active pentru mai mult de 40 de ani în domeniul lor de expertiză. IGAG acoperă o gamă largă de subiecte științifice din domeniul Științelor Pământului, axându-se în principal pe studiul:

  • Geochimia mediului și refacerea solurilor și a apelor contaminate;

  • Depozitele de minerale și prelucrarea mineralelor, inclusiv tratarea apelor uzate;

  • Geoingineria și siguranța excavațiilor;

  • Evoluțiile geologice recente;

  • Reducerea riscurilor naturale;

  • Geoarheologia și arheometria.

  • Geologie Marină

  • Geomatică, analiză și dezvoltare GIS.

Nivelul 1 al studiului de microzonare seismică pentru zona Pietramontecorvino (Apulia, sudul Italiei, de-a lungul lanțului central-sudic al Apeninilor) este parte a unui proiect, în colaborare cu Autoritatea Bazinului Apulia (Puglia AdB) și Departamentul de Geologie și Geofizică (DGG) de la Universitatea din Bari, care vizează microzonarea seismică a 63 municipalități din zona Foggia. Activitatea a fost promovată de către Departamentul italian de protecție civilă (DPC) și finanțată de Comitetul Interministerial pentru Planificare Economica (CIPE n. 20/2004).

Instrumentul QGIS de geoprocesare pentru primul nivel al studiilor microzonării seismice

Microzonarea seismică a evaluat riscul seismic la scară locală, propunându-și să identifice suprafețele din teritoriu caracterizate printr-un comportament seismic omogen. Primul nivel de microzonare seismică are scopul de a defini proprietățile litologice și geometria unităților geologice care caracterizează aceste porțiuni ale teritoriului (microzone).

Observarea prejudiciului cauzat de un cutremur prezintă, de multe ori, variații la nivel local cauzate nu numai de structurile geologice, ci, de asemenea, de diferitele calități și tipuri de structuri construite, care au ca rezultat diferite pericole seismice.

Microzonarea seismică evaluează riscul seismic local, prin identificarea zonelor din teritoriu caracterizate prin comportament seismic omogen.

Liniile directoare și criteriile pentru microzonarea seismică 2008 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137) prezintă standarde pentru studiile de microzonare seismică de pe teritoriul italian; distingându-se trei niveluri de adâncime (crescând de la 1 la 3).

Primul nivel de microzonare seismică constă în crearea a trei hărți tematice:

  1. Harta oservațiilor care conține datele prelevate pentru studiile de microzonare seismică;

  2. Harta geo-litologică, obținută din hărțile geologice și geomorfologice detaliate, la scară, care integrează, datele litologice, stratigrafice și geotehnice aferente observațiilor;

  3. Hartade microzonare seismică, de nivelul 1 (produsul principal al nivelului 1 de microzonare), identificând microzone în trei categorii de pericole locale:

    • Zone stabile;

    • Zonele stabile predispuse la amplificare la nivelul solului;

    • Zone instabile.

Domeniul de aplicare al acestei lucrări este de a contribui la crearea unei metodologii de procesare a datelor topografice, geologice, geofizice și geo-tehnice care vizează schițarea hărții de microzonare seismică de nivelul 1, cu ajutorul instrumentelor open source.

Instrumentul de Modelare Grafică integrat în cea mai recentă versiune a QGIS (2.8.1 la momentul scrierii acestui articol) a fost folosit pentru crearea unui model de geoprocesare simplu. Acest instrument este util pentru automatizarea uneia din analizele efectuate de obicei pentru crearea hărților de microzonare seismică de nivel 1, în special pentru a reprezenta zonele instabile ca entități de tip poligon.

Modelul face uz de diferite aplicații și biblioteci cu sursă deschisă (GRASS, GDAL, QGIS), demonstrând utilitatea QGIS ca interfață simplificată și unificată pentru instrumentele eterogene GFOSS (Software Geospațial Gratuit și Cu Sursă Deschisă) (Fig. 1).

Geoprocessing model

(Fig. 1) Captură de ecran a modelului de geoprocesare.

Modelul folosește ca intrare (Fig. 2):

  • Un fișier shape al curbelor de nivel, care conține un câmp cu valorile elevației;

  • Numele câmpului care conține valorile elevației;

  • Rezoluția raster dorită în metri pentru DEM și Slope (implicit 10);

  • Un fișier shape de tip poligon din care vor fi extrase entitățile care se intersectează cu zonele cu pantă mai mare de 15 de grade;

  • Numele stratului poligonal rezultat.

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

(Fig. 2) Formularul de intrare al modelului (stânga) și jurnalul de execuție (dreapta).

Când se lansează, modelul efectuează următoarele operațiuni:

  • Instrumentul GRASS v.to.rast.attribute convertește curbele de nivel în raster, pornind de la fișierul shape al curbelor, numele câmpului z și rezoluția rasterului;

  • Instrumentul GRASS r.surf.contour generează modelul de elevație, primind ca date de intrare rezultatul temporar rasterizat din etapa anterioară și rezoluția rasterului;

  • Instrumentul GDAL “gdaldem” generează panta exprimată în grade, din modelul de elevație;

  • Instrumentul GRASS r.mapcalculator este utilizat pentru a genera un raster de 1 bit, identificând zonele cu pantă mai mare de 15 de grade (această valoare fiind codată în liniile directoare de microzonare, fiind astfel fixă), cu ajutorul expresiei:

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

unde A este rasterul temporar al pantei, generat de gdaldem;

  • Instrumentul GDAL “gdal_polygonize” convertește rasterul de 1 bit în poligoane;

  • Instrumentul QGIS “Intersection” este folosit pentru a suprapune zonele cu panta mai mare de 15 grade cu stratul de intersectare dorit.

Rezultatul constă într-un strat poligonal cu zone predispuse la instabilitate, datorită unei pante mai mari de 15 de grade extrasă automat dintr-o hartă tematică, cum ar fi un strat poligonal al terenurilor surpate (Fig. 3) sau o hartă litologică.

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

(Fig. 3) Modelul de ieșire (în roșu) arată zone extrem de instabile extrase dintr-un strat al alunecărilor de teren (portocaliu).

Concluzii

Acest lucru demonstrează clar că instrumente GIS cu sursă deschisă, cum ar fi QGIS, GRASS, GDAL/OGR, pot fi folosite cu succes în analiza spațială și în prelucrarea datelor în scopul studierii microzonării seismice de primul nivel. În acest exemplu, QGIS a fost folosit ca o interfață simplificată și unificată pentru diverse instrumente GFOSS de înaltă calitate; Modelatorul Grafic permite construirea intuitivă a modelelor de geoprocesare ce pot fi ușor partajate ca instrumente portabile și pe diferite platforme, care nu necesită licențe software costisitoare. Instrumentul folosește capabilitățile de modelare QGIS pentru a înlănțui grafic diverși algoritmi, definind parametrii de intrare și de ieșire și lăsând software-ului sarcina de a gestiona datele de ieșire intermediare. Utilizarea unor algoritmi GRASS nu presupune definirea și utilizarea unei baze și a unui set de hărți GRASS, simplificând mult designul modelului. Evoluțiile viitoare includ crearea unui pachet de instrumente și modele, bazate pe software-ul open source, care poate fi folosit pentru a simplifica și accelera activitățile de analiză spațială necesare pentru studiile de microzonare seismică.

Referințe

  • Baldassarre; Gallicchio, S.; Giannandrea, P. & Tropeano, M.: „Raport Final Geolitic referitor la nivelul 1 de micro-zonare seismică a municipalităților din provincia Foggia, Departamentul de Geologie și Geofizică, Universitatea din Bari, 2011”

  • Cavinato,G.P.; Cavuoto, G.; Coltella, M.; Cosentino, G.; Paolucci, E.; Peronace, E. & Simionato, M.: „Studiu de fezabilitate pentru monitorizarea și protejarea zonelor urbane cu risc de stabilitate statică și a vulnerabilității structurale a orașului și provincia Foggia - CIPE 20/2004, Consiliul Național de Cercetare - Institutul de Geologie de Mediu și Geoinginerie, 2013, 526”

  • Contribuție la actualizarea „Liniilor directoare și a criteriilor de micro-zonare seismică” 2008. Inginerie seismică, Editura Bologna, 2011 (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB28083)

  • Grupul de lucru MS, 2008. Direcții și criterii de micro-zonare seismică. Conferința Regiunilor și Provincii Autonome - Departamentul de Protecție Civilă, Roma, 3 vol. și DVD, Președinția și Consiliul de Miniștri, Departamentul de Protecție Civilă, 2008, 424. (http://www.protezionecivile.gov.it/jcms/it/view_pub.wp?contentId=PUB1137)

Autori

Acest articol a fost transmis în martie 2015 de Giuseppe Cosentino și Francesco Pennica (www.igag.cnr.it).

Giuseppe Cosentino

Giuseppe Cosentino

Giuseppe Cosentino <g.cosentino@igag.cnr.it> este un geolog și tehnolog specializat în Sisteme Informatice Geografice pentru gestionarea pericolelor geologice și de inginerie. În prezent lucrează în domeniul microzonării seismice și caracterizarea de mediu a terenurilor din siturile contaminate. Domenii de interes: pericole geologice și de mediu, cartografie, geologie structurală, foraje explorative.

Francesco Pennica

Francesco Pennica

Francesco Pennica folosește pentru dezvoltarea și gestionarea datelor GIS: GeoServer, MapServer, ArcGIS Server, servicii standard WebGIS bazate pe GeoNetwork OGC, limbajele Java, HTML, CSS, Javascript, Python și PHP, dezvoltare front-end WebGIS cu OpenLayers, ExtJS, analiză și scripting GeoExt, JQuery, GWT, Ext-GWT, Google Maps API SQL, gestiune geodatabase, PostgreSQL, PostGIS, analize și scriptare GIS (ArcGIS, GRASS, instrumente GFOSS), configurarea softurilor și management pentru desktop-uri și servere Linux sau Windows.