UISH — Urban Intelligence Science Hub for City Network

Un portale per l'analisi dei dati di qualità dell'aria e la validazione delle concentrazioni di inquinanti calcolate dal modello, nel quadro del progetto UISH del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR).

Il progetto

L'Urban Intelligence Science Hub for City Network (UISH) è un progetto del CNR, finanziato nell'ambito del programma PON METRO (Agenzia per la Coesione Territoriale), che sviluppa un approccio innovativo all'analisi digitale delle realtà urbane complesse a supporto delle decisioni di pianificazione e gestione della città. Il paradigma di Urban Intelligence concepito dal CNR integra un ecosistema di tecnologie digitali in un gemello digitale (digital twin) della città, alimentato da molteplici sorgenti sensoriali e orientato agli obiettivi dell'Agenda 2030 (ambiente urbano, sostenibilità e resilienza, qualità della vita, sviluppo locale, inclusione sociale).

La città di Catania è il caso di studio pilota. Tra i temi prioritari affrontati dal progetto figurano la mobilità, la qualità dell'aria, il patrimonio culturale, la vivibilità del centro storico e la sua interazione con l'area portuale. L'approccio è modulare: il modello digitale della città viene sviluppato inizialmente su una porzione limitata del territorio e su pochi sottosistemi (come mobilità e inquinamento dell'aria), per poi estendersi progressivamente.

Gli istituti del CNR coinvolti

Il progetto è coordinato dall'Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima (ISAC) e vede la collaborazione di dodici istituti del CNR:

  • Istituto di Analisi dei Sistemi ed Informatica «Antonio Ruberti» (IASI)
  • Istituto di Calcolo e Reti ad Alte Prestazioni (ICAR)
  • Istituto di Elettronica e di Ingegneria dell'Informazione e delle Telecomunicazioni (IEIIT)
  • Istituto di Fisica Applicata «Nello Carrara» (IFAC)
  • Istituto sull'Inquinamento Atmosferico (IIA)
  • Istituto di Matematica Applicata e Tecnologie Informatiche «Enrico Magenes» (IMATI)
  • Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell'Ambiente (IREA)
  • Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Clima (ISAC)
  • Istituto di Scienze e Tecnologie della Cognizione (ISTC)
  • Istituto per le Tecnologie della Costruzione (ITC)
  • Istituto dei Sistemi Complessi (ISC)
  • Istituto di Ingegneria del Mare (INM)

L'attività di CNR-IFAC

L'Istituto di Fisica Applicata «Nello Carrara» (CNR-IFAC) contribuisce a UISH con la linea di attività «Uso di dati satellitari per analisi e previsione della qualità dell'aria in area urbana» (referente Ugo Cortesi). L'attività sfrutta i dati satellitari del Programma Copernicus dell'Unione Europea e il servizio CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) per analizzare e prevedere la qualità dell'aria a scala urbana, arricchendo il gemello digitale della qualità dell'aria della città di Catania.

Questo portale è lo strumento operativo con cui IFAC svolge l'analisi dei dati di monitoraggio di Catania e la validazione delle concentrazioni di inquinanti (NO2, O3, PM10, PM2.5, SO2) calcolate dal modello sulla griglia urbana, confrontandole con le misure delle centraline mediante un insieme di indici e diagrammi statistici.

Il modello AIR-Portal e la collaborazione con S[&]T

Le concentrazioni di inquinanti sulla griglia urbana sono calcolate con il modello AIR-Portal, sviluppato da Science [&] Technology Corporation (S[&]T), con sede a Delft (Paesi Bassi). AIR-Portal combina, mediante tecniche di fusione dati, osservazioni satellitari, misure in-situ, dati di traffico e modelli di previsione: parte dai dati regionali CAMS (risoluzione ~10 km) e ne esegue il downscaling alla risoluzione urbana di 69×86 m con cadenza oraria, usando dati GIS (rete stradale, vegetazione) e fattori di scala per uso del suolo che riflettono i cicli giornalieri e settimanali delle emissioni da traffico; le misure locali calibrano il risultato riducendo i bias del modello. Il prodotto comprende mappe di NO2, O3, PM10, PM2.5, SO2 e dell'Indice di Qualità dell'Aria (AQI), in formato NetCDF e GeoTIFF.

La collaborazione di CNR-IFAC con S[&]T non è nuova: il primo impiego internazionale di AIR-Portal è avvenuto nel progetto europeo H2020 AURORA, coordinato da IFAC-CNR con S[&]T come partner industriale, con un progetto pilota sulla città di Firenze.

Il flusso dei dati: dai netCDF al webGIS

Dal prodotto del modello alla consultazione online, i dati seguono una catena interamente gestita in UISH:

  1. Acquisizione. Le concentrazioni orarie (NO2, O3, PM10, PM2.5, SO2) per il 2024 e il 2025 sono fornite da AIR-Portal in formato netCDF sul dominio di Catania (Etna–aeroporto), un'area di 10×30 km suddivisa in una griglia di 51.303 celle quadrate in coordinate geografiche (lato ≈ 2,81″): alla latitudine di Catania (~37,5° N) ogni cella si estende per circa 69 m in direzione est–ovest e 86 m in direzione nord–sud.
  2. Popolamento del database. Script Python leggono i netCDF e li scrivono in PostgreSQL/PostGIS: la geometria e i centroidi delle celle; per ogni ora, i valori dei cinque inquinanti in cinque array nella tabella delle concentrazioni. Da questi si pre-calcolano gli aggregati medi e massimi giornalieri, mensili e annuali.
  3. Isolinee (dati vettoriali). Da ogni aggregato si generano le isolinee (isoipse) per ciascun inquinante, statistica (media/massimo) e periodo (giorno/mese/anno), materializzate in viste materializzate PostGIS.
  4. Raster (netCDF). Dagli stessi aggregati si producono raster netCDF (media/massimo annuale) per una resa continua delle concentrazioni.
  5. Visualizzazione. I layer vettoriali e raster sono pubblicati nel webGIS (QGIS Server + Lizmap), con timeline a passo giornaliero per le isolinee e legende standard per inquinante; le prestazioni sono ottimizzate con indici GIST in PostGIS, FastCGI parallelo, MapProxy e Redis.
  6. Analisi. Dal webGIS, il click su un centroide apre la pagina di andamento temporale del punto (concentrazioni orarie e medie/massimi giorno/mese/anno) e gli strumenti di validazione del modello.

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Analisi dati

Esplorazione dei dati: webGIS, andamenti temporali, dati di monitoraggio, correlazione con l'attività vulcanica dell'Etna e basi teoriche e statistiche.

Validazione

Confronto modello/osservazioni: cruscotto dei grafici, documentazione delle funzioni grafiche e degli indici statistici di validazione.

Bibliografia scientifica

  • Castelli, G. et al. (2022). Urban Intelligence: Toward the Digital Twin of Matera and Catania. 2022 IEEE International Workshop on Blockchain for Renewables Integration (BLORIN). doi:10.1109/BLORIN54731.2022.10028437
  • Cortesi, U. et al. (2018). Advanced Ultraviolet Radiation and Ozone Retrieval for Applications (AURORA): A Project Overview. Atmosphere, 9(11), 454. doi:10.3390/atmos9110454
  • Inness, A. et al. (2019). The CAMS reanalysis of atmospheric composition. Atmospheric Chemistry and Physics, 19(6), 3515–3556. doi:10.5194/acp-19-3515-2019

Riferimenti

Moreno Comelli, Ugo Cortesi, Valentina Colcelli & Alessandra Langella, CNR-IFAC, 2022-2026