Caratterizzazione morfometrica delle principali unità geologiche della Sicilia orientale: sviluppo di un modello di calcolo semi-automatico in ambiente GIS (Modello MorphoPack)

Geomorphology has been greatly impacted by the implementation of new methodologies to study the processes that shape the planet's surface after the development of GIS platforms and the enormous amount of data on the Earth's surface obtained from remote sensing techniques, such as Lidar. The research activity related to this doctoral thesis has been oriented to provide a method based on statistical and geomorphological analysis. This method uses topographic data (DEM-Digital Elevation Model) to use morphometric indices as tools to numerically characterize the different geological units emerging in a given region. The goal was achieved through the use of ModelBuilder, a graphical visualizer for the construction of workflows ArcMap 10.8. With this tool, it was possible to create the MorphoPack calculation model. To calculate the main morphometric indices and create thematic maps, the calculation model is designed with a simple interface that processes raw topographic data (DEM) semi-automatically. The final calculation model has been calibrated for the use of six morphometric indices (topographic relief - ER, hypsometric integral - HI, dissection index - DI, topographic roughness index - TRI, Contour Line Density - CLD, drainage density - DD) widely used in GIS. The calculation procedure requires an input DEM raster file of the study area and a polygon shapefile representing the lithological units to be investigated. The MorphoPack tool is divided into five calculation modules, each of which contains numerous interconnected tools and scripts. Modules 1 and 2 produce raster maps for each of the morphometric indices in the model, which follow differentiated paths for further processing. These raster maps are a first result of the model, but they refer to the entire area covered by the input DEM. By utilizing modules 3, 4, and 5, the model can display the statistical distribution of the areas covered by the lithology polygons of interest for each morphometric index. Graphically, the morphometric characterization of the various geo-lithological units is presented using bar charts. These charts provide an immediate view of how the geo-lithological unit under study is statistically distributed in each of the value classes into which each morphometric index has been divided. To test the model, the areas of Monti Peloritani (Sicily NE) and Monti Iblei (Sicily SE) were chosen because they are extremely different from each other in terms of their geological context, and a different morphological response was expected. The MorphoPack architecture based on separate calculation modules and workflows for each index, allows modifications to be made at any time, including replacing, or varying the number of indices. This feature enables the creation of variants such as MorphoPack-MIND_Map and MorphoPack-Barplot that, depending on the purpose of the analysis—whether for producing territorial morphometric maps or for lithological morphometric characterization—allow significant savings in time and computational power compared to repeated use of the general tool. The MorphoPack model has proven to be a promising and reliable tool for conducting large-scale morphometric analyses with significant potential for further development of innovative applications on a variety of Earth Science topics.

Con lo sviluppo delle piattaforme GIS e l’immensa quantità di dati relativi alla superficie terrestre ricavati da tecniche di telerilevamento (remote sensing) come il Lidar, la Geomorfologia ha notevolmente beneficiato dall'implementazione di nuove metodologie per studiare i processi che modellano la superficie del pianeta. L’attività di ricerca relativa alla presente tesi di dottorato è stata orientata a fornire un metodo basato su analisi statistiche e geomorfologiche. Tale metodo sfrutta dati topografici (DEM-Digital Elevation Model) per utilizzare gli indici morfometrici quali strumenti per caratterizzare numericamente le diverse unità geologiche affioranti in una determinata regione. L'obiettivo è stato conseguito attraverso l'impiego del ModelBuilder, un visualizzatore grafico per la costruzione di flussi di lavoro all'interno di ArcMap 10.8. Con questo strumento, è stato possibile creare il modello di calcolo MorphoPack. Il modello di calcolo è stata concepito per avere un’interfaccia semplice che elabora in maniera semiautomatica dati topografici grezzi (DEM) per il calcolo dei principali indici morfometrici e per la creazione di carte tematiche derivate. Il modello di calcolo finale è stato tarato per l’utilizzo di sei indici morfometrici (energia del rilievo - ER, integrale ipsometrico - ERR, indice di dissezione - DI, rugosità topografica - TRI, pendenza topografica - CLD, densità di drenaggio - DD), ampiamente utilizzati in ambito GIS. La procedura di calcolo richiede in input un file raster DEM della zona oggetto di studio ed uno shapefile areale rappresentante i poligoni della litologia da investigare. Lo strumento MorphoPack si suddivide in cinque moduli di calcolo, ciascuno dei quali contiene numerosi tool e script interconnessi tra loro. Dai moduli 1 e 2 derivano mappe raster per ognuno degli indici morfometrici presenti nel modello, i quali seguono percorsi differenziati per essere ulteriormente elaborati. Queste mappe raster sono un primo risultato del modello che però si riferiscono all’intera area coperta dal DEM di input. La sequenza di calcolo dei moduli 3, 4 e 5 fornisce l’importante risultato della distribuzione statistica delle aree coperte dai poligoni della litologia d’interesse per ogni indice morfometrico implementato nel modello. Graficamente la caratterizzazione morfometrica delle varie unità geo-litologiche è affidata a grafici a barre. Questi grafici forniscono un’immediata visione di come l’unità geo-litologica oggetto di studio è statisticamente distribuita in ognuna delle classi di valori in cui ogni singolo indice morfometrico è stato suddiviso. Per testare il modello sono state scelte le aree dei Monti Peloritani (Sicilia NE) e dei Monti Iblei (Sicilia SE) considerate estremamente diverse per il contesto geologico che le caratterizza, e per le quali ci si aspettava una risposta morfologica differente. L’architettura di MorphoPack basata su moduli di calcolo e flussi di lavoro distinti per ciascun indice, consente di apportare modifiche in qualsiasi momento, compresa la sostituzione o la variazione del numero degli indici stessi. Questa sua caratteristica consente di creare delle varianti come MorphoPack-MIND_Map e MorphoPack-Barplot che in funzione dello scopo dell’analisi, sia esso di produzione di mappe morfometriche territoriali che di caratterizzazione morfometrica della litologia, permettono un significativo risparmio di tempo e di potenza di calcolo rispetto all’uso ripetuto dello strumento generale. Il modello MorphoPack si è rivelato uno strumento promettente ed affidabile per condurre analisi morfometriche a vasta scala con notevoli potenzialità di ulteriori sviluppi di applicazioni innovative su svariate tematiche delle Scienze della Terra.