UISH

Un portal para el análisis de los datos de calidad del aire y la validación de las concentraciones de contaminantes calculadas por el modelo, en el marco del proyecto UISH del Consejo Nacional de Investigaciones de Italia (CNR).

El proyecto

El Urban Intelligence Science Hub for City Network (UISH) es un proyecto del CNR, financiado en el marco del programa PON METRO (Agencia para la Cohesión Territorial), que desarrolla un enfoque innovador del análisis digital de las realidades urbanas complejas en apoyo de las decisiones de planificación y gestión de la ciudad. El paradigma de Urban Intelligence concebido por el CNR integra un ecosistema de tecnologías digitales en un gemelo digital (digital twin) de la ciudad, alimentado por múltiples fuentes sensoriales y orientado a los objetivos de la Agenda 2030 (medio ambiente urbano, sostenibilidad y resiliencia, calidad de vida, desarrollo local, inclusión social).

La ciudad de Catania es el caso de estudio piloto. Entre los temas prioritarios que aborda el proyecto figuran la movilidad, la calidad del aire, el patrimonio cultural, la habitabilidad del centro histórico y su interacción con la zona portuaria. El enfoque es modular: el modelo digital de la ciudad se desarrolla inicialmente sobre una porción limitada del territorio y sobre unos pocos subsistemas (como la movilidad y la contaminación del aire), para extenderse después progresivamente.

Los institutos del CNR implicados

El proyecto está coordinado por el Instituto de Ciencias de la Atmósfera y del Clima (ISAC) y cuenta con la colaboración de doce institutos del CNR:

• Instituto de Análisis de Sistemas e Informática «Antonio Ruberti» (IASI)
• Instituto de Cálculo y Redes de Altas Prestaciones (ICAR)
• Instituto de Electrónica e Ingeniería de la Información y de las Telecomunicaciones (IEIIT)
• Instituto de Física Aplicada «Nello Carrara» (IFAC)
• Instituto sobre la Contaminación Atmosférica (IIA)
• Instituto de Matemática Aplicada y Tecnologías de la Información «Enrico Magenes» (IMATI)
• Instituto para la Detección Electromagnética del Medio Ambiente (IREA)
• Instituto de Ciencias de la Atmósfera y del Clima (ISAC)
• Instituto de Ciencias y Tecnologías de la Cognición (ISTC)
• Instituto de Tecnologías de la Construcción (ITC)
• Instituto de Sistemas Complejos (ISC)
• Instituto de Ingeniería Marina (INM)

La actividad del CNR-IFAC

El Instituto de Física Aplicada «Nello Carrara» (CNR-IFAC) contribuye a UISH con la línea de actividad «Uso de datos satelitales para el análisis y la predicción de la calidad del aire en zona urbana» (responsable Ugo Cortesi). La actividad aprovecha los datos satelitales del Programa Copernicus de la Unión Europea y el servicio CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service) para analizar y predecir la calidad del aire a escala urbana, enriqueciendo el gemelo digital de la calidad del aire de la ciudad de Catania.

Este portal es la herramienta operativa con la que el IFAC lleva a cabo el análisis de los datos de monitorización de Catania y la validación de las concentraciones de contaminantes (NO₂, O₃, PM₁₀, PM_2.5, SO₂) calculadas por el modelo sobre la malla urbana, comparándolas con las mediciones de las estaciones mediante un conjunto de índices y diagramas estadísticos.

El modelo AIR-Portal y la colaboración con S[&]T

Las concentraciones de contaminantes sobre la malla urbana se calculan con el modelo AIR-Portal, desarrollado por Science [&] Technology Corporation (S[&]T), con sede en Delft (Países Bajos). AIR-Portal combina, mediante técnicas de fusión de datos, observaciones satelitales, mediciones in situ, datos de tráfico y modelos de predicción: parte de los datos regionales CAMS (resolución ~10 km) y realiza su downscaling a la resolución urbana de 69×86 m con paso horario, usando datos GIS (red viaria, vegetación) y factores de escala por uso del suelo que reflejan los ciclos diarios y semanales de las emisiones del tráfico; las mediciones locales calibran el resultado reduciendo los sesgos del modelo. El producto comprende mapas de NO₂, O₃, PM₁₀, PM_2.5, SO₂ y del Índice de Calidad del Aire (AQI), en formato NetCDF y GeoTIFF.

La colaboración del CNR-IFAC con S[&]T no es nueva: el primer uso internacional de AIR-Portal tuvo lugar en el proyecto europeo H2020 AURORA, coordinado por el CNR-IFAC con S[&]T como socio industrial, con un proyecto piloto sobre la ciudad de Florencia.

El flujo de los datos: del netCDF al webGIS

Del producto del modelo a la consulta en línea, los datos siguen una cadena gestionada íntegramente en UISH:

netCDF

Concentraciones horarias proporcionadas por AIR-Portal (NO₂, O₃, PM₁₀, PM₂.₅, SO₂) sobre el dominio de Catania.

PostgreSQL / PostGIS

Programas en Python leen los netCDF y escriben celdas, centroides y los cinco arrays de concentraciones; se precalculan los agregados (día, mes, año).

Isolíneas (vectorial)

En la base de datos se calculan las isolíneas por contaminante, estadística y periodo, materializadas en vistas PostGIS.

Una capa de isolíneas para cada contaminante, calculada en la base de datos.

Exportación ráster (Python)

Un programa en Python exporta los ráster (media/máximo anual) para una representación continua de las concentraciones.

La representación ráster correspondiente: un campo continuo para cada contaminante.

webGIS

Capas vectoriales y ráster publicadas con QGIS Server + Lizmap, con línea temporal de paso diario y leyendas por contaminante.

1. Adquisición. Las concentraciones horarias (NO₂, O₃, PM₁₀, PM_2.5, SO₂) de 2024 y 2025 las proporciona AIR-Portal en formato netCDF sobre el dominio de Catania (Etna–aeropuerto), un área de 10×30 km dividida en una malla de 51.303 celdas cuadradas en coordenadas geográficas (lado ≈ 2,81″): a la latitud de Catania (~37,5° N) cada celda se extiende unos 69 m en dirección este–oeste y 86 m en dirección norte–sur.
2. Carga de la base de datos. Programas en Python leen los netCDF y los escriben en PostgreSQL/PostGIS: la geometría y los centroides de las celdas; para cada hora, los valores de los cinco contaminantes en cinco arrays en la tabla de concentraciones. A partir de ellos se precalculan los agregados de media y máximo diarios, mensuales y anuales.
3. Isolíneas (datos vectoriales). De cada agregado se generan las isolíneas (curvas de nivel) para cada contaminante, estadística (media/máximo) y periodo (día/mes/año), materializadas en vistas materializadas PostGIS.
4. Ráster (netCDF). De los mismos agregados se producen ráster netCDF (media/máximo anual) para una representación continua de las concentraciones.
5. Visualización. Las capas vectoriales y ráster se publican en el webGIS (QGIS Server + Lizmap), con línea temporal de paso diario para las isolíneas y leyendas estándar por contaminante; el rendimiento se optimiza con índices GIST en PostGIS, FastCGI en paralelo, MapProxy y Redis.
6. Análisis. Desde el webGIS, al hacer clic en un centroide se abre la página de evolución temporal del punto (concentraciones horarias y medias/máximos por día/mes/año) y las herramientas de validación del modelo.

Navega por el portal

Bibliografía científica

• 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

Referencias

• CNR — UISH — Urban Intelligence Science Hub for City Network (ficha del proyecto)
• CNR-ISAC — UISH — Urban Intelligence Science Hub for City Network
• CISC — Proyecto UISH
• PON METRO — ponmetro.it
• Proyecto H2020 AURORA — aurora-copernicus.eu
• Science [&] Technology (S[&]T) — stcorp.nl
• Programa Copernicus — copernicus.eu
• Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) — atmosphere.copernicus.eu