Creazione di un database ed elaborazione geostatistica dei dati

Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
CREAZIONE DI UN DATABASE ED
ELABORAZIONE GEOSTATISTICA DEI
DATI
Gestione dei dati ambientali mediante strumenti GIS
ed applicazione di tecniche geostatistiche per
l’elaborazione dei dati
Maria Elena Piccione & Nicoletta Gazzea
ISPRA
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
1
Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
Indice
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Strumenti e tecniche di analisi di dati ambientali
Acquisizione dati e problematiche
Implementazione dati: creazione geodatabase
Rappresentazione ed analisi dei dati ambientali
Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di sedimento
contaminato
Conclusioni
Bibliografia
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
2
Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
1 Strumenti e tecniche di analisi di dati ambientali
Insieme delle apparecchiature HARDWARE e
SOFTWARE, delle APPLICAZIONI e delle PERSONE che
hanno il compito di:
ACQUISIRE
ORGANIZZARE
GESTIRE
ELEBORARE
RESTITUIRE
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
DATI AMBIENTALI
GEOREFERENZIATI
3
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2 Acquisizione dati e problematiche
2.1 Tipologie di dati
Dati raster: CTR, carte nautiche, cartografia IGM, ortofoto, rilievi da
satellite, grid …
Dati vettoriali: perimetrazioni, planimetrie (shapefile, features, CAD,
.e00)
Dati alfanumerici (database, tabelle, file di testo…)
Dati acquisiti durante i sopralluoghi (dati GPS, fotografie…)
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
4
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2 Acquisizione dati e problematiche
2.2 Criticità dei dati
Georeferenziazione
Sistema di riferimento (Datum,
proiezione, coordinate)
Unità di misura delle variabili
rappresentate
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5
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3 Implementazione dati: creazione geodatabase
Creazione geodatabase per inserire i dati acquisiti (banca dati
geografici che costituisce lo scheletro del GIS)
Organizzazione features in dataset
Definizione di metadata descrittivi del file (contenuto, sistema
riferimento, origine, storia, modifiche..)
Visualizzazione dati in progetti e creazione di mappe a supporto delle
attività di progettazione e bonifica
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
6
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4 Rappresentazione ed analisi dei dati ambientali
4.1
Creazione di un
geodatabase e di
un progetto GIS
per la
progettazione
di un Piano di
Caratterizzazione
Ambientale
Proprietà dell’I.I.M.
Tutti i diritti sono riservati
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
7
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4 Rappresentazione ed analisi dei dati ambientali
4.2
Implementazione
e visualizzazione
dei risultati della
caratterizzazione
Rappresentazione delle stazioni di
campionamento in coordinate reali
Implementazione dei risultati della
caratterizzazione nel geodatabase
Creazione di mappe tematiche puntuali
rappresentative delle concentrazioni dei
singoli analiti
Possibilità di interrogare le tabelle con i
dati analitici ed eseguire query per
estrarre le informazioni
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
8
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4 Rappresentazione ed analisi dei dati ambientali
4.2
Implementazione
e visualizzazione
dei risultati della
caratterizzazione
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
9
Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
4 Rappresentazione ed analisi dei dati ambientali
4.2 Implementazione e
visualizzazione dei risultati
della caratterizzazione
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
10
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.1 Elaborazioni dati
Esigenze
GEOSTATISTICA
(Isatis sviluppato dalla Geovariances)
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
11
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.2 Geostatistica
5.2.1 Origini e applicazioni
• Origini: è una disciplina della statistica spaziale, nata in ambito
minerario e sviluppata negli anni sessanta da George Matheron
• Applicazioni: è largamente diffusa in molti settori scientifici (scienze
geologiche e minerarie; idrologia; idrogeologia; scienza dei suoli;
agronomia; geotecnica; geofisica; telerilevamento; climatologia;
meteorologia;
oceanografia;
scienze
forestali;
zoologia;
epidemiologia; igiene ambientale)
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
12
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.2 Geostatistica
5.2.2 Concetto base
“Punti vicini sono più simili tra loro rispetto a quelli più lontani”
misura questa correlazione tra i campioni per assegnare i pesi
necessari per determinare la stima della variabile
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
13
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di sedimento contaminato
5.2 Geostatistica
5.2.3 Variogramma
Rappresenta:
• le variazioni che occorrono ad una
distanza minore di quella di
campionamento
• gli errori di misura
• misura la variabilità che intercorre tra i
campioni oltre il valore del range
• coincide normalmente con la varianza
campionaria
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
Semivariogramma
Indica fino a che distanza
due campioni si possono
considerare spazialmente
correlati tra loro
Strumento per misurare
la variabilità spaziale
Range
Sill
Nugget
Distanza
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
•
Block Kriging: stima delle concentrazioni dei parametri chimici
•
Block Cokriging: stima delle frazioni granulometriche
•
Kriging con disuguaglianze: stima dello spessore di substrato
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15
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.1 Block Kriging
Soddisfa le proprietà del Kriging:
ü Stimatore non distorto
ü Stimatore esatto
ü Minimizzazione della varianza di errore
ü Utilizzo delle informazioni derivate dall’analisi del
variogramma
ü Informazioni sull’errore commesso nella stima
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16
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.1 Block Kriging
Calcola il valore medio del blocco e non del suo baricentro
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
17
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.1 Block Kriging
Stima delle concentrazioni dei parametri chimici
Ø Calcolo del variogramma sperimentale della variabile di studio
41170
16500
41165
16000
41160
15500
41155
15000
41150
14500
41145
517000 518000 519000 520000 521000
X (m)
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
0
Distance (m)
100200
1000
700
800
900
600
100
200300
300400
400500
500
600
700
800
900
1000
15
1.5
15
1.5
10
1.0
10
1.0
5
0.5
5
0.5
0
0
0.0
0.0
0 100
100200
200300
300400
400500
500
600
700
800
900
1000
1000
700
800
900
600
Distance (m)
min
Variogram
Variogram :: Prof
Prof min
17000
Y (m)
Y (m)
X (m)
517000 518000 519000 520000 521000
Variogram
Variogram :: Prof
Prof min
min
Ø Individuazione del modello di variogramma
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.1 Block Kriging
Ø Nel caso di anisotropia nella continuità spaziale della variabile si
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
70
0.7
41
60
70
60
82
50
50
40
40
30
20
20
10
10
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Distance (m)
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
0.6
0.7
0
Distance (m)
0
100
200
300
400
500
600
700
70
70
60
3516
3868
463
3553
50
60
50
1655
40
40
30
1
30
20
20
10
10
0
0
100
200
300
400
500
Distance (m)
600
700
0
Variogram : Arsenico_mg_kg_ss
199
30
0
0.0
Variogram : Arsenico_mg_kg_ss
Distance (m)
0.0
Variogram : Arsenico_mg_kg_ss
Variogram : Arsenico_mg_kg_ss
costruiscono n variogrammi sperimentali direzionali lungo le
direzioni di continuità spaziale
19
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
Scatterplot valore stimato vs
valore reale
5.3.1 Block Kriging
Concentrazione reale
Ø Verifica della correttezza
del modello di variogramma
selezionato mediante la
cross-validation
Istogramma della stima della
deviazione standard
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
Scatterplot valore stimato vs stima della
deviazione standard
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.1 Block Kriging
Ø Stima della concentrazione
media all’interno delle celle
tridimensionali della griglia (3D)
di elaborazione
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
21
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.2 Block CoKriging
• Metodo multivariato che fornisce una stima di una o più variabili con
una combinazione lineare che sfrutta, oltre alla correlazione spaziale
di ogni singola variabile, la mutua dipendenza tra le variabili
• La dipendenza tra le diverse variabili è misurata e modellizzata
mediante il variogramma incrociato
• Il Cokriging può essere isotropico o eterotropico
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
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Distance (m)
200
300
400
500
600
700
700
N0
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
0
0
Variogram : GranMin0_063mm_perc
100
100
200
300
400
500
600
700
0
Stima della frazione granulometrica
Distance (m)
Distance (m)
0
500
100
200
300
400
500
600
700
500
400
400
300
300
200
200
Variogram : GranMin2mmMagg0_063
0
700
Variogram : GranMin0_063mm_perc
Variogram : GranMin0_063mm_perc
5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.2 Block CoKriging
Distance (m)
0
500
100
200
300
400
500
600
700
500
N0
400
400
100
100
0
0
-100
-200
-200
-300
-300
-400
-400
N0
-500
0
100
200
300
400
500
600
-500
700
300
300
200
200
100
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
0
Variogram : GranMin2mmMagg0_063
-100
Variogram : GranMin0_063mm_perc
Ø Calcolo dei variogrammi e variogrammi incrociati sperimentali
delle frazioni granulometriche
200
300
400
500
600
700
200
100
100
0
100
200
300
400
500
600
700
100
100
N0
-100
-100
N0
-200
0
-200
100
200
300
400
500
600
700
Distance (m)
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
0
-100
0
0
-100
100
200
300
400
500
Distance (m)
600
700
Variogram : GranMin2mmMagg0_063
0
Variogram : GranMin0_063mm_perc
Ø Verifica mediante la cross-validation
0
Variogram : GranMaggiore2mm_per
100
Variogram : GranMin2mmMagg0_063
0
200
Distance (m)
Distance (m)
0
100
Distance (m)
200
300
400
500
600
700
90
90
80
80
70
70
N0
60
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
0
0
10
100
200
300
400
500
Distance (m)
600
700
0
Variogram : GranMaggiore2mm_per
Variogram : GranMin0_063mm_perc
Ø Individuazione del modello di variogramma
Distance (m)
Distance (m)
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.2 Block CoKriging
Ø Stima mediante Block Cokriging
delle frazioni granulometriche
medie all’interno delle celle
tridimensionali della griglia di
elaborazione
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.3 Kriging con disuguaglianza
Esempio applicativo: stima dello spessore del substrato
Soft data:
imprecisioni di
misura o
intervalli di valori
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
Hard data:
valori puntuali
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.3 Kriging con disuguaglianza
L'idea di base consiste nel sostituire la serie di dati imprecisi con
una serie di dati simulati pseudohard in funzione di:
• Hard data
• Modello di variogramma degli hard data
• Disuguaglianza fornita dai soft data
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
26
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5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.3 Tecniche geostatistiche utilizzate nella
caratterizzazione dei siti contaminati
5.3.3 Kriging con disuguaglianza
Ø Stima dello spessore di substrato
campionabile mediante Block Kriging
utilizzando gli hard ed i pseudohard
data
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Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.4 Applicazioni
Calcolo dei volumi di sedimento contaminato
Ø Stima della concentrazione dei contaminanti
Ø Confronto con i limiti di riferimento
Ø Calcolo dei superamenti totali
Ø Calcolo dei volumi di sedimento contaminato per i diversi strati
di elaborazione in funzione dei superamenti totali
Limitazione del volume di stima relativamente alla stima dello
spessore dello strato di sedimenti recenti
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
5 Elaborazioni dati e Calcolo dei volumi di
sedimento contaminato
5.4 Applicazioni
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
6 Conclusioni
L’impiego di strumenti GIS e di elaborazione geostatistica
garantisce un valido supporto per la rappresentazione ed analisi
delle variabili ambientali, nonché un efficace strumento
progettuale e decisionale nel contesto degli interventi di
caratterizzazione e gestione dei sedimenti contaminati
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
30
Siti contaminati: Caratterizzazione, Bonifica e Analisi di Rischio
Bibliografia
• Arctur D.K., Zeiler M., 2004, Designing Geodatabases: Case Studies in GIS Data Modeling. ESRI Press.
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• Bonham-Carter G.F., 1994, Geographic information systems for geoscientists, modelling with GIS. Ontario,
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• Burrough P.A. and McDonnell R.A., 1998, Principles of geographical information systems. University Press,
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• Chilès J-P., Delfiner P.,1999, Geostatistics: Modeling Spatial Uncertainty, Wiley, New York
• Esri, 2005, Building Geodatabases with CASE Tools: 72 pp
• Langlais V., 1991, Estimation sous contraintes d'inégalités, Sciences de la Terre, no. 30: 211-224
• Matheron G.,1971, The theory of regionalized variables and its applications, Paris School of Mines publication,
Paris.
• Wackernagel H., 2003, Multivariate Geostatistics: An Introduction with Applications, Springer, Berlin.
• Zeiler M., 1999, Modelling Our World. The ESRI Guide to Geodatabase Design. ESRI Press. Redlands,
California USA, 199 pp.
Maria Elena Piccione, Nicoletta Gazzea
31