QQuake: un plugin per QGIS che semplifica il caricamento di dati sismologici

English version

Cimentarsi nella realizzazione di una mappa tematica sismologica può essere un lavoro appagante per l’incredibile mole di dati che si trovano liberamente disponibili in rete. Solo il nostro ente mette a disposizione, attraverso servizi web, decine di dataset di natura diversa consultabili dal sito data.ingv.it: dati di sismologia storica, di sismicità strumentale in tempo reale, di registrazioni accelerometriche, modelli di faglie sismogenetiche, di pericolosità sismica e molti altri ancora.

Tuttavia, come spesso accade, mole e diversità hanno come contraltare la necessità di districarsi tra tanti indirizzi web, tanti standard di codifica dei dati diversi e stringhe di interrogazione dei sistemi di gestione dei dati spesso complesse. Questo pone l’utente nella condizione di impiegare molto del suo tempo nel rintracciare, comprendere e magari convertire i dati, con la conseguenza di sottrarre tempo alla vera e propria analisi scientifica. È per questi motivi che abbiamo pensato di realizzare un software che semplifica il caricamento di dati sismologici all’interno di una mappa.

L’implementazione di QQuake (questo è il suo nome) è stata fatta nella forma di plugin per QGIS. Questa scelta, operata in quanto QGIS è il software GIS più ampiamente utilizzato nella comunità scientifica in generale e in quella sismologica in particolare, ci permette di avvalerci della grande flessibilità di QGIS e del suo sistema di estensione di funzionalità, nonché di poter contare potenzialmente sulla collaborazione della comunità di sviluppatori che ruota intorno a questa piattaforma.

Appena installato, il plugin è già preconfigurato con varie tipologie di dati e prodotti sismologici pubblicati dall’INGV o da altre organizzazioni tramite servizi web standardizzati a livello internazionale, servizi anche chiamati con l’acronimo API, Application Programming Interface. I dati scaricati vengono caricati automaticamente in QGIS come strati informativi (“layer”) vettoriali o raster, a seconda del tipo di dato e vengono automaticamente associati a uno stile o a una simbologia predefinita. Per ogni layer sarà poi possibile accedere alle informazioni dettagliate tramite la tabella degli attributi o lo strumento di identificazione degli elementi visualizzati di QGIS.

QGIS è un software open source liberamente disponibile per i più diffusi sistemi operativi (Windows, macOS, Linux). Per installare QQuake è sufficiente avviare QGIS, 1) aprire la finestra di dialogo per gestire i plugins, 2) cercare e installare QQuake, e poi 3) cliccare l’icona di QQuake nella barra degli strumenti (Fig. 1).

Cliccando sull’icona di QQuake verrà mostrata la finestra di dialogo del plugin (Fig. 2) da cui sarà possibile scegliere la tipologia di dati e applicare eventuali parametri per filtrare i dati per poi avviarne il caricamento. Il tempo di caricamento dipenderà da alcuni fattori: la velocità della propria connessione a Internet, la quantità di dati che soddisfano i parametri di ricerca e la velocità del servizio web gestito dall’organizzazione che fornisce i dati scelti.

Nella parte in alto della finestra è possibile selezionare la categoria di dati, quelli attualmente disponibili sono:

1. Earthquake parameters. Per ottenere i parametri dei terremoti archiviati nei cataloghi di terremoti gestiti da varie organizzazioni, ciascuna con diverse coperture temporali o geografiche. I cataloghi forniscono molti parametri che descrivono i terremoti, tra cui le coordinate geografiche degli epicentri, la stima della magnitudo o la profondità degli ipocentri. Lo standard adottato per l’interrogazione e il trasferimento dei dati è chiamato fdsnws-event.
2. Macroseismic data. Per scaricare le intensità macrosismiche associate a ciascun terremoto selezionato, forniscono la lista degli effetti causate dal terremoto sulle località abitate, effetti espressi in termini di classi intensità da 1 a 12, dal più basso 1 (non avvertito), al più alto 12, grandemente catastrofico. Le intensità seguono le classificazioni di una delle scale macrosismiche, tra le più diffuse nel territorio italiano sono la scala Mercalli-Cancani-Sieberg o la European Macroseismic Scale 1998 (EMS-98). Lo standard adottato per l’interrogazione e il trasferimento dei dati è chiamato AHEAD macroseismic service. 
3. Seismic stations. Per scaricare informazioni relative alle stazioni di monitoraggio che sono organizzate in reti di monitoraggio sismico. Per ciascuna stazione è disponibile la rete di monitoraggio di appartenenza, l’organizzazione che la gestisce, la posizione della stazione, la data di prima installazione, la data di eventuale dismissione. Lo standard adottato per l’interrogazione e il trasferimento dei dati è chiamato fdsnws-station.
4. OGC services. Questa categoria generale può contenere varie tipologie di dati, la sigla OGC infatti sta per Open Geospatial Consortium e indica l’elenco degli standard adottati per il trasferimento dei dati. Questi alcuni dei dati che sono preimpostati in QQuake:

• TINITALY, un modello digitale del terreno che rappresenta la sua elevazione che copre l’intero territorio italiano con una griglia a risoluzione di 10 metri.
• Valori di accelerazione al suolo (PGA, Peak Ground Acceleration) e di accelerazione spettrale (SA, Spectral Acceleration) forniti dal modello di pericolosità sismica dell’Italia chiamato “MPS04”, ovvero il modello di riferimento scelto dalla normativa sismica nazionale attualmente in vigore.
• Modelli delle sorgenti sismogenetiche “DISS” a scala nazionale e “EFSM20” a scala europea.
• Catalogo degli tsunami storici europeo chiamato “EMTC” e catalogo degli effetti degli tsunami sulle coste italiano chiamato “ITED”.
• Modello di pericolosità da tsunami “NEAMTHM18” per l’area dell’Atlantico nordorientale, del Mar Mediterraneo e i mari connessi.

Ciascuna categoria di dati selezionati offre diverse tipologie di filtri e parametri di ricerca, elementi che aiutano a cercare l’insieme di dati di interesse. Ciascuna tipologia di dati e servizi di accesso agli stessi sono legati a standard diversi, ciascuno con meccanismi e possibilità di interrogazione diversi. Ad esempio per l’accesso ai parametri dei terremoti o per i dati macrosismici sarà possibile aggiungere dei filtri temporali basati sulla data del terremoto, filtri geografici basati sulla posizione dell’epicentro o filtri basati sulla magnitudo stimata del terremoto.

Ogni dato disponibile in QQuake è corredato da informazioni utili per capirne la natura e la provenienza. Laddove disponibili, sono indicati gli autori, l’organizzazione responsabile, le pubblicazioni scientifiche collegate e la licenza associata. La maggior parte dei dati disponibili sono associati a licenze di tipo Creative Commons che obbligano gli utenti a citare la fonte; per questo motivo è sempre disponibile in QQuake la citazione bibliografica da usare.

Ci sforziamo di migliorare sempre QQuake, ed in ogni nuova versione cerchiamo di aumentare il numero di dati disponibili, migliorare la comodità di utilizzo e cerchiamo di risolvere eventuali problemi di funzionamento che sono riscontrati dagli utenti.

Le seguenti quattro mappe (Fig. 3) mostrano esempi di dati ottenibili usando QQuake, dove lo sfondo è il modello digitale del terreno “TINITALY” e l’unico dato non scaricabile tramite il plugin sono i confini delle province che provengono dal sito web dell’ISTAT.

Oltre ai dati preimpostati, QQuake permette agli utenti di aggiungere nuove fonti di dati per ciascuna delle tipologie di dati disponibili. E’ possibile poi condividere queste configurazioni personalizzate con altre persone semplicemente inviando via email la configurazione che l’utente può salvare in locale.

E’ possibile trovare informazioni ulteriori sullo sviluppo di QQuake leggendo l’articolo scientifico dal titolo “QQuake, a QGIS Plugin for Loading Seismological Data From Web Services”. In questo articolo sono presentate le funzionalità e la struttura del plugin e alcuni dettagli del suo funzionamento all’interno del software QGIS (Fig. 4).

QQuake è un plugin open source disponibile su GitHub. La sua struttura è modulare e ruota attorno a file in formato JSON di configurazione, uno per ciascuno standard di interrogazione e trasferimento dati supportati. Chiunque sia interessato ad aggiungere nuovi dati preimpostati può suggerirli direttamente sulla piattaforma GitHub aprendo una nuova issue. Nello spirito che contraddistingue i software open source, anche nel caso in cui si riscontrino malfunzionamenti è sufficiente aprire una issue e gli sviluppatori cercheranno di risolvere i problemi il prima possibile.

Lo sviluppo di QQuake è un caso tangibile di condivisione di dati scientifici che rispettano i principi FAIR dei dati (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable, ovvero reperibili, accessibili, interoperabili e riutilizzabili) mettendo così in pratica il paradigma della Scienza Aperta (Open Science).

QQuake sfrutta il lavoro ultradecennale per la standardizzazione dell’accesso ai dati condotto del Thematic Core Service (TCS) Seismology nell’ambito dell’infrastruttura European Plate Observing System (EPOS). EPOS è un ERIC, un’infrastruttura di ricerca europea che mira a fornire servizi integrati per la scienza della Terra solida, basati su dati, prodotti e software provenienti da diverse discipline e fonti.

Il TCS Seismology, il gruppo tematico per la sismologia, è coordinato dalle tre principali organizzazioni europee del settore insieme alle loro rispettive comunità scientifiche: ORFEUS (Observatories and Research Facilities for European Seismology), EMSC (Euro-Mediterranean Seismological Center) e EFEHR (European Facilities for Earthquake Hazard and Risk). Per avere maggiori informazioni sul TCS Seismology è possibile consultare la pubblicazione dal titolo “Coordinated and Interoperable Seismological Data and Product Services in Europe: the EPOS Thematic Core Service for Seismology”. Questo articolo presenta le sfide tecniche e operative, l’evoluzione, le attività in corso e la struttura di governo del TCS Seismology e spiega il ruolo di ciascuna organizzazione: ORFEUS si occupa di gestire i dati di base, ovvero le forme d’onda registrate dalle stazioni sismiche strutturate in reti sismiche, EMSC si occupa della gestione dei parametri dei terremoti e della loro comunicazione nel minor tempo possibile ai ricercatori e soprattutto alla popolazione, ed EFEHR gestisce l’accesso aperto ai prodotti sismologici più complessi e aggiornati nell’ambito della pericolosità e del rischio sismico.

In conclusione, QQuake è un plugin per QGIS che semplifica il caricamento di dati sismologici in QGIS, offrendo agli utenti un facile accesso a una varietà di dati e prodotti sismologici provenienti da diversi servizi web. QQuake è anche un esempio di come la comunità sismologica europea si sia impegnata a fornire servizi coordinati e interoperabili nell’ambito dell’infrastruttura di ricerca gestita da EPOS ERIC, seguendo i principi FAIR e supportando la scienza aperta. 

English version

QQuake: a QGIS plugin that makes it easy to upload seismological data

Creating a map with seismological data can be an interesting job due to the incredible amount of data that can be found on the web. Our institution alone makes available, through web services, dozens of datasets of different nature that you may explore on our Open Data Portal: earthquakes parameters of the last centuries, recent seismicity recorded by our monitoring networks, seismogenic faults models, ground acceleration, data on tsunamis, and many others.

However, such data diversity leads to a jungle of many different websites, many data encoding formats and may require complex query strings to retrieve data from more or less complex systems. This complicated situation forces the user to spend quite some time identifying the correct and more recent data, understanding and perhaps converting data in other formats, with the consequence of increasing the overall time, and reducing the time spent focused on the scientific analysis. For all these reasons we decided to create a software that simplifies the loading of seismological data into a map.

This led to the creation of QQuake, a plugin for QGIS. We focused on QGIS as the reference platform because it is widely used in the scientific community, and in the seismological community in particular. In addition, it allowed us to easily take advantage of its great flexibility thanks to a robust plugin system, as well as to be able to count on the potential collaboration of the developer community that revolves around this open source platform.

Tight after its installation, the plugin is already preconfigured with various types of seismological data published by INGV as well as other organisations through internationally standardised web services, or API, Application Programming Interface. The downloaded data is automatically transformed into QGIS layers, available both as vector or raster layers depending on the data type, and a predefined symbology is applied. Users will be able to retrieve information about each layer via the attribute table or the native QGIS identification tool.

QGIS is an open source software freely available for the most popular operating systems (Windows, macOS, Linux). To install QQuake simply start QGIS, 1) open the dialog box to manage plugins, 2) search for and install QQuake, and then 3) click the QQuake icon in the toolbar (Fig. 1).

 By clicking on the QQuake icon, the plugin dialog box will appear (Fig. 2) letting the user choose among various data types, apply a parametric filtering of the data and then launch the download from the selected data services. The loading time will depend on a few factors: the speed of your internet connection, the amount of data that satisfies the filtering parameters, and the speed of the web service operated by the organisation managing the data.

At the top of the QQuake dialog box you can select the category of data, the ones currently available are:

1. Earthquake parameters. Earthquake parameters are structured in the form of earthquake catalogues maintained by various organisations, each with different temporal or geographic coverages. Catalogues provide many parameters that describe earthquakes, including the geographic coordinates of epicentres, magnitude estimation, or depth of hypocentres. The standard adopted for querying and transferring data is called fdsnws-event.
2. Macroseismic data. Macroseismic intensities associated with each earthquake satisfying the filtering parameters, provide the list of the effects caused by an earthquake on inhabited localities, effects expressed in terms of intensity classes from 1 to 12, from the lowest 1 (not felt), to the highest 12 (greatly catastrophic). The intensities follow the classifications of one of the macroseismic scales, among the most widespread in Italy are the MCS, Mercalli-Cancani-Sieberg scale, or the EMS-98, the European Macroseismic Scale 1998. The standard adopted for querying and transferring data is called AHEAD macroseismic service. 
3. Seismic stations. Monitoring stations are organised into more or less big seismic monitoring networks, networks that
   can be permanent or installed for a period of time, typically during a seismic sequence or a scientific project. For each station, the data downloaded will report many parameters, such as the monitoring network code to which it belongs, the organisation that manages it, the location of the station, the date of first installation, and the date of possible decommissioning. The standard adopted for querying and transferring this type of data is called fdsnws-station.
4. OGC services. This category may contain a broad variety of data types. The acronym OGC in fact stands for Open Geospatial Consortium and indicates a list of multiple standards adopted for data transfer and encoding, and may provide both vector and raster data. These are some of the data that are built-in in QQuake:

• TINITALY, a digital model of the terrain that represents its elevation that covers the entire Italian territory with a 10-metre resolution grid.
• Ground acceleration (PGA, Peak Ground Acceleration) and spectral acceleration (SA) values provided by the seismic hazard model called “MPS04“, i.e. the reference model chosen by the national seismic regulations currently in force.
• Models of seismogenic sources “DISS“ at national scale and “EFSM20” at European scale.
• Catalogue of historical European tsunamis called “EMTC“ and catalogue of the effects of tsunamis on the Italian coasts called “ITED“.
• “NEAMTHM18” tsunami hazard model for the Northeast Atlantic, Mediterranean Sea and connected seas.

Each data category offers a different set of filters and search parameters, which help you search for the data set you are interested in. Each type of data and its access services are linked to different international standards, each with different querying mechanisms and capabilities. For example, for accessing earthquake parameters or macroseismic data, users may apply a filter based on the date of the earthquake, a geographical filter based on the location of the epicentres or apply filters based on the estimated magnitude of the earthquake.

Each data provided via QQuake is accompanied by useful information that helps to understand their nature and provenance. When available, also the authors, the responsible organisation, the related scientific publications and the associated licence are provided. Most of the available data is associated with Creative Commons licences that request the users to cite the source, which is why we provide a ready to use bibliographic citation associated with each built-in data source.

We strive in improving QQuake, and in each new version we try to increase the number of predefined data available, improve its usability and try to solve any encountered bug.

The following four maps (Fig. 3) show examples of data that can be obtained using QQuake, where the background is the digital terrain model “TINITALY” and the only data that cannot be downloaded through the plugin are the borders of the Italian provinces that can be downloaded from the ISTAT website.

In addition to the built-in data sources, QQuake allows users to add new sources for each of the supported data types. It is then possible to share these custom configurations with other people by simply emailing the configuration that can be saved locally in a JSON file.

You can find more information about the development of QQuake by reading the scientific article “QQuake, a QGIS Plugin for Loading Seismological Data From Web Services”. This article presents the functionality and structure of the plugin and some details of how it works within the QGIS software (Fig. 4).

QQuake is an open-source plugin available on GitHub. Its structure is modular and revolves around multiple configuration files in JSON, one for each of the supported web service standards. Anyone interested in adding new predefined data can suggest it directly on the GitHub platform by opening a new issue. In the spirit that distinguishes open source software, even in the event of malfunctions, we welcome users providing their feedback by opening issues, we will try to solve the problems as soon as possible.

The development of QQuake is a tangible case of sharing scientific data conforming to the FAIR data principles (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable), thus putting into practice the paradigm of Open Science).

QQuake leverages a decade-long effort of the Thematic Core Service (TCS) Seismology to standardise data access as part of the European Plate Observing System (EPOS) infrastructure. EPOS is an ERIC, a European research infrastructure that aims to provide integrated services for solid Earth science, based on data, products and software from different disciplines and sources.

The TCS Seismology is coordinated by the three main European organisations active in the field, supported by their respective scientific communities: ORFEUS (Observatories and Research Facilities for European Seismology), EMSC (Euro-Mediterranean Seismological Center) and EFEHR (European Facilities for Earthquake Hazard and Risk). For more information on TCS Seismology, please consult the publication “Coordinated and Interoperable Seismological Data and Product Services in Europe: the EPOS Thematic Core Service for Seismology”. This article presents the technical and operational challenges, the evolution, the ongoing activities and the governance structure of TCS Seismology and explains the role of each organisation: ORFEUS is responsible for managing the basic data, i.e. the waveforms recorded by the seismic stations structured in seismic networks, EMSC is responsible for managing the parameters of earthquakes and communicating them in the shortest possible time to researchers and especially to the population, and EFEHR manages the most complex and up-to-date seismological products in the field of seismic hazard and risk.

In conclusion, QQuake is a plugin for QGIS that makes it easy to load seismological data into QGIS, giving users easy access to a variety of seismological data and products published by many working groups affiliated to various organisations. QQuake is also an example of how the European seismological community has committed to providing coordinated and interoperable data access within the research infrastructure managed by EPOS ERIC, following the FAIR principles and supporting the Open Science paradigm.

A cura di Mario Locati (INGV-MI), Roberto Vallone (INGV-Roma1) e Giorgio Maria De Santis (INGV-ONT)

Licenza

Quest’opera è distribuita con Licenza Creative Commons Attribuzione – Non opere derivate 4.0 Internazionale.