Informazioni sul funzionamento di Morfologia Geomorphon

La comprensione delle diverse caratteristiche del terreno è essenziale per un'ampia varietà di applicazioni, dagli studi idrologici alle valutazioni dell'esposizione alle frane. Una di tali applicazioni è la classificazione nel terreno in morfologie. Una morfologia è la forma naturale del terreno, ad esempio valli o vette.

Tra le varie tecniche di classificazione del terreno, il metodo Geomorphon (Jasiewicz e Stepiski 2013) identifica le morfologie in base ai dati del terreno usando differenze di elevazione e concetti di visibilità. Lo strumento Geomorphon Landforms applica questi concetti per trovare un modello distinto che rappresenta un'area del terreno.

Il metodo Geomorphon consente di identificare un totale di 498 modelli univoci. Alcuni geomorfi descrivono morfologie non osservate nell'ambiente naturale, mentre altri descrivono lo stesso tipo di morfologia. Di conseguenza, esiste un tipo di corrispondenza da molti a uno tra geomorfi e tipi di morfologia. Una volta identificato, il geomorfo può essere abbinato a una morfologia tramite una tabella di ricerca.

Logica dello strumento Geomorphon Landforms

Lo strumento Geomorphon Landforms usa il metodo Geomorphon per classificare il terreno in morfologie.

Per ogni cella del raster di input, lo strumento esegue le operazioni seguenti:

1. Impostare l'area di analisi. L'area di analisi viene determinata utilizzando i parametri Distanza di ricerca e Distanza di salto.
2. Ottenere il modello di geomorfo tramite modello ternario locale. Per trovare il modello ternario locale per ciascuna delle 8 direzioni cardinali, estendere un campo visivo e classificarlo in base agli angoli nadir e zenit.
3. Trasformare il modello ternario locale in un numero in base 3 che registra il modello univoco o geomorfo. Archiviare il valore per la cella di destinazione.
4. Abbinare il modello di geomorfo a una delle 10 morfologie più comini tramite una tabella di ricerca.

Questi passaggi vengono spiegati più dettagliatamente nelle sezioni seguenti.

Impostare l'area di analisi per calcolare il modello di geomorfo

L'area di analisi per lo strumento è l'area del terreno usata per calcolare il modello di geomorfo in una cella di destinazione. Definisce le celle vicine usate dallo strumento per stabilire il modello di geomorfo.

L'area di analisi è determinata dai parametri Distanza di ricerca e Distanza di salto. Il parametro Distanza di ricerca determina l'estensione dell'area coperta. Il parametro Distanza di salto identifica l'area circostante immediata della cella di destinazione che sarà esclusa dalla classificazione. La figura seguente mostra un esempio di area di analisi definita da una distanza di ricerca di 3 celle e da una distanza di salto di 1 cella. Le celle incluse per l'elaborazione sono determinate confrontando la distanza tra il centro di ogni cella e la cella di destinazione con il valore della distanza di ricerca. Se il valore della distanza di ricerca è maggiore, la cella sarà inclusa per l'elaborazione.

Figura 1. L'area di analisi è definita dalle distanze di ricerca e salto dalla cella di destinazione. a) La cella di destinazione è identificata. b) Le distanze di ricerca e salto sono misurate dalla cella di destinazione. c) L'area di analisi risultante.

La specifica di valori di distanza di ricerca maggiori può generalizzare il terreno circostante. Valori più piccoli catturano maggiori dettagli nel risultato. L'aumento del valore della distanza di salto è utile per ridurre il rumore derivante dalle celle vicine che potrebbero rappresentare valori di elevazione errati o non fornire informazioni aggiuntive in termini di differenza di elevazione.

Questi due parametri possono anche contribuire a identificare le feature del terreno a seconda della loro dimensione. A tale scopo, regolare questi parametri sui valori che rappresentano l'obiettivo della classificazione. Di seguito sono fornite alcune linee guida generali per l'impostazione di questi parametri:

• Usare da 50 a 100 volte la dimensione cella di input come valore del parametro Distanza di ricerca per identificare feature del terreno vaste o larghe, ad esempio fiumi. L'identificazione di feature del terreno vaste o larghe consente anche di identificare quelle piccole nel processo, ma a seconda del valore del parametro Distanza di salto potrebbero non essere identificate. Ci conseguenza, si consiglia di variare un parametro alla volta per trovare il valore ottimale per ciascuno.
• Usare da 5 a 15 volte la dimensione cella di input per identificare feature del terreno strette o piccole, ad esempio piccoli flussi d'acqua.
• Usare valori più piccoli per identificare feature del terreno molto piccole, ad esempio profili di rilievo.

Ottenere il modello di geomorfo

Una volta impostata l'area di analisi, occorre calcolare il modello di geomorfo in base al modello ternario locale.

Stabilire il modello ternario locale utilizzando gli angoli Zenit e Nadir.

Innanzitutto, il modello ternario locale è equivalente all'assegnazione di un valore 0, 1 o –1 a ciascuna delle 8 direzioni cardinali. Il valore che sarà assegnato a una determinata direzione è determinato dalla differenza gli angoli zenit e nadir.

L'angolo zenit, Z, l'angolo formato tra la direzione zenit (direttamente soprastante) e il campo visivo esteso sul confine dell'area di analisi lungo la direzione da analizzare. La linea rappresenta tutto ciò che è visibile dalla cella di destinazione.

L'angolo nadir, N, è definito in maniera simile. Corrisponde all'angolo formato tra una direzione nadir (direttamente sottostante) e un ipotetico campo visivo, di nuovo seguendo l'elevazione più bassa entro l'area fino al confine dell'area di analisi.

La Figura 2 mostra il profilo di elevazione del terreno analizzato in una sola direzione (ad esempio Nord) e ciascuno degli angoli definiti usando il rispettivo campo visivo.

Figura 2. Profilo di elevazione in una delle direzioni cardinali a partire dalla cella di destinazione. Il campo visivo e l'estensione dell'ipotetica campo visivo dalla cella di destinazione fino al confine dell'area di analisi. Queste linee insieme alle direzioni Zenit e Nadir sono usate per definire gli angoli utilizzati nei passaggi successivi dell'algoritmo.

Una volta determinato uno dei due angoli, la soglia dell'angolo del terreno Piano viene utilizzata per stabilire il valore del modello ternario locale da assegnare alla direzione in analisi. L'espressione matematica è la seguente:

laddove,

• A_D è il valore assegnato alla direzione in analisi.
• Δ_D è la differenza tra gli angoli nadir e zenit, Z e N.
• t è il valore della soglia dell'angolo del terreno piano.

La soglia dell'angolo del terreno piano è un valore in gradi che consente di impostare un limite sul terreno che sarà classificato come piano. Seguendo l'esempio mostrato in Figura 2, specificando una soglia di angolo del terreno piano di 1 (t = 1 grado) si determina l'assegnazione di un valore 1 alla direzione sotto analisi. Questo perché 90° - 45° = 45° > 1°.

Lo stesso processo viene ripetuto in senso orario in ogni direzione cardinale.

Costruzione del modello di geomorfo per la cella di destinazione

Una volta assegnato un valore a ciascuna delle 8 direzioni, il risultato viene concatenato in una 8-tupla (8 elementi) che viene memorizzata nella cella di destinazione. Un esempio di 8-tupla è (0, -1, 0, 1, 0, 0, 1, 1). Per facilità di memorizzazione, la tupla viene trasformata in numero ternario (base 3). Questo risultato è il modello di geomorfo.

Il numero totale di possibili modelli di geomorfo è 6561 (3⁸). Molti di questi sono il risultato della rotazione o del riflesso di altri modelli e il numero totale può essere ridotto a 498.

Abbinare il modello di geomorfo al tipo di morfologia

Lo strumento utilizza la tabella di ricerca per abbinare un modello di geomorfo a un tipo di morfologia specifica, seguendo gli argomenti presentati in Jasiewicz and Stepinski (2013). La tabella abbina il modello di geomorfo a una delle 10 morfologie più comuni.

Figura 3. I 10 tipi di morfologia più comuni.

Più modelli di geomorfo diversi possono essere abbinati a una specifica morfologia se esiste una piccola variazione nella loro definizione. La variazione accettabile è un presupposto necessario per creare la tabella di ricerca.

Figura 4. Tabella di ricerca che abbina un modello di geomorfo a uno dei 10 tipi di morfologia più comuni. Ogni asse mostra il numero totale di valori (1) o (-1) presenti nel modello.

Solo i tipi di morfologia Vetta e Fossa vengono abbinati a un modello di morfologia univoco. Per il tipo di morfologia Vetta (-1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1), essenzialmente tutte le celle che circondano la cella di destinazione sono celle inferiori. Analogamente, per il tipo di morfologia Fossa (1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1), essenzialmente tutte le celle che circondano la cella di destinazione sono superiori.

Risultati finali del raster di morfologia e geomorfi

Il passo finale è la memorizzazione del risultato dell'abbinamento nel valore del parametro Raster morfologia di output. Il modello di geomorfo è un output facoltativo che può essere usato per ulteriore analisi o diagnosi.

Riferimenti

Jasiewicz, Juroslav and Tomasz F. Stepinski. 2013. "Geomorphons - a pattern recognition approach to classification and mapping of landforms." Geomorphology Volume 182, 15 gennaio, pp. 147-56. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2012.11.005