WiLife project

Il progetto WiLife (Tecnologie WireLess e ICT per un efFiciente e integrato sistema per la prevenzione e gestione delle situazioni di crisi e delle Emergenze), finanziato dalla Regione Toscana nell’ambito del programma POR CReO FESR 2007-2013 (Linea 1.5° - 1.6; bando R&D 2012), coordinato da Selex ES S.p.A., ha avuto l’obiettivo di proporre e sviluppare strumenti innovativi per la gestione delle emergenze, capaci di coniugare efficacemente le nuove richieste operative con gli sviluppi tecnologi del settore ICT. Le moderne metodologie di gestione delle emergenze rendono indispensabili informazioni di contesto specifiche, tipicamente multimediali, per poter meglio organizzare, coordinare e attuare le operazioni di intervento e soccorso. Per poter rispondere efficacemente a queste esigenze, occorre che le reti professionali di nuova generazione si evolvano acquisendo la caratterizzazione tipica di reti broadband pervasive, sicure ed affidabili. È in questo contesto che si colloca il progetto WiLIFE il cui scopo, oltre a quello di proporre una rete per comunicazioni professionali di nuova concezione, è anche quello di permettere un’integrazione funzionale con reti di sensori specifiche (classiche e WSN) per il monitoraggio e controllo del territorio e l’uso di strumenti di Social Network al fine di scambiare informazioni con i cittadini in forma pervasiva ed ubiqua.

La Ricerca e lo Sviluppo di un modello di risoluzione dei problemi da parte di una comunità, applicato nel contesto degli scenari di emergenza, rappresentano il fattore innovativo che permette di fare evolvere i classici sistemi di supporto alle decisioni basati su reti di sensori e operatori sul territorio verso sistemi intelligenti che integrano tecnologie e che sono in grado contestualmente di analizzare ed interpretare la percezione sul territorio degli Operatori, e dei Cittadini. Il social network rappresentano lo strumento innovativo per affrontare situazioni di emergenza in cui i cittadini agiscono da veri e propri “sensori” in grado di inviare segnalazioni, foto e video. Nei contesti di crisi i social network più utilizzati sono Facebook e Twitter. Quando avviene una calamità naturale le informazioni provenienti dalle reti di sensori, dagli operatori di pubblica sicurezza (TETRA) e dagli utenti di Twitter vengono correlate e mostrate su pannelli di controllo con l’ausilio di mappe geografiche fornendo dei report che, gli operatori presenti in sala crisi, utilizzano per organizzare le operazioni di soccorso.

Con circa 2000 eventi alluvionali registrati tra il 2002 e il 2014, la perdita di 293 vite umane e ingenti danni alle popolazioni, alle produzioni e alle infrastrutture, il rischio idrogeologico rappresenta una delle emergenze più gravi per il nostro Paese. In Italia, infatti, 1.260.000 edifici sono considerati esposti a rischio idrogeologico, dei quali 6.251 sono edifici scolastici e 547 ospedali; in pratica la metà della popolazione vive in aree a rischio medio o alto (http://www.anbi.it/). Tra le diverse regioni, il territorio regionale toscano è tra i più esposti e la sua messa in sicurezza, oltre che il controllo delle condizioni di rischio e il monitoraggio ambientale, deve essere considerata un impegno programmatico imprescindibile di ogni governo. Nel “Piano 2014 per la riduzione del rischio idrogeologico”, l’ANBI stima in 1.2 miliardi di euro la cifra necessaria per l’adeguamento delle opere di bonifica in Toscana.

Per tale motivo, nell’ambito del progetto WiLIFE, si è scelto di dare priorità a questo tipo di problematiche, studiando un sistema di raccolta integrazione ed elaborazione di dati meteo-idrologici provenienti da reti miste (pubbliche e private), in grado di elaborare le informazioni ambientali richieste per la valutazione in tempo reale del livello di rischio idrogeologico.

In questo articolo vengono presentate alcune delle procedure adottate per l’integrazione dei dati ambientali e implementate all’interno del sistema denominato EDMS (Environmental Data Management System), per permettere una verifica della funzionalità e dell’efficienza del dimostratore WiLIFE (Battista et al., 2014 b). Lo scenario operativo scelto è quello corrispondente a un evento meteo-idrologico eccezionale, verificatosi nel 2011 con tempi di ritorno (Tr=24 h) maggiori di 100 anni (AA.VV., 2011), nel bacino dell’Alto Magra, uno dei bacini maggiormente esposti della Regione Toscana. Nel caso di eventi localizzati e intensi come quello in esame, il tempo che intercorre tra l’inizio della pioggia e il manifestarsi della piena del corso d’acqua può essere molto breve. In questo contesto, perciò, le attività di previsione e prevenzione acquisiscono un’importanza strategica, purché basate su dati e strumenti affidabili. Lo studio, quindi, si è posto come obiettivo la messa a punto di una metodologia che consentisse di utilizzare in maniera efficiente i dati disponibili e permettesse, al tempo stesso, di supportare valutazioni tecnico-scientifiche a carattere preliminare sulle dinamiche in atto in bacini ad orografia complessa e sulle reali esigenze di monitoraggio.

Il sistema EDMS  si compone di diversi moduli software che operano sotto il sistema operativo Windows (Battista et al., 2014 b). Tra i più importanti vi sono quelli messi a punto per la preparazione dei piani informativi e la restituzione cartografica, implementati in ambiente ArcGIS Arcview, e quelli per l’analisi geostatistica e modellistica, implementati in ambiente MATLAB. Le procedure seguite, per il momento, rimangono manuali per le componenti realizzate in ambiente ArcGIS, mentre sono state automatizzate per i moduli implementati in MatLab. Trattandosi di un sistema prototipale e dimostrativo, per quanto possibile, le diverse componenti sono state integrate mantenendo il linguaggio software nativo.

La procedura di analisi usa alcuni dei moduli standard, per la creazione di piani informativi di base, e funzioni specifiche, per la riproduzione dell’evento meteo-idrologico.

Al fine di facilitare la comprensione delle uscite e permettere una verifica della funzionalità e dell’efficienza del dimostratore WiLIFE, di seguito sono descritte sinteticamente alcune delle procedure utilizzate per la loro realizzazione.

Modulo DTM

A partire dal modello digitale del terreno della Regione Toscana (http://www502.regione. toscana.it/geoscopio/cartoteca.html), prodotto dalla DG Governo del Territorio - Sistema Informativo Territoriale Ambientale (risoluzione di 10x10 m; licenza CC BY 3.0 IT), tagliato sulla base delle mappe della cartografia tecnica regionale (CTR - 1: 10.000), si è provveduto all’estrazione della curvatura del DTM (derivata seconda), mettendo in evidenza errori e disallineamenti che sarebbero stati d’ostacolo all'applicazione di qualsiasi modello idrologico. Per l’ulteriore affinamento sono state utilizzate immagini LIDAR 2010-2012 (1x1 m di risoluzione), disponibili sulla piattaforma "Geoscopio" (licenza DGGT-SITA, CC BY 4.0). Questo ha consentito di realizzare un nuovo DEM corretto (10 x10 m), validato per lo studio dei flussi idrologici, sul quale è stata applicata la funzione FilterDem (Tarboton et al., 1991), al fine di verificare la continuità di flusso. Il modulo DTM (Fig. a) permette quindi di ottenere un modello digitale del terreno idrologicamente corretto (Fig. b), e fornisce una serie di strumenti per la caratterizzazione geomorfologica dell’area di studio. I singoli output possono essere utilizzati per produrre cartografia o come input per altri moduli del sistema o modelli esterni ad esso.

L’analisi morfometrica del modello digitale del terreno consiste nell’estrazione delle principali informazioni fisiche e morfologiche implicite nel modello, assunto come la migliore rappresentazione possibile della realtà dell’area d’interesse. Gli attributi topografici che si possono estrarre sono:

• Pendenza: corrisponde alla variazione massima di quota tra una cella valutare e le otto celle vicine; rappresenta la derivata prima della superficie definita dal DEM.
• Esposizione: corrisponde alla direzione della normale alla superficie, ritenuta da alcuni autori (Gómez-Plaza et 2001), più rappresentativa del contenuto idrico dei suoli, data la sua alta correlazione con l’insolazione massima del versante. L’esposizione è espressa in gradi (0-360°, da Nord in senso orario).
• Curvature (Planform curvature, Profile curvature, tangential curvature): rappresenta la derivata seconda della superficie definita dal DEM. La curvatura di una superfice rispetto ad un punto è la curvatura di una linea formata dall’intersezione della superficie con un piano passante per il punto, con uno specifico orientamento (Olaya V., 2009). Il valore della curvatura è il reciproco del raggio di curvatura e viene espresso in radianti. È calcolata sia per il piano orizzontale che passa per una specifica cella (Planform curvature), sia per la superficie nella direzione di massima pendenza (Profile curvature), al fine di ottenere indicazioni sulla velocità del deflusso dell’acqua.
• Indici di eterogenità topografica (Roughnees, Topographic Ruggedness Index, Surface roughness factor): indici statistici applicati su finestre di 3x3 celle, usati per analisi di prossimità sugli elementi del Modello Digitale del Terreno. Questi indici sono utili per comprendere le caratteristiche morfologiche dell’area di studio e valutarne la discontinuità: Roughnees, differenza massima in quota tra una cella e le 8 celle vicine (Hobson, 1972); Topographic Ruggedness Index, differenza tra le celle adiacenti di un DEM, corrispondente alla deviazione standard all’interno di una finestra di 3x3 celle (Riley, 1999).

Modulo Stream

Estrazione del reticolo di drenaggio

Il modulo consente la ripartizione dell’acqua ruscellata nelle celle sottostanti sulla base di criteri di pendenza e orientamento, indicando anche la direzione assunta in ciascun punto. Il modulo consente inoltre di definire il reticolo idrografico e il profilo delle aste fluviali, oltre all’estrazione delle aree inondabili. Le componenti analitiche più importanti sono:

Direzione del flusso: determina la direzione prevalente del flusso dell'acqua e dei sedimenti trasportati sulla superficie del terreno. Per tenere in considerazione il flusso laterale, la quantità d’acqua totale è suddivisa in percentuale tra le cellule riceventi sulla base dei relativi gradienti (Quinn et al, 1991; Arge et al., 2001; Coultard et al, 2002).

Accumulazione del flusso - calcola il numero di cellule che riversano la propria acqua su un dato punto, producendo una stima della zona di drenaggio e della conseguente quantità di acqua presente in ciascuna cella a seguito di un evento piovoso.

Estrazione del reticolo idrografico - l'estrazione della rete di drenaggio è ottenuta applicando soglie di “revercing surface”, dove ciascun arco dello “shapefile” rappresenta una porzione della rete dei canali, collegato ad un record di attributi contenente anche la classe degli elementi secondo il metodo Horton-Strahler (AA. VV, 2006).

Stream power - consente il calcolo della potenza cinetica di ciascuna porzione della rete di deflusso, in relazione alla pendenza e alle caratteristiche del canale:

Dove U=velocità del materiale solido; A=area del bacino che drena nella cella; dz/dx=pendenza; k e m = coefficienti.

Topographic Wetness Index (TWI) - definisce la tendenza dell’acqua a concentrarsi in aree a bassa pendenza, prossime alla rete idrologica, fornendo indicazioni sui rischi di inondazione (Beven and Kirkby 1979; Western et al., 2004):

dove

tan(θ) = tangente all’angolo della pendenza

m²/m Area del bacino di ciascuna cella per metro lineare
b = dimensione della cella (risoluzione)

area soprastante ad ogni cella

Floodplain - identifica le aree potenzialmente inondabili, utilizzando il modulo r.hazard.flood (Manfreda et al., 2011; Di Leo et al., 2011) di GIS-GRASS. Questo metodo differisce dall'indice TWI precedente visto, soltanto per l’applicazione di un esponente n, funzione della dimensione della cella, all’area A:

Con n = 0.016 (cellsize ^0.46)   

Le celle con un valore dell’indice MTI superiore ad una soglia predefinita sono identificate come inondabili Attualmente la soglia è determinata mediante la seguente equazione:

mti_th=10.89 * n + 2.282

Modulo Watershed 

Il modulo, parzialmente automatizzato, permette di definire, in base alla rete idrografica e alle linee di flusso, i punti di chiusura (outlet o pour point) e i limiti dei sottobacini principali utili per le successive analisi del runoff superficiale . I bacini estratti vengono successivamente filtrati per dimensione tramite gli strumenti di editing di ArcGIS al fine di ottenere la mappa dei sottobacini definitivi e lo shape degli outlet relativi 

Modulo Meteo 

Il modulo Meteo, sulla base dei dati delle stazioni attive sul territorio, effettua l’interpolazione dei dati orari, utilizzando le informazioni relative alla posizione dei pluviometri e alle caratteristiche geomorfologiche estratte dal DEM, al fine di determinare le matrici di pioggia del bacino in esame, con una risoluzione 10 x 10 m.

I dati grezzi raccolti sono sottoposti a un’analisi di validazione. La procedura di validazione è strutturata in livelli che indicano il diverso grado di confidenza nei dati: 

• Congruenza temporale e interna: Individuazione di valori fuori soglia o incongruenti
• Controllo formale: Individuazione di valori definiti “impossibili” e mancanti.

Ai valori identificati come anomali viene assegnato un flag e sono considerati come dati mancanti. I dati mancanti sono quindi stimati utilizzando una tecnica di spazializzazione, basata su una superfice interpolante 3D costruita a partire dai dati ritenuti validi delle stazioni meteorologiche presenti sul territorio. La superfice interpolante è costruita utilizzando la funzione “scatteredInterpolant” che usa il metodo della triangolazione di Delaunay (George et al., 1998) su un piano tridimensionale.

Caso di studio: Ricostruzione dell’evento meteo-idrologico del 25 ottobre 2011

Per la valutazione dell’affidabilità delle procedure implementante nel sistema EDMS, sono stati utilizzati i dati reali raccolti in occasione del drammatico evento registrato nel bacino del fiume Magra nell’ottobre del 2011, che ha causato la morte di 12 persone e provocato ingenti danni in molti comuni del comprensorio. Per la ricostruzione dell’andamento meteo-idrologico sono stati utilizzati i dati orari della rete Dati Agrometeo-Climatici (dati ex ARSIA) e della rete del Servizio Idrografico della Regione Toscana (22 stazioni meteorologiche e 6 stazioni idrologiche), in modo da poter ricostruire in maniera più realistica le condizioni al suolo esistenti nelle ore critiche.

In considerazione della morfologia del bacino del Magra, la spazializzazione dei dati pluviometrici è stata effettuata, applicando una spline regolarizzata con tensione (Mitasova et al., 1993), che ha consentito di ottenere buone stime delle precipitazioni a terra durante tutta la durata dell’evento. La scala spaziale utilizzata per i piani informativi e per le simulazioni è stata quella del DEM corretto (10x10 m), ottenuto nel modulo DTM a partire dal modello digitale del terreno della Regione Toscana. La calibrazione e valutazione dei modelli idrologici è stata fatta, in via preliminare, confrontando le uscite di alcune simulazioni degli eventi più significativi del 2011, con i dati di livello e portata misurati dalle stazioni idrologiche.