progetto inno ed esempi di applicazioni nel campo della geomatica - p.cau
DESCRIPTION
La presentazione del Progetto INNO a cura di Pierluigi Cau, in occasione dell'evento "Bonifiche ambientali e potenzialità delle imprese" che si è tenuto a Cagliari il 7 novembre 2014.TRANSCRIPT
P. Cau, S. Manca, D. Muroni, C. Soru, P. A. Marras, R. Demontis, L. Muscas & E. Lorrai
Center for Advanced Studies, Research and Development in Sardinia Email: [email protected]
CRS4 Sardegna Ricerche, 09010 Pula CA, Italy http://www.crs4.it
Progetto INNO ed esempi di
applicazioni nel campo della
GEOMATICA.
CRS4 Mission and the Grand Challenges in Environmental, ICT, and Imaging Sciences
• Development of physical and numerical models implemented on HPC platforms for high resolution simulations
• Software tools development for the analysis and management of environmental data, integration of information systems and numerical applications
The mission of the E &E program
• Il progetto INNO:
• Obiettivi
• I WP
• Esempi di applicazioni di GEOMATICA sviluppate al CRS4
• Oilspill e ocenografia (il caso dell’Asinara)
• Il caso di Portoscuso
• Il bilancio idrologico della regione Sardegna
Outline della presentazione
Obiettivi
• INNO intende sviluppare e promuovere una serie
prodotti altamente innovativi per lo sviluppo di
servizi orientati alla Geomatica sul WEB e al
mondo delle applicazioni “Mobile”
• La proposta è migliorare la scalabilità delle
applicazioni, la fruibilità del dato, il rendering dei
dati geografici e l’ottimizzare l’archiviazione di
dati a componente spaziale tramite soluzioni
sviluppate ad hoc
Il progetto INNO
Organizzazione del progetto
WP1 - Back-End - SDI in ambiente Cloud
WP2 - Front-End - Client AJAX e Mobile
WP3 - Sviluppo applicazione di test
WP4 - Animazione, comunicazione e trasferimento
WP0 - Gestione del progetto e processi di qualità
Il progetto INNO
Mapping: Stato dell'Arte
WMS e WFS WTMS
• Il Web Tile Map Service (TMS) è
uno Standard OGC recente,
ispirato alla tecnologia Google
Maps
• Supera i problemi di scalabilita`
utilizzando tasselli precalcolati
(rendering statico) e strutturati
• I dati visualizzati sono “statici”,
non hanno la dimensione
alfanumerica del GIS
• E` molto efficace per
rappresentare strati coreografici
• Il Web Map Service (WMS) è il
primo standard OGC per il GIS-
WEB
• Il rendering viene eseguito Server
side (rendering dinamico), quindi
soffre di problemi di scalabilita` al
crescere del numero di utenti
• Problemi nella gestione di dataset
di grosse dimensioni
• Il Web Feature Service (WFS)
supera alcuni limiti del WMS. I dati
sono “vettoriali” e possono essere
interrogati gli attributi alfanumerici.
Il progetto INNO
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INNO: Filosofia della Cloud
• Viene usata la mosaicatura e la piramide dei Tile secondo lo standard TMS
• Il tassello contiene dati vettoriali (geometrie) e alfanumerici in formato JSON
• I tasselli sono precalcolati e contengono una semplificazione delle
geometrie in funzione del livello di zoom che si rappresenta, in modo da
rendere l'esperienza dell'utente fluida e garantire una buona percezione dei
dettagli geometrici
• I tasselli sono archiviati nel back-end in un sistema Cloud no-SQL che
garantisce scalabilita` del servizio al crescere del numero di utenti
• Si rinuncia al livello relazionale SQL in cambio della filosofia chiave-valore
orientata agli oggetti
• I tasselli vengono renderizzati nel client, tipicamente con tecnologia
Canvas/HTML5
L'idea e` di realizzare una Cloud “ibrida”, che superi I limiti del
WMS/WFS e del WTMS
Il progetto INNO
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Il progetto INNO
WP1
Nel WP1 viene svolta la fase di progettazione e
definizione dell’ambiente Back-end.
La proposta è l’utilizzo di servizi e tecnologie per
l’archiviazione, la gestione e l’interrogazione di dati
Geografici con un approccio basato su motori No-SQL.
Il progetto INNO
Il progetto INNO
Il progetto INNO
Particolarità dei dati Sono gestiti strati informativi di tipo lineare, poligonale e puntuale L'inserimento implica un pre-trattamento dei dati che viene eseguito su postgresql-postgis I tasselli sono dati vettoriali molto leggeri I dati di test avranno caratteristiche limite cioè conterranno molti elementi con un numero elevato di vertici.
Il progetto INNO
Il progetto INNO
WP2
Il Front-End consiste in visualizzatori e librerie utili per lo
sviluppo di applicazioni.
Il modello proposto prevede che sia il client a effettuare il
rendering delle mappe, utilizzando tecnologia HTML5, JS, etc.
Le librerie saranno complete di API di sviluppo e
comprenderanno la gestione del protocollo di comunicazione
con il back-end.
Il progetto INNO
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INNO Client
• Permette di accedere ai dati dell'infrastruttura Cloud di INNO
• La libreria e` sviluppata con tecnologia HTML5 / Javascript + jQuery come plugin di LeafLet
• LeafLet e` leggero e funziona
molto bene sui dispositivi
mobili
• Compatibile con i web
browser HTML5
• rendering GIS client-side
Il progetto INNO
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WP2: INNO Client (2)
• Prime prove di performance e soglie di semplificazione delle geometrie
Il progetto INNO
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WP2: INNO Mobile Client
• Porting del client INNO su dispositivi mobili
• Utilizza le stesse tecnologie (Leaflet + jQuery + HTML5 / Javascript)
• Testato su Android > 4
Il progetto INNO
WP3 e WP4
Viene sviluppata una o più applicazioni di esempio che
dimostrino il funzionamento dei prodotti sviluppati.
L’infrastruttura e le tecnologie sono messe a disposizione
delle aziende.
Nel WP4 è prevista una attività di promozione e diffusione
dei risultati.
La valorizzazione punta sulla diffusione delle informazioni e
l’attivazione di canali di sostegno alle attività di sviluppo,
mantenimento e promozione degli strumenti sviluppati.
Il progetto INNO
Modeling Environmental Dynamics with GIS
Objectives
• Run scenarios on a multi model & multi scale framework
• Analyze pressures, states and impacts on the environment;
• Identify critical areas (e.g. affected by desertification);
• Improve model usability;
• Improve public consciousness.
Development and implementation of Hydro-metereological-ocean models and innovative WEB based ICT tools based on CLOUD/CLUSTER/GRID infrastructures to support adaptive strategies to face issues of water and soil resource vulnerability
Develop reporting services on demand, and in particular to expose catalogs of geodata; expose WMS, WFS, WaterML, GML, and SWE services; expose chart, table, map engine as service on demand to ease the report production mechanism .
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The conceptual infrastructure
DPSIR: a causal framework for describing the interactions between society and the environment:
Driving forces (e.g. industrial production)
Pressures (e.g. discharges of waste water)
States (e.g. water quality in rivers and lakes)
Impacts (e.g. water unsuitable for drinking)
Responses (e.g. watershed protection)
Environmental issues make necessary a strong integration of
expertise from different disciplines, made possible through the
development of virtual organizations of federated entities
Decision
makers Problem
definition
Possible
alternatives
Development &
Implementation
Performance
evaluation
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The general objective is to provide support to policy makers in the monitoring, management, mitigation and/or restoration actions related to marine water quality issues. In particular we are addressing the issue related to the risk of point pollution (e.g. from small/medium boats and rivers) on coastal marine areas using numerical models (General Estuarine Transport Model – GETM), satellite images and quality data.
Marine coastal area assessment
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Ocean hydrodinamics and Oilspill (The Asinara test case)
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
GETM simulates hydrodynamic
and thermodynamic processes in
natural waters, like currents, sea
level, temperature, salinity, and
vertical / turbulent mixing.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
1. General scheme
Meteorological forcing (GFS)
1st nest:
operational model
Sardinia Island
2 min (~3 km)
2nd nest Cagliari (~600 m)
2nd nest Asinara (~600 m)
2nd nest Orosei (~600 m)
2nd nest Oristano (~600 m)
2nd nest Carloforte (~600 m)
APPLICATIONS 1
AP
PL
ICA
TIO
NS
2
simulated
monitoring
network Legislation
support
MS BD
River
input
Climate
Forecast Climate Climate Forecast
Forecast
BIO Validation
Forecast
Oil
spills
Oil
spills
BIO
3. Application of the GETM to the Sardinian Sea
Results – Forecast maps of temperature, salinity and
currents – 6 days ahead
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
3. Application of the GETM to the Sardinian Sea
Results – Forecast maps of temperature, salinity and
currents – 6 days ahead
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Small scale implementation
Results – Forecast maps for 5 model domains of the
temperature, salinity and currents – 6 days ahead
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Small scale implementation
Results – Forecast maps for 5 model domains of the
temperature, salinity and currents – 6 days ahead
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Small scale implementation
Results – Forecast maps for 5 model domains of the
temperature, salinity and currents – 6 days ahead
The module is based on the moving of a set of Lagrangian passive tracers. In
each moment the coordinates are calculated using the old ones and the
displacement due to advection and diffusion processes. The initial coordinates
are randomly distributed in a circle around the place of the oil release:
The Oil Spill module
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The Oil Spill module
The results are presented in 3 different forms:
- Probability map of oil spill distribution
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Fiume Santo oil spill accident on 11 January 2011.
On 11 January 2011 during the works in the E.On terminal oil spill leakage has
occurred with about 18000 liters of oil. It is very probable that a consecutive
leakages occurred on 19 January 2011 at the industrial port with ~100 liters of
oil.
Images source: www.e-geos.it
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The Oil Spill module
Fiume Santo oil spill accident on 11 January 2011.
We tested the described above algorithm to study the oil spill distribution. The
case was used also to tune the parameter of diffusivity Ah, which characterizes
the diffusion processes.
After the oil leak event the oil was reported to reach various places on Sardinian
coast:
11 Jan 2011 Porto Tores
12 Jan 2011 Platamona
15 Jan 2011 Castelsardo
24 Jan 2011 Stintino Torre Saline
28 Jan 2011 Stintino La Pelosa 12 Jan 2011
15 Jan 2011 24 Jan 2011
28 Jan 2011
11 Jan 2011
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The Oil Spill module
Fiume Santo oil spill accident on 11 January 2011.
We tested the described above algorithm to study the oil spill distribution. The
case was used also to tune the parameter of diffusivity Ah, which characterizes
the diffusion processes.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Fiume Santo oil spill accident on 11 January 2011.
We tested the described above algorithm to study the oil spill distribution. The
case was used also to tune the parameter of diffusivity Ah, which characterizes
the diffusion processes.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Management of soil and water resources
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The objective is to develop methods and
tools, GIS based, to assess the impact of
waste on groundwater resources:
- detecting pollution sources
- planning monitoring networks
Waste production in Sardinia
(ton/year) Landfill Recycling
Municipal waste production 842639 54 % 42,5 %
Industrial waste production 1445090 78 % 16 %
Solid (524430 ton/year) 524430
Mud (911150 ton/year) 911150
Liquid (9510 ton/year) 9510
36%
63%
1%
Solid (524430 ton/year)
Mud (911150 ton/year)
Liquid (9510 ton/year)
The Portovesme site produces alone 75% of the total industrial waste of Sardinia. 22 % of the regional waste from the industrial compartment is classified as hazardous. This comes almost completely from the Portovesme site.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The area is on the list of the sites of national interest to undergo
remediation.
In 1990, the Italian Government
declared with a National
Directive the area to be
Under "high environmental
risk".
A remediation plan was
enacted, in 2003, by the national environmental authority.
We aim at setting up a modeling infrastructure to assess the
impact of industrial solid waste on soil and groundwater.
The Portovesme industrial site (Italy)
Because of improper management strategies, soil, groundwater and
air are being heavily contaminated.
Currently it is almost impossible to detect from which area the
groundwater is being polluted.
Large amounts of industrial
waste are stocked in the
area (from industrial activities
mainly operating for the
production of aluminum,
zinc, lead, cadmium, etc.).
In addition, a thermoelectric
factory produces electricity
from coal combustion.
The Portovesme site
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Computational Domain
The 3D groundwater finite-element code, CODESA 3D, and post-
processing applications aims at evaluating the impacts of leakage events
occurring from waste stocked in the area.
The CODESA 3D groundwater model is employed to account for spatial
and temporal variability in parameters and boundary conditions.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
A automatic procedure runs the model simulating that each element
of the computational domain is a possible source of pollution.
2200 simulations are run.
Simulated nodal concentrations are interpolated in the well
positions, compared to the real measured ones for each time step
and the cumulative error is calculated.
Such error evaluates the performance of each simulation in
reproducing the real contamination, is time dependent and varies on
the location where the waste is stoked (source pollution).
Such error is plotted on a GIS system to detect which elements are
the most likely sources of the observed contamination and estimates
the time of the leakage event.
The montecarlo procedure
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Montecarlo
(1 fonte)
N. Sim
2238
Total Simulation Time
123 hours
The most likely source after 1 month
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The DSS interpolates the simulated nodal concentrations generated by the groundwater application and visualizes them using MapServer and msCross from Datacrossing
The most likely contamination source
Optimal Water Resources Manager: from Field Data to the Contamination Source (an Inverse Problem)
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Assessment of the monitoring wells : The area of influence of the monitoring wells (light blue). Outside this area, within the same time period, contamination sources will not affect the water quality sampled in the wells. Monitored areas become larger with time
0 months,
1 month
2 months
6 months
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Management of Water resources
Objectives:
Develop a regional observation and assessment system based on SWAT for the management of water resources in Sardinia taking into consideration the present situation and climate change.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Set up of the System
Land Cover Soil type DEM
Land cover 2008 (RAS) DEM 10x10 m (RAS) Sardinia (ITALY) is a semiarid region located in the Mediterranean, with a total area of 24090 km2. Mild temperatures all year around, one hot/dry season, and one wet season with a dominant north-westerly wind, makes its climate typical Mediterranean.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Main watersheds: 108 (Area > 10 km2)
Subbasins: 1356
Main issue concerns: -delineation of flat areas with low slopes where often the automatic delineation fails to recognize the watershed or sub-watershed limits; -presence of many artificial channels that cross several hydraulic limits; -Often river’s path was modified from their natural course. Solution: -manual reshape of watershed and sub watershed limits; -use of a optimized river network to condition the automatic delineation.
Watershed delineation Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Simulation period 1922-2008
49 TMP gages
243 PCP gages (with missing
data)
27 stream flow monitoring
stations
- 23 for calibration
- 4 for validation
Climate date
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
The performance ranges from 0.46 to 0.88. NS mean 0.70
SISS STAZIONE RUN 22
9 LISCIA 0.60
146 COGHINAS A MUZZONE 0.72
160 BERCHIDDA 0.84
175 CONCABELLA 0.69
236 MANNU A PEDRA ALVAS 0.60
257 MANNU DI OZIERI FRAIGAS 0.75
317 RIO BUTTULE A BUTTULE 0.74
328 MANNU DI OZIERI PONTE LEGNA 0.72
381 TEMO DIGA 0.70
471 RIFORNITORE TIRSO 0.58
480 PONTE CEDRINO 0.71
601 TALORO A PASSERELLA GAVOI 0.59
703 ARAXISI A ORTO SCIAVICO 0.70
711 FLUMINEDDU (TIRSO) ALLAI 0.75
747 FODDEDDU A CORONGIU 0.57
755 FLUMENDOSA A GADONI 0.88
879 MOGORO A SANTA VITTORIA 0.76
889 FLUMINEDDU A STANALI 0.46
933 M. SCROCCA AGGREGATA 0.86
1050 SA PICCOCCA MONTE ACUTO 0.80
1070 MANNU DI S. SPERATE A MONASTIR 0.71
1113 CIXERRI A UTA 0.73
1175 MONTI PRANU 0.66
Average 0.70
Station ID: 1070. NS is 0.70 with a P-factor of 0.77 and a R-factor of 1.09 obtained after 300 iterations.
Station ID: 1070
Calibration - result Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
NS = 0.89
NS = 0.59
Validation
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Example of a web application
The monthly regional water balance, computed on the basis of the calibrated SWAT run showed: - average precipitation of 62.57 mm/month - water yield of 28.89 mm - evapotranspiration 30.1 mm - transmission (e.g. leaching through streambed)
and evaporation losses directly from the stream 3 mm.
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Black Sea Basin: agricultural drought We assess and quantify complex environmental dynamics through the use of sophisticated, reliable models exploiting huge dataset on distributed environments.
The Yellow/orange indicates
soil water deficit
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4
Gange river (India): Stream flow
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4