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Note biografiche e crediti

AutoreValerio Noti, laureato in Geologia, dottore di ricerca in Scienze della Terra, è socio fondatore di TerreLogi-che srl. Si occupa di Sistemi Informativi Geografici dalla metà degli anni ’90 con particolare attenzione al settore open source. Ha realizzato e coordinato numerosi progetti di gestione e analisi di dati territoriali per pubbliche amministrazioni ed enti di ricerca. Docente freelance su GIS e tecnologie geoinformatiche, tiene corsi e conferenze presso università, enti pubblici, aziende.

CoAutoriRaffaele Battaglini, geologo, socio fondatore di TerreLogiche srl. Ha esperienza ventennale nel monitorag-gio geochimico e isotopico delle matrici ambientali e nel trattamento geostatistico dei dati. Ha partecipato a numerosi progetti con enti di ricerca nazionali ed esteri.

Marco Capitani, geologo, dottore di ricerca in Scienze della Terra, dal 2002 collabora in ambito universitario in progetti connessi con la valutazione del rischio di frana attraverso metodologie GIS.

Margherita Di Leo, borsista alla Commissione Europea, JRC. È ingegnere per l’ambiente e il territorio con un dottorato in Metodi e tecnologie per il monitoraggio ambientale. È membro del Project Steering Committee di GRASS e OSGeo charter member.

Flavio Lupia, geologo ed ingegnere informatico. Dal 2003 si occupa di geomatica e di modelli per lo sviluppo di analisi agro-ambientali. Dal 2006 svolge attività di ricerca e coordina diversi progetti presso l’Istituto Nazionale di Economia Agraria di Roma.

revisoreAntonio Falciano, ingegnere ambientale e master in GIS e Telerilevamento presso l’Università degli Studi della Basilicata. È freelance con esperienza ultradecennale in geomatica con strumenti GFOSS, amministra gvSIG Italian e scrive sul blog TANTO.

Il dataset geografico a cui fanno riferimento i capitoli dal 2 al 14 e il capitolo 17 comprende dati messi a di-sposizione dal Geoportale della Regione Toscana (GEOscopio) con Licenza Creative Commons Attribuzione 3.0 (CC-BY) o Attribuzione-Condividi allo stesso modo 3.0 Italia (CC-BY-SA). Copia delle singole licenze è disponibile all’interno delle cartelle del dataset. I dati relativi all’esercizio del capitolo 16 sono pubblicati ed accessibili all’interno del lavoro scientifico citato nel testo.


Valerio Noti

GIS Open Sourceper geologia e ambiente

aNalisi e gestioNe di dati territoriali e ambieNtali coN qgis

Dario Flaccovio Editore


Valerio NotiGIS open sourCe per geologiA e Ambiente ISBN 9788857903392

© 2014 by Dario Flaccovio Editore s.r.l. - tel. 0916700686 www.darioflaccovio.it [email protected]

Prima edizione: ottobre 2014

Salerno, Giovanni <1975->

Map design per il GIS : guida alla realizzazione di cartografie professionali / Giovanni Salerno. - Palermo : D. Flaccovio, 2014. ISBN 978-88-579-0333-01. Cartografia – Impiego [degli] elaboratori. 526.0285 CDD-22 SBN Pal0272870

CIP - Biblioteca centrale della Regione siciliana “Alberto Bombace”

Stampa: Tipografia Priulla, Palermo, ottobre 2014

ringrAziAmenti

Ringrazio Antonio Falciano per la revisione del libro e per i preziosi suggerimenti.Raffaele Battaglini, Marco Capitani, Margherita Di Leo, Flavio Lupia per i contributi relativi ai capitoli applicativi.Marta Tringali per il supporto nell’organizzazione e nella rielaborazione grafica e testuale del libro.Roberto Rubegni per gli importanti spunti sull’utilizzo dei GIS nella libera professione.Alessandro Tringali per l’aiuto fornito nella realizzazione di alcune immagini.Giovanni Righini per il supporto operativo durante la stesura del libro.Silvia, Filippo e Petra per la pazienza e l’incoraggiamento.

Nomi e marchi citati sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici.L’editore dichiara la propria disponibilità ad adempiere agli obblighi di legge nei confronti degli aventi diritto sulle opere riprodotte.La fotocopiatura dei libri è un reato.Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effettuate nei limiti del 15% di ciascun volume/fascicolo di perio-dico dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall’art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633. Le ripro-duzioni effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello personale possono essere effettuate solo a seguito di specifica autorizzazione rilasciata dagli aventi diritto/dall’editore.


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INDICE

PrefazionePremessa

1. Sistemi informativi geografici: concetti fondamentali1.1. Introduzione ....................................................................................... pag. 191.2. Concetti fondamentali dei GIS .......................................................... » 20 1.2.1. Oggetti e georeferenziazione ............................................... » 20 1.2.2. Organizzazione dei dati in layer .......................................... » 21 1.2.3. Rappresentazione dei dati: modelli vettoriale e raster ......... » 21 1.2.4. Il database degli attributi ..................................................... » 23 1.2.5. Tipologie di dati ................................................................... » 25 1.2.6. Il concetto di scala in un GIS: la scala nominale ................. » 25 1.2.7. I metadati.............................................................................. » 261.3. La problematica cartografica ............................................................. » 27 1.3.1. Dare una forma alla Terra .................................................... » 27 1.3.2. Proiettare l’ellissoide sul piano ............................................ » 29 1.3.3. Assegnare le coordinate ....................................................... » 30 1.3.4. Il registro EPSG ................................................................... » 31 1.3.5. Conversioni e trasformazioni tra sistemi ............................. » 321.4. I sistemi geodetico-cartografici utilizzati in Italia ............................ » 33 1.4.1. I codici EPSG dei sistemi utilizzati in Italia ........................ » 33 1.4.2. Il sistema Roma40 Gauss-Boaga ........................................ » 34 1.4.3. Il sistema ED50 UTM ......................................................... » 35 1.4.4. Il sistema WGS84 UTM ....................................................... » 36 1.4.5. Il nuovo sistema ETRF 2000 (2008.0) ................................. » 361.5. Conversione di coordinate tra sistemi di riferimento ........................ » 371.6. Bibliografia ........................................................................................ » 38

2. Introduzione a QGIS2.1. I software GIS .................................................................................... » 392.2. Cos’è QGIS ........................................................................................ » 402.3. Download del software e procedura di installazione ........................ » 41 2.3.1. Versione utilizzata ................................................................ » 41 2.3.2. Sistemi Microsoft Windows ................................................. » 41 2.3.3. Sistemi Linux ....................................................................... » 42 2.3.4. Sistemi Mac OS X ................................................................ » 432.4. Primo avvio di QGIS e preferenze del sistema ................................. » 43 2.4.1. Avvio del software ............................................................... » 43 2.4.2. Modifica della lingua ........................................................... » 44 2.4.3. Sistema di riferimento (SR) predefinito ............................... » 452.5. L’interfaccia utente di QGIS .............................................................. » 47 2.5.1. Sezioni dell’interfaccia ......................................................... » 47


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2.5.2. La gestione dei pannelli ....................................................... » 48 2.5.3. Le barre degli strumenti ....................................................... » 492.6. I plugin di QGIS ................................................................................. » 492.7. Supporto per gli utenti e documentazione ......................................... » 51

3. Il progetto GIS e il caricamento dei primi layer3.1. Salvare un progetto e aggiungere dati geografici .............................. » 53 3.1.1. Salvataggio di un nuovo progetto ........................................ » 53 3.1.2. Caricamento di uno shapefile .............................................. » 533.2. Gli strumenti di navigazione ............................................................. » 55 3.2.1. La barra degli strumenti orientazione della mappa ............. » 55 3.2.2. Configurazione della panoramica ........................................ » 563.3. Il progetto di QGIS ............................................................................ » 57 3.3.1. Le proprietà del progetto ...................................................... » 57 3.3.2. I collegamenti ai dati esterni: percorsi assoluti e relativi .... » 58 3.3.3. Simbologia iniziale nel caricamento dei geodati ................. » 59 3.3.4. L’incompatibilità tra progetti di diversi software GIS ......... » 60

4. I formati GIS: non solo Shapefile4.1. Librerie di riferimento e tipologie di archiviazione .......................... » 614.2. Formati vettoriali ............................................................................... » 62 4.2.1. ESRI Shapefile ..................................................................... » 62 4.2.2. Altri formati vettoriali ......................................................... » 644.3. Formati raster ..................................................................................... » 664.4. I database spaziali ............................................................................. » 67

5. Gestione dei layer vettoriali e raster5.1. Apertura di un progetto esistente e caricamento di geodati vettoriali » 715.2. Gestione dei layer nella legenda ........................................................ » 72 5.2.1. Visibilità e stato di attività di un layer ................................. » 72 5.2.2. Ordine di visualizzazione dei layer...................................... » 72 5.2.3. Dove, cosa, come… .............................................................. » 73 5.2.4. Proprietà di un layer vettoriale ............................................. » 74 5.2.5. Modifica della simbologia di un layer vettoriale (simbolo singolo) .................................................................. » 75 5.2.6. Caricamento e gestione di layer raster ................................. » 77 5.2.7. Gestione delle trasparenze nelle sovrapposizioni raster-vettoriale ..................................................................... » 785.3. Altre operazioni utili sui layer ........................................................... » 79 5.3.1. Raggruppare più layer .......................................................... » 79 5.3.2. Rinominare e rimuovere un layer ........................................ » 80 5.3.3. Duplicazione e inclusione dei layer...................................... » 81 5.3.4. Il pannello browser ............................................................... » 82


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5.4. La gestione dei sistemi di riferimento (SR) in QGIS ........................ » 82 5.4.1. Tecniche di allineamento degli SR....................................... » 82 5.4.2. Conversione definitiva del sistema di proiezione ................ » 82 5.4.3. Assegnazione del sistema e file .prj ..................................... » 83 5.4.4. I world file dei layer raster ................................................... » 86 5.4.5. La riproiezione al volo.......................................................... » 875.5. Salvataggio ed esportazione di un layer ............................................ » 91

6. Tabelle degli attributi e interrogazioni6.1. La tabella degli attributi di un layer vettoriale .................................. » 936.2. Selezione degli oggetti e collegamento con database ........................ » 94 6.2.1. Strumenti della barra degli attributi .................................... » 94 6.2.2. Modalità di selezione degli oggetti ...................................... » 95 6.2.3. Scheda informazioni e suggerimenti mappa........................ » 976.3. I tipi di dati nelle tabelle .................................................................... » 986.4. Le interrogazioni (filtri) ..................................................................... » 99 6.4.1. Esempio di interrogazione: ricerca delle frane attive .......... » 99 6.4.2. Esportazione dei risultati in un nuovo layer ........................ » 101 6.4.3. Altri esempi di filtri ............................................................. » 102 6.4.4. Gli operatori like e ilike ....................................................... » 1036.5. I sottoinsiemi di geometrie ................................................................ » 1056.6. Le join tabellari .................................................................................. » 1066.7. Bibliografia ........................................................................................ » 108

7. Simbologia dei dati vettoriali e tecniche di rappresentazione7.1. La vestizione dei geodati ................................................................... » 1097.2. Simbologia categorizzata (“valori unici”) ......................................... » 1107.3. La personalizzazione dello stile ......................................................... » 112 7.3.1. Selettore dei simboli e scale di colore .................................. » 112 7.3.2. Salvataggio e recupero degli stili ......................................... » 1147.4. Simbologia graduata (“intervalli di valori”) ...................................... » 116 7.4.1. La classificazione su base quantitativa ................................ » 116 7.4.2. Procedura di generazione di una legenda graduata ............. » 116 7.4.3. Modalità di rappresentazione nella simbologia graduata .... » 1187.5. Altre tipologie di stile ........................................................................ » 1207.6. Etichettatura dei geodati e diagrammi .............................................. » 121 7.6.1. Autoetichette da database .................................................... » 121 7.6.2. Diagrammi ........................................................................... » 1237.7. Bibliografia ........................................................................................ » 124

8. Carte Tecniche Regionali (CTR) e servizi web8.1. Produzione regionale e accessibilità al dato ...................................... » 1258.2. Inquadramento ................................................................................... » 126



8.3. Formati dati e sistemi di proiezione................................................... » 1288.4. Esempio di gestione di una base CTR in ambiente GIS .................... » 1298.5. Utilizzo dei servizi web (WMS, WFS, WCS) ................................... » 134

9. Come georeferenziare una cartografia9.1. L’importanza della georeferenziazione .............................................. » 1419.2. Procedura di georeferenziazione ....................................................... » 142 9.2.1. Il georeferenziatore di QGIS ................................................ » 142 9.2.2. Inserimento dei Ground Control Points (GCP) .................... » 143 9.2.3. Le impostazioni di trasformazione ...................................... » 146 9.2.4. Minimizzare gli errori con l’analisi degli RMS .................. » 148

10. Editing dei layer e tecniche di digitalizzazione10.1. Creazione di un nuovo layer .............................................................. » 15110.2. Procedure di editing ........................................................................... » 153 10.2.1. Entrare e uscire dalla sessione di editing ............................. » 153 10.2.2. Digitalizzazione ed eliminazione di elementi grafici .......... » 154 10.2.3. Modifica di geometrie esistenti ........................................... » 15610.3. L’utilizzo degli snap e il completamento automatico dei poligoni .... » 157 10.3.1. Le opzioni di snapping ......................................................... » 157 10.3.2. Il mantenimento della topologia .......................................... » 157 10.3.3. Il completamento automatico dei poligoni ........................... » 15910.4. Altre operazioni di editing avanzato ................................................. » 161 10.4.1. Perforazioni su oggetti esistenti ........................................... » 161 10.4.2. Taglio di oggetti e suddivisione in parti .............................. » 16110.5. Editing tabellare ................................................................................. » 161 10.5.1. Le modalità di data entry in tabella ..................................... » 161 10.5.2. Calcolo di area e perimetro con il calcolatore di campi ...... » 162 10.5.3. Modifica della struttura tabellare ........................................ » 16410.6. Gli hyperlink ...................................................................................... » 16510.7. Consigli utili per digitalizzare in sicurezza e in modo speditivo ...... » 16710.8. Creazione di un layer a partire da un file di testo ............................. » 167

11. Procedure di stampa e generazione dei layout11.1. La tavola di stampa ............................................................................ » 169 11.1.1. Introduzione ......................................................................... » 169 11.1.2. Preparazione del progetto GIS ............................................. » 169 11.1.3. Avvio della procedura di stampa ......................................... » 170 11.1.4. Inserimento della mappa ...................................................... » 173 11.1.5. Aggiunta di altri oggetti al layout ........................................ » 174 11.1.5.1. La legenda .............................................................. » 174 11.1.5.2. Barra di scala, freccia nel nord, immagini, etichette » 175 11.1.6. Completamento della procedura di stampa .......................... » 175


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11.1.6.1. Stampa e salvataggio dei modelli ........................... » 175 11.1.6.2. Il gestore delle stampe ............................................ » 17611.2. L’atlante .............................................................................................. » 177

12. La consegna di un progetto GIS12.1. Consigli pratici per la realizzazione di un progetto GIS ................... » 179 12.1.1. Ottimizzare il lavoro ............................................................ » 179 12.1.2. Cartografia di riferimento e scala nominale ........................ » 179 12.1.3. Sistemi di riferimento .......................................................... » 180 12.1.4. Specifiche e metadati .......................................................... » 181 12.1.5. Suddivisione dei geodati in layer e simbologia .................... » 181 12.1.6. Digitalizzazione in ambiente GIS ........................................ » 182 12.1.7. Digitalizzare in ambiente CAD ............................................ » 182 12.1.8. Gestione dei percorsi ............................................................ » 183 12.1.9. La strategia di backup .......................................................... » 184

13. Il geoprocessing13.1. Generalità ........................................................................................... » 18513.2. QGIS e il geoprocessing .................................................................... » 186 13.2.1. Panoramica ........................................................................... » 186 13.2.2. Il plugin GRASS .................................................................. » 187 13.2.3. Menu vettore (geoprocessing vettoriale) .............................. » 188 13.2.4. Menu raster (geoprocessing raster) ...................................... » 189 13.2.5. Il plugin Processing (geoprocessing raster e vettoriale) ...... » 18913.3. Principali tecniche di geoprocessing vettoriale ................................. » 193 13.3.1. Analisi di prossimità: buffer ................................................ » 193 13.3.2. Operazioni di overlay ........................................................... » 195 13.3.2.1. Definizioni e utilizzo ............................................. » 195 13.3.2.2. Clip ........................................................................ » 195 13.3.2.3. Differenza .............................................................. » 197 13.3.2.4. Intersezione ............................................................ » 197 13.3.2.5. Unione .................................................................... » 198 13.3.2.6. Merge ..................................................................... » 199 13.3.3. Dissolve ................................................................................ » 200 13.3.4. Poligono convesso (Convex hull) ......................................... » 202 13.3.5. Join spaziale (Spatial Join) ................................................... » 202 13.3.6. Poligoni di Voronoi (Thiessen) ............................................ » 20513.4. Query spaziali .................................................................................... » 206 13.4.1. Definizione ........................................................................... » 206 13.4.2. Esempio di query spaziale: ricerca di edifici in area di rispetto fluviale ................................................................ » 20613.5. Il geoprocessing raster ....................................................................... » 208 13.5.1. Introduzione ......................................................................... » 208



13.5.2. Geoprocessing raster o vettoriale? ....................................... » 210 13.5.3. Map Algebra ......................................................................... » 211 13.5.4. Conversioni vector-raster (rasterizzazione) ......................... » 214 13.5.5. Simbologia dei layer raster (Stile) ........................................ » 218 13.5.6. Ritaglio di raster (Clip) ........................................................ » 220 13.5.7. Il calcolatore raster ............................................................... » 222 13.5.8. Maschere di analisi (Mask) .................................................. » 226 13.5.9. Riclassificazione (Reclass) ................................................... » 228 13.5.10. Conversione raster-vector (vettorializzazione) ..................... » 230 13.5.11. Analisi di prossimità raster .................................................. » 231 13.5.12. Altre operazioni di geoprocessing raster ............................. » 232 13.5.12.1. Unione di layer raster (merge) .............................. » 232 13.5.12.2. Ricampionamento ................................................ » 232 13.5.12.3. Statistiche zonali .................................................. » 233 13.5.12.4. Campionamento di un raster su punti vettoriali .. » 23413.6. Bibliografia ........................................................................................ » 235

14. Superfici statistiche e modelli digitali di elevazione (DEM)14.1. Le superfici statistiche ....................................................................... » 237 14.1.1. Definizioni ........................................................................... » 237 14.1.2. Determinismo e geostatistica ............................................... » 237 14.1.3. Classi di interpolatori ........................................................... » 239 14.1.4. Principali algoritmi di interpolazione deterministica .......... » 241 14.1.4.1. Inverse Distance Weighted (IDW) ......................... » 241 14.1.4.2. Natural Neighbor ................................................... » 242 14.1.4.3. Trend....................................................................... » 243 14.1.4.4. Spline ...................................................................... » 243 14.1.4.5. Altri algoritmi di interpolazione deterministica .... » 24414.2. I modelli digitali di elevazione (DEM) .............................................. » 244 14.2.1. Definizioni ........................................................................... » 244 14.2.2. Utilizzo dei DEM nelle Scienze della Terra ........................ » 246 14.2.3. Produzione dei DEM ............................................................ » 247 14.2.4. Modalità di archiviazione dei DEM: grid e TIN ................. » 249 14.2.5. Formati di dati ...................................................................... » 25114.3. Analisi morfologiche e morfometriche derivate da DTM ................. » 251 14.3.1. Caricamento di un DTM ...................................................... » 251 14.3.2. Estrazione di curve di livello da un DTM ........................... » 253 14.3.3. Carta di hillshade o shaded relief......................................... » 255 14.3.4. Carta delle pendenze (slope) ................................................ » 257 14.3.5. Carta dell’esposizione dei versanti (aspect) ......................... » 259 14.3.6. Carta delle fasce altimetriche............................................... » 260 14.3.7. Curvatura delle superfici ..................................................... » 260 14.3.8. Indici topografici .................................................................. » 261


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14.3.9. Riconoscimento automatico delle forme.............................. » 261 14.3.10. Estrazione di profili topografici ........................................... » 262 14.3.11. Analisi di visibilità ............................................................... » 264 14.3.12. Calcolo volumetrico ............................................................. » 266 14.3.13. Intersezione tra un DTM e un piano geologico ................... » 266 14.3.14. Proiezione di misure di strato su una sezione geologica ..... » 26714.4. Costruzione di una superficie con metodi deterministici ................. » 268 14.4.1. Superfici raster (grid) ........................................................... » 268 14.4.2. TIN ....................................................................................... » 27114.5. Visualizzazione tridimensionale dei geodati ..................................... » 27314.6. Bibliografia ........................................................................................ » 275

15. Elementi base di geostatistica15.1. Introduzione ....................................................................................... » 27915.2. Differenze tra approccio deterministico e approccio geostatistico ... » 28015.3. Il variogramma e la variografia ......................................................... » 282 15.3.1. Introduzione alla variografia, studio della correlazione spaziale di una variabile ....................................................... » 282 15.3.2. La variogram cloud .............................................................. » 286 15.3.3. Il variogramma sperimentale ............................................... » 287 15.3.4. Il variogramma modello ....................................................... » 288 15.3.5. Variogrammi in presenza di anisotropie .............................. » 289 15.3.6. Comportamento del variogramma all’origine ...................... » 291 15.3.7. Modellazione del variogramma ........................................... » 29215.4. Il kriging ............................................................................................ » 297 15.4.1. Introduzione ......................................................................... » 297 15.4.2. Esempio di funzionamento del kriging ................................ » 29915.5. Bibliografia ........................................................................................ » 301

16. Esempio di modellazione geostatistica di parametri geochimici in ambito GIS16.1. Introduzione ....................................................................................... » 30316.2. Procedura di elaborazione ................................................................. » 304 16.2.1. Descrizione del dataset ........................................................ » 304 16.2.2. Caricamento dei punti di misura in SAGA .......................... » 305 16.2.3. Costruzione della Variogram Cloud .................................... » 306 16.2.4. Realizzazione del variogramma sperimentale ..................... » 307 16.2.5. Modellazione del variogramma ........................................... » 30816.3. Processo di stima: il kriging .............................................................. » 31016.4. Bibliografia ........................................................................................ » 311

17. Studio della morfometria dei bacini idrografici attraverso analisi GIS17.1. I geoalgoritmi per la modellazione idrologica ................................... » 31317.2. Esempio di utilizzo del modulo r.watershed ...................................... » 315



17.2.1. Area di studio ....................................................................... » 315 17.2.2. Descrizione e impostazione dei parametri di input ed output » 316 17.2.3. Individuazione della soglia ottimale per l’estrazione dei bacini idrografici ............................................................ » 319 17.2.4. Analisi e rappresentazione dei risultati ................................ » 32117.3. Vettorializzazione dei risultati ........................................................... » 322 17.3.1. Conversione in formato vettoriale dei bacini idrografici .... » 322 17.3.2. Conversione in formato vettoriale del reticolo idrografico . » 32317.4. Aggregazione di sottobacini .............................................................. » 32417.5. Criticità .............................................................................................. » 32617.6. Bibliografia ........................................................................................ » 327

18. Tecniche di analisi spaziale per la zonazione della suscettività di frana18.1. Introduzione ....................................................................................... » 32918.2 Analisi condizionale .......................................................................... » 331 18.2.1. Descrizione della metodologia ............................................. » 331 18.2.2. Valutazione della capacità predittiva dei modelli ................ » 33318.3. Procedura di costruzione e validazione dei modelli .......................... » 334 18.3.1. Definizione delle carte di unità di condizioni uniche (UCU) » 335 18.3.2. Calcolo delle densità di frana ............................................... » 336 18.3.3. Realizzazione delle carte di suscettività .............................. » 337 18.3.4. Scelta del modello migliore (validazione) ............................ » 33818.4. Bibliografia ....................................................................................... » 339

19. Metodologie GIS per l’individuazione delle aree potenzialmente interessate da fenomeni di esondazione dei corsi d’acqua19.1. Introduzione ....................................................................................... » 34119.2. Controllo delle piene e valutazione del rischio idraulico .................. » 34219.3. Valutazione preliminare su ampia scala ............................................ » 34319.4. Estrazione dei parametri significativi ai fini dello studio idrologico » 34519.5. Studio idrologico ................................................................................ » 34619.6. Simulazione idraulica ........................................................................ » 34719.7. Conclusioni ........................................................................................ » 34819.8. Bibliografia ....................................................................................... » 349


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