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.

1. 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: plcau@crs4.it
CRS4
Sardegna Ricerche, 09010 Pula CA, Italy http://www.crs4.it
Progetto INNO ed esempi di applicazioni nel campo della GEOMATICA.

2. 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

3. •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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 7
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

8. 8
Il progetto INNO

9. 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

10. Il progetto INNO

11. 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.

12. Il progetto INNO

13. Il progetto INNO

14. 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

15. 15
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

16. 16
WP2: INNO Client (2)
•Prime prove di performance e soglie di semplificazione delle geometrie
Il progetto INNO

17. 17
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

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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.

23. 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
APPLICATIONS 2
simulated
monitoring
network
Legislation
support
MS
BD
River
input
Climate
Forecast
Climate
Climate
Forecast
Forecast
BIO
Validation
Forecast
Oil
spills
Oil
spills
BIO

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. Small scale implementation
Results – Forecast maps for 5 model domains of the temperature, salinity and currents – 6 days ahead

29. 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

30. The Oil Spill module
The results are presented in 3 different forms:
-Probability map of oil spill distribution
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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)

38. 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

39. 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

40. 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

42. Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4

43. Montecarlo
(1 fonte)
N. Sim
2238
Total Simulation Time
123 hours
The most likely source after 1 month
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4

44. 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

45. 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

46. 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

47. Set up of the System
DEM Soil type Land Cover
Sardini a ( I T A L Y ) i DsE aM s10ex1m0 mia (rRiAdS )r egion located in the Mediter r a n Leanad nco,v ewr 2i0t0h8 (aR AtSo) tal 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

48. 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

49. 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

50. 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

51. NS = 0.89
NS = 0.59
Validation
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4

52. 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

53. 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

54. Gange river (India): Stream flow
Esempi di applicazioni sviluppate al CRS4