GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS E SCIENZE SOCIALI. PowerPoint lezioni di Informatica Applicata Laboratorio Avanzato

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1 Anno Accademico GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS E SCIENZE SOCIALI PowerPoint lezioni di Informatica Applicata Laboratorio Avanzato Stefano Campana Dipartimento di Archeologia e Storia delle Arti INTRODUZIONE AI GIS

2 Scienze sociali e spazio Tutte le scienze (con la sola eccezione di quelle logico-formali: ad esempio la logica o la matematica) si occupano dello studio di fenomeni che avvengono irrimediabilmente all interno della dimensione spaziotemporale. Qualsiasi cosa accada, avviene sempre all interno dello spazio e del tempo Scienze sociali e spazio La storia, e con essa tutte le discipline storiche come l archeologia, antropologia o la geografia storica, non sono certo un eccezione a tutto questo. La narrazione storica ad esempio ha da sempre a che fare con eventi e processi che avvengono all interno di una cornice delimitata dal tempo e dallo spazio: c era una volta in un castello Tale ragionamento appare subito impregnato di una logica e di una razionalità ben evidente ed esplicita, è però innegabile che gran parte delle scienze umane e sociali, hanno faticato, e hanno trovato molte difficoltà nell utilizzo dell analisi e dello studio della dimensione spaziale, o del contesto spaziale nei processi d indagine tesi alla comprensione della storia.

3 Scienze sociali e spazio Un esempio chiaro di questa assenza disciplinare viene da una tra le più importanti scienze sociali: l economia. Anche se è vero che l economia classica si occupa dello studio di sistemi reali e concreti, fortemente condizionati da fattori e variabili spaziali, essa giunge alla formulazione di sintesi e modelli posti all interno di una realtà astratta totalmente scollegata dalla nozione di spazio. Le difficoltà che le scienze umane e sociali hanno trovato nell applicazione del concetto di spazio è innegabile. Scienze sociali e spazio Perché: 1. le discipline sociali nel loro complesso sono state legittimamente autorizzate (da una riflessione critica o meno) a considerare del tutto superfluo l approccio formale? 2. l approccio a spaziale delle discipline storico sociali verso i loro oggetti di studio, dipendere da stadi ancora prematuri nell evoluzione dei contesti e degli apparati metodologici.

4 Prima di definire il rapporto tra la tecnologia GIS e le scienze sociali dobbiamo prima capire che cosa si intende con il termine GIS: L acronimo inglese GIS ci si riferisce ai termini Geographic Information System tradotti in italiano con Sistema Informativo Territoriale (SIT) Con l acronimo GIS si può indicare 1 - Un tipo di software 2 - Un pacchetto di applicazioni ovvero un sistema informativo 3 - Un approccio analitico ovvero di tipo spaziale Principali campi di applicazione della tecnologia GIS: 1. pianificazione territoriale 2. gestione di reti tecnologiche 3. monitoraggio ambientale 4. salvaguardia dei beni culturali e turismo 5. simulazione del traffico 6. piani di disinquinamento 7. cartografie tematiche: cartografie geologiche, sismiche, di uso del suolo 8. piani Regolatori Urbanistici e di settore 9. gestione di pratiche catastali 10. studi di impatto ambientale 11. gestione del patrimonio edilizio

5 Principali campi di applicazione della tecnologia GIS: pianificazione e gestione urbanistica Principali campi di applicazione della tecnologia GIS: pagine gialle

6 Principali campi di applicazione della tecnologia GIS: pagine gialle Principali campi di applicazione della tecnologia GIS: pagine gialle

7 Applicazioni 12. controllo della produzione agricola 13. marketing territoriale (geomarketing) 14. analisi socio-economiche 15. pianificazione di reti distributive 16. analisi della domanda di servizi 17. emergenze e Protezione Civile 18. difesa e sicurezza nazionale 19. servizi di localizzazione 20. ecc Queste applicazioni costituiscono un elenco tutt altro che esaustivo che ha il solo scopo di mostrare in quanti campi i SIT sono oggi operativi e suggerire quanti altri settori potrebbero essere in futuro coinvolti da questa nuova tecnologia. PERCHÉ I GIS SONO COSÌ IMPORTANTI?

8 I Sistemi Informativi I sistemi informativi sono nati dall esigenza di disporre di potenti strumenti per la raccolta e l elaborazione delle informazioni, al fine di poter mettere al disposizione dei responsabili di decisioni operative, tutte le informazioni necessarie per effettuare le migliori scelte possibili. Se prendiamo in considerazione un qualsivoglia processo decisionale, ci rendiamo conto che alla base di qualsiasi ponderata decisione c è la necessità di consultare informazioni organizzate. I Sistemi Informativi Il motore dei sistemi informativi è in genere costituito da una banca dati che può essere per le applicazioni più semplici di tipo lineare mentre per l organizzazione di dati complessi sarà di tipo relazionale o ad oggetti. I sistemi informativi sono strumenti estremamente potenti per descrivere le caratteristiche pertinenti a qualsiasi tipo di oggetto e attività identificabili tramite una coppia di coordinate geografiche. y, o meglio: Nord x, o meglio: Est

9 I Sistemi Informativi Nell uso di sistemi di coordinate geografiche vi è la chiave di volta e la genialità dell applicazione! I sistemi di riferimento geografici costituiscono la base comune, il linguaggio adottato da storici, archeologi, umanisti in genere, cartografi, architetti, ingegneri, geologi, botanici ognuno per descrivere le proprie informazioni Un linguaggio o se vogliamo più propriamente uno strumento che però assume FORMA DI COMUNICAZIONE COMUNE a tutti coloro interagiscono con lo SPAZIO consentendo lo scambio di dati e la loro integrazione Specificità dei GIS Quasi tutti gli eventi che si svolgono nel mondo reale hanno in comune di verificarsi in luoghi ben precisi Essere in grado di descrivere con precisione il dove oltre al cosa è la caratteristica specifica dei Sistemi Informativi Territoriali. Un sistema informativo si dice quindi Territoriale quando è progettato per operare con dati riferiti allo spazio geografico.

10 Specificità dei GIS: risolvere problemi geografici Facciamo un passo indietro per tornare all acronimo GIS Abbiamo già visto che questo può essere associato ad almeno tre definizioni: 1 - Un tipo di software 2 - Un pacchetto di applicazioni ovvero un sistema informativo 3 - Un approccio analitico ovvero di tipo spaziale Sul mercato sono disponibili numerosi prodotti software che rientrano nella categoria dei GIS. Tra questi i più diffusi di tipo commerciale sono ArcInfo e ArcGIS (ESRI), MapInfo, MacMap, MacGIS, MapGrafix. Questi soft costituiscono l interfaccia grafica che consente di visualizzare dati geografici e operare analisi spaziali sugli stessi.

11 Esempio dell interfaccia del software ArcView I software GIS Esistono altri tipi di software non commerciali appartenenti al cosiddetto ambiente dell Open-source (Un prodotto Open-source consiste in un programma completamente gratuito nel quale si ha libero accesso al codice sorgente che può essere modificato e implementato). Tra i GIS open-source per eccellenza troviamo Grass nato in seno all esercito americano tra l 82 e il 95 e ora scaricabile gratuitamente ( e utilizzabile in diversi ambienti operativi, Linux, Mac, Windows. phpgis, OpenSVGMapServer, MapServer, Diva-GIS, Christine-GIS.

12 Esempio dell interfaccia del software GRASS Con l acronimo GIS si può indicare: 2 Un insieme di applicazioni, di conoscenze e di macchine L insieme delle apparecchiature hardware (computer, Scanner, Stampanti, GPS, Fotocamere, masterizzatori, ecc.) delle applicazioni software (programmi per la visualizzazione di dati geografici, basi dati alfanumerici, image processing, utilities varie, ecc.) e delle persone (con le rispettive competenze) che hanno il compito di acquisire, organizzare, elaborare e restituire dati alfanumerici e geografico-territoriali riguardanti un organizzazione al fine di mettere a disposizione dei responsabili delle decisioni operative tutte le informazioni necessarie per effettuare le migliori scelte possibili.

13 Schema sintetico di un SIT Il concetto di dato territoriale Dati territoriali per eccellenza sono la rappresentazione di tutti gli elementi fisici che occupano la superficie terrestre: fiumi, città, ponti, alberi, ecc Questo termine deve essere inteso anche in senso lato: Un SIT è infatti in grado di gestire dati di cartografia numerica georeferenziata (in coordinate metriche), dati descrittivi direttamente associati agli elementi rappresentati sulla cartografia ma anche qualsiasi altro dato indirettamente georiferibile.

14 Esempi di dato territoriale rappresentabile indirettamente: forme secondarie di georeferenzizione le banche dati anagrafiche possono essere georiferite al territorio attraverso gli indirizzi stradali dati statistici di censimento possono essere associati alle singole perimentrazioni dei comuni attraverso il codice ISTAT le indicazioni sui lavori di manutenzione delle strade possono essere georiferite lungo il tracciato numerico della strada attraverso le progressive chilometriche Equivoci I SIT sono spesso confusi con altri tipi di sistemi quali: CAD- Computer Aided Design = sistemi per la progettazione assistita dall elaboratore AM/FM- Automated Mapping and Facility Managment = Cartografia automatica e gestione di reti tecnologiche DBMS- Data Base Managment Systems = Sistemi per la gestione di data base

15 Equivoci I SIT si distinguono da tutti questi sistemi in particolare per la capacità di integrare dati georiferiti attraverso strumenti di analisi quali: La selezione e la ricerca spaziale La sovrapposizione automatica di livelli geografici (map overlay) La generazione di aree di rispetto o di influenza (buffer) La generazione di modelli digitali del terreno (DTM) Ecc Equivoci In sostanza i SIT hanno finalità ben più ampie rivolte essenzialmente all analisi integrata di informazioni georiferite al territorio al fine di mostrare i dati in vari modi e secondo vari punti di vista. La direzione verso cui i SIT stanno evolvendo è soprattutto rivolta al mercato del consumatore: Internet, cellulari, palmari, navigatori satellitari. Sono cioè le nuove tecnologie su cui sono promossi servizi di localizzazione basati sull informazione geografica: dove sei, dove vuoi andare, cosa stai cercando, come arrivarci nel più breve tempo possibile

16 Con l acronimo GIS si può indicare: 3 - Un approccio analitico ovvero di tipo spaziale Le caratteristiche distributive rappresentano di per se uno dei segni distintivi di un fenomeno. Tale caratteristica sarà chiamata di seguito anche struttura spaziale Si pensi ad esempio alle stelle. È del tutto lecito sostenere che la struttura spaziale delle stelle (cioè, come queste sono effettivamente disposte fisicamente nello spazio) rappresenti una delle caratteristiche dell Universo. Se le stelle fossero disposte in un altro modo, sicuramente le caratteristiche dell Universo (come massa, velocità, o età) sarebbero diverse. Lo stesso principio può essere esteso a qualsiasi altro campo scientifico che abbia a che fare con la realtà concreta 3 - Un approccio analitico ovvero di tipo spaziale Un bosco, ad esempio, potrebbe essere composto da un numero variabile di piante, e da questo risultare più o meno densamente popolato. Ma la densità non è tutto. Fatto indiscutibile è che le particolarità distributive delle piante rappresentano una caratteristica (un attributo) di questo bosco. Per particolarità distributive s intende il modo in cui gli elementi che compongono un certo fenomeno (così come gli alberi compongono il bosco, o le stelle l universo) sono effettivamente distribuiti al suo interno. Il punto che qui si vuole trattare è il seguente: la struttura spaziale rappresenta non solo un generico elemento distintivo di un certo fenomeno, ma costituisce a sua volta un indice di grande importanza capace di rivelare caratteristiche strutturali e funzionali sul fenomeno studiato.

17 3 - Un approccio analitico ovvero di tipo spaziale Così, la distribuzione delle piante all interno del bosco, non solo lo distingue in senso generico da altri boschi, ma fornisce al ricercatore indicazioni sulle sue caratteristiche. Perché la struttura distributiva delle piante potrebbe essere causa ed effetto di altri fenomeni studiati nel bosco: la diffusione di una certa malattia potrebbe essere un effetto della struttura spaziale la distribuzione di una certa specie di pianta piuttosto che un altra potrebbe essere causa del tipo di suolo 3 - Un approccio analitico ovvero di tipo spaziale Il bosco a presenta un indice di dispersione molto elevato rispetto a quello b. Le caratteristiche distributive nel caso dei due boschi non hanno un ruolo secondario; non hanno solo un effetto sull armonia estetica del bosco. L indice di dispersione delle piante condizionerà in modo grave il rischio di incendi, la capacita complessiva di resistere al vento, la possibilità di propagazione delle malattie al suo interno, ecc.

18 Strutture spaziali, GIS e scienze umane È chiaro a questo punto che problemi di distribuzione possono avere grande importanza e peso in processi d indagine relativi alle scienze naturali. Ma quanto sia importante lo spazio nella ricerca sull uomo non è immediatamente intuibile nonostante questo sia spesso oggetto o soggetto della ricerca sociale. Nonostante ogni attività umana e l uomo siano costantemente immersi all interno di una dimensione spazio temporale è molto difficile cogliere l importanza della dimensione spaziale. Strutture spaziali, GIS e scienze umane Per comprendere in modo più dettagliato l importanza dello spazio nei processi sociali, è utile procedere alla formulazione di un esempio: Due insediamenti: a e b. Questi due siti saranno qualificati come centri. Per centri, s intende che essi sono caratterizzati da una popolazione consistente, un mercato e altre strutture di servizio. Per questo motivo potremo qualificarli come centri di servizio. Si dovrà inoltre immaginare che essi siano posti a una distanza consistente l uno dall altro, restando sempre e comunque all interno di un unico ambito territoriale. In generale si potrà affermare che i centri di servizio a e b siano equivalenti; cioè essi svolgono la stessa quantità e tipologia di servizi.

19 Strutture spaziali, GIS e scienze umane In mezzo allo spazio che divide questi due grandi centri, lungo la strada che collega appunto a a b, si collocano a 1/6, a 1/3 e a 1/2 della distanza tra a e b, tre piccoli insediamenti composti da pochi individui (una o due unità familiari), con funzione specializzata nella produzione agricola Strutture spaziali, GIS e scienze umane I tre siti hanno lo stesso numero di abitanti e la stessa forza lavoro. Si parte così dall ipotesi che la produzione agricola servirà principalmente per il sostentamento della popolazione di ogni singolo stanziamento. La produzione eccedente avrà un valore e potrà essere trasformata in capitale o scambiata solo se piazzata nel mercato dei centri di servizio. Se la produzione dovrà essere trasportata da ogni insediamento verso il centro a. Oltre al costo di produzione si aggiunge anche il costo di trasporto. Costi totali = x (= costo di produzione) + y (costo della percorrenza di 1/6 della distanza tra a e b). x + y x + 2y x + 3y

20 Strutture spaziali, GIS e scienze umane Non è difficile capire allora, come la posizione nello spazio abbia fortemente condizionato le funzione e le caratteristiche dei tre abitati malgrado le condizioni iniziali fossero le stesse. Tutto questo a discapito degli insediamenti più lontani dal centro di servizio. È però vero che i contadini dell abitato di mezzo, cioè quelli posti esattamente a metà tra i centri a e b, avranno, a differenza di quelli posti a 1/6 e 1/3, la possibilità di scegliere se esiste una convenienza per loro nel distribuire i prodotti nel mercato del centro a o in quello del centro b. Lo spazio non rappresenta solo un palcoscenico all interno del quale viene rappresentata la fenomenologia dell esperienza sociale. Lo spazio non è un attore passivo E bensì uno degli agenti più forti dell intera esperienza umana A cosa serve quindi il GIS nelle scienze umane? Collocare le analisi storiche nello spazio determinando e illustrando le trasformazioni nel tempo Interpretazione di testi in relazione a carte storiche Indicizzare fonti in base alla collocazione spaziale e temporale Analisi e consultazione della distribuzione di fonti letterarie, opere d arte, oggetti della cultura materiale Accesso a cataloghi di beni culturali, siti e monumenti tramite mappe interattive Identificazione di aree geografiche in base a caratteri linguistici, etnici e culturali Pubblicazioni multimediali di dati geografici Ecc

21 LE COMPONENTI DEI GIS Le componenti di un GIS sono:

22 Hardware Hardware 1 Mb un unico dato o livello informativo pertinente ad un area ristretta 1 GB vari livelli informativi peritinenti ad una piccola città (Siena) oppure la rete stradale di una grande città (New York) 1 TB SIT di una grande città o di una regione italiana oppure DTM della superficie terrestre con passo si campionamento di 30 m 1 PB Immagini da satellite di tutta la superficie terrestre con 1 m di risoluzione

23 Software E considerato a ragione il motore di un sistema informativo ed composto da: 1. Software di base (Sistema operativo Unix; Win; Mac OS; Linux) linguaggi di programmazione Visual Basic; Visual C; C++; ecc.), soft per la gestione della rete (TCP/IP) 2. Software per la gestione di dati territoriali comunemente detto software GIS 3. Software per la gestione di data base Procedure applicative Acquisizione dati (fotointerpretazione, attribuzione codici, ecc.) Retituzione dei dati (legende, titoli e quant altro utile alla lettura dei dati) Gestione degli archivi (accessi alle banche dati e procedure di archiviazione) Aggiornamento dei dati (procedure simultanee di aggiornamento dei dati grafici e descrittivi) Elaborazioni dei dati (creazione di viste di sintesi; estrazione di dati statistici da dati geografici) Modelli di simulazione (modelli per valutazioni di mercato o reti insediative storiche) Modelli di rappresentazione (restituzioni semplificate di elaborazioni complesse) Interfacce utente (progettazione di accessi ai dati da parte di operatori non esperti)

24 Le banche dati Le informazioni contenute nel SIT sono organizzate in strutture logiche appositamente studiate per le applicazioni previste. Banca dati alfanumerica = dati descrittivi associati tramite un codice definito identificatore (ha la caratteristica di essere unico) ai tematismi grafici Banca dati geografici = cartografia tecnica, tematica, storica, immagini aeree e da satellite Banca dati alfanumerica

25 Banca dati geografici I dati territoriali possono essere distinti in: Cartografia che a sua volta può essere distinta in tecnica, tematica, storica Dati telerilevati che comprendono, foto aeree che possono essere storiche o recenti, verticali o oblique, scanner iperspettrali, immagini da satellite (pancromatiche, multispettrali, radar) Modelli digitali del terreno e molti altri tipi di dati ancora Cartografia IGM La produzione dell IGM si articola in: Carte topografiche in scala 1:25.000, 1:50.000, 1: Carta a media-piccola scala la carta d Italia a 1: , 1: , 1: (costituita da 15 fogli) Spaziocarta mosaico in scala 1: di immagini pancromatiche da saltellite (SPOT) Carte speciali carte aeronautica d Italia (1: ), carta magnetica d Italia (1: ), carta archeologica d Italia (1: ), carte di territori limitati.

26 Cartografia IGM Carta topografica d Italia serie 100: quadro d'unione Esempio di un quadrante IGM in scala 1:25.000

27 Particolare di un quadrante IGM in scala 1: Cartografia Tecnica Regionale La cartografia prodotta dagli enti regionali è fondamentalmente rivolta a costituire il supporto per le attività di pianificazione e si può distinguere in due grandi categorie di base e tematica Cartografia di base o meglio CTR = Carta Tecnica Regionale presenta di solito una scala tra 1:5.000 e 1: Carte tematiche: carte dell uso dei suoli, carte pedologiche e geologiche, carte delle pendenze, dei dissesti, dell idrografia, delle caratteristiche climatiche, carte inerenti agli aspetti naturali (caratteristiche della flora, vegetazione, fauna, ecc) e ai vincoli (riserve naturali, aree archeologiche, ecc.), carte mosaico degli strumenti urbanistici.

28 Cartografia Tecnica Regionale Carta Tecnica della Regione Toscana in scala 1:10.000: quadro d'unione Esempio di una sezione della CTR in scala 1:10.000

29 Particolare di una sezione della CTR in scala 1: Cartografia storica Possiamo distinguere almeno due grandi gruppi di carte geodetiche e pre-geodetiche. Le prime possono essere modificate in modo da potere essere rappresentate in ambiente GIS Le seconde a causa dell assenza di criteri geometrici unitari non possono essere georeferenziate e quindi acquisite in ambiente GIS. Con ciò sia ben chiaro che queste continuano a costituire una fonte di informazione di estremo interesse.

30 Cartografia storica non geodetica: esempio di una Pianta dei Capitani del Bigallo Cartografia storica geodetica: catasto leopoldino

31 Le fotografie aeree Qualunque fotografia ripresa dall alto si può considerare una fotografia aerea. Le fotografie aeree sono essenzialmente di due tipi: verticali e oblique Questa definizione è in stretta relazione con l inclinazione dell asse ottico della camera fotografica Le fotografie aeree Le fotografie verticali sono molto raramente acquisite a fini archeologici. In genere vengono prodotte con fini cartografici Le coperture verticali sono consultabili presso gli Uffici Cartografici Provinciali e Regionali, IGM, compagnie di riprese

32 Fotografie aeree Georeferenziazione = associazione di coordinate geografiche alle coordinate interne Mosaicatura = unione in un unico documento delle fotografie di solito con il taglio delle sezione 1: della CTR Immagini da satellite Ikonos-2 QuickBird-2

33 Modelli digitali del terreno (DEM o DTM): a livello macro, ad esempio, l intera Regione Toscana Modelli digitali del terreno (DEM o DTM): a livello macro, ad esempio, l intera Provincia di Siena

34 Confronto tra modelli digitali del terreno: Toscana e Provincia di Siena Da Regione Toscana risoluzione a 100m Da Provincia di Siena risoluzione a 10m Modelli digitali del terreno (DEM o DTM): a livello micro, ad esempio, una piccola collina con una superficie inferiore ad 1 ettaro e risoluzione di 50 cm

35 Componente umana Le persone svolgono un ruolo essenziale in un sistema informativo pertanto devono essere preparate e formate in modo adeguato rispetto alle attività che dovranno svolgere Può sembrare del tutto ovvio che la struttura organizzativa di un ente che gestisce un SIT deve essere pianificata come qualsiasi altra attività ciònonostante questo aspetto viene spesso trascurato con il risultato che a posteriori si improvvisano figure informatiche ed applicative non preparate a svolgere le attività a loro affidate. La crescente diffusione di corsi di laurea in GIS e geotecnologie sta rapidamente ponendo fine a questa situazione dettata soprattutto dal carattere pionieristico della disciplina MODELLI, STRUTTURE E FORMATI DEI DATI GEOGRAFICI

36 Le strutture dei dati geografici L informazione geografica, così come si presenta nel mondo reale, per poter essere utilizzata all interno di un SIT, deve essere interpretata. LA CARTA NON È IL TERRITORIO Il territorio e i suoi elementi sono ricondotti a modelli che ne evidenziano le caratteristiche utili a capire determinati fenomeni, solo quei fenomeni che di volta in volta siamo interessati a comprendere Il territorio o meglio la parte di esso che ci interessa deve essere tradotto, organizzato in strutture informatiche in modo che gli algoritmi matematici siano in grado di elaborarne la rappresentazione Le strutture dei dati geografici Un oggetto geografico può essere descritto in vari modi Esempio - un fiume Se la nostra necessità è di verificare che non ci siano fabbriche entro 150 m dagli argini dovremmo rappresentare il fiume secondo il disegno geometrico dei suoi argini Se abbiamo bisogno di capire come si distribuisce un prodotto inquinante scaricato da una certa fabbrica, dovremmo rappresentare l idrografia come una rete di segmenti connessi alle quali è stata assegnata una gerarchia ed il verso di scorrimento dell acqua

37 Le strutture dei dati geografici I diversi modi di rappresentare uno stesso oggetto geografico costituiscono i MODELLI, che contengono le logiche necessarie a trasformare i differenti concetti (nell esempio la forma del fiume o il flusso delle sue acque) in rappresentazioni numeriche dei dati. LA DEFINIZIONE DEL MODELLO COMPORTA LA SCELTA DI UNA STRUTTURA I dati geografici possono infatti essere strutturati in diversi modi ciascuno dei quali soddisfa particolari esigenze dell utente. Alcune strutture dei dati dipendono dalle apparecchiature con cui vengono acquisite altre si prestano meglio a specifiche esigenze Modelli di dati geografici Sappiamo che i SIT hanno la peculiarità di operare su dati geografici e descrittivi attraverso funzioni di analisi spaziale al fine di rispondere a domande sul mondo reale Sappiamo inoltre che i dati contenuti nei SIT sono dei modelli che evidenziano determinati aspetti della realtà Il compito peculiare del modello è rappresentare le ENTITÀ presenti nel mondo reale e le RELAZIONI che intercorrono tra di esse

38 Modelli di dati geografici: entità/relazione Esempio L entità persona può essere rappresentata attraverso il nome, cognome, dati anagrafici e di residenza L entità particella catastale (casa, fondo agricolo, ecc ) come un poligono chiuso descritto in coordinate geografiche con i suoi identificativi (comune di appartenenza, numero di mappa, numero di particella) La relazione tra l entità persona e l entità particella catastale è rappresentata attraverso il concetto di proprietà anch esso descritto nel modello. Modelli di dati geografici E importante insistere sul fatto che i modelli sono progettati per evidenziare solo determinati aspetti della realtà, quelli utili alle nostre analisi e quindi ai nostri obiettivi! Modelli molto complessi risulteranno difficili da gestire e molto costosi da aggiornare e mantenere Tutte pessime qualità per qualunque tipo di sistema informativo territoriale e non

39 Modelli di dati geografici Il modello dei dati è un insieme di costrutti che descrivono e rappresentano particolari aspetti del mondo reale in un computer. MONDO REALE Modello concettuale Il modello dei dati è un astrazione della realtà Modello logico Per poter rappresentare il mondo reale dobbiamo ragionare secondo tre differenti livelli di astrazione, man mano che passiamo da una rappresentazione più prossima ai ragionamenti umani verso una più idonea all uso dell informazione in un computer Modello fisico SISTEMA INFORMATIVO Modelli di dati geografici: livelli di astrazione Modello concettuale Partendo dal mondo reale e dai fenomeni che lo compongono (strade, centri abitati, fiumi e laghi, montagne, ecc.) il primo livello di astrazione è il modello concettuale, che descrive una selezione di oggetti e di processi caratterizzanti un particolare problema Esempio controllo flusso di TIR sulle autostrade Entità autostrada ovvero insieme di tratte lineari connesse e identificate, nodi di connessione, punti che identificano la posizione di ogni TIR

40 Modelli di dati geografici: livelli di astrazione Modello logico Il secondo livello di astrazione descrive le entità e le relazioni definite nel modello concettuale in modo orientato all implementazione del sistema ed è espresso in forma di diagrammi e liste Stiamo tornando verso ciò che avevamo visto per i DBMS. Infatti come per i data base anche per i SIT si usa il modello E/R (entità/relazione) o relazionale. Modelli di dati geografici: livelli di astrazione Modello fisico Il terzo livello di astrazione descrive in dettaglio i file, gli archivi e le tabelle e definisce i nomi e le dimensioni degli attributi, le relazioni tra le tabelle, la struttura e la topologia dei dati geografici, le fonti e le tecniche di acquisizione. Questo modello può essere descritto in un METADATI (informazione dell informazione), strumento estremamente utile per documentare le banche dati.

41 Le strutture dei dati geografici Le variabili che concorrono alla decisione di utilizzare un sistema di organizzazione al posto di un altro sono numerose, tra queste ne ricordiamo in particolare tre: OBIETTIVI STRUMENTI DI ACQUISIZIONE DEI DATI DISPONIBILITÀ DI SOFTWARE LA STRUTTURA VETTORIALE Il disegno vettoriale di una carta geografica comporta l uso di semplificazioni del mondo reale che derivano dalle possibilità grafiche offerte dagli strumenti tradizionali: dovendo rappresentare la localizzazione di una città su una carta che copre l intera Europa, individueremo la sua posizione con un punto e il suo nome con una scritta Dovendo rappresentare una strada che collega le due città, disegneremo una linea (più o meno spessa in funzione della dell importanza della strada) che segua l andamento reale del tracciato, congiungendo i due punti identificativi delle due città da collegare Dovendo rappresentare i confini di un parco nazionale disegneremo un poligono chiuso

42 La struttura Vettoriale NULLA DI NUOVO RISPETTO A QUANTO AVETE GIÀ OSSERVATO INNUMEREVOLI VOLTE CONSULTANDO UNA QUALSIASI CARTA GEOGRAFICA La struttura vettoriale di un GIS è composta da tre elementi principali: 1. Elementi geometrici essenziali per la rappresentazione matematicogeometrica della realtà: punto, linea, poligono La struttura Vettoriale 2. La rappresentazione di tipo grafico o geometrico non basta a concepire il modello dei dati. Rispetto ad una rappresentazione puramente geometrica degli oggetti presenti nella realtà a un GIS viene richiesto di mantenere e gestire tutte le informazioni che riguardano le MUTUE RELAZIONI SPAZIALI tra i diversi elementi rappresentati e quindi di strutturare i dati definendone anche la topologia 10 km 5 km

43 La struttura Vettoriale 3. Oltre all aspetto geometrico e topologico, il modello dei dati, per essere efficace e per permettere le procedure di immagazzinamento dei dati e quindi l analisi deve prevedere il collegamento tra la rappresentazione grafica degli oggetti con i dati descrittivi o alfanumerici all interno di un DBMS. Il termine comunemente utilizzato per riferirsi ai dati alfanumerici collegati agli elementi grafici è attributo La struttura Vettoriale 3. Gli aspetti interpretativi del dato catastato possono essere registrati all interno di: a) DBMS interno al software GIS lineare ed essenziale, consistente in una serie di campi, impostati dall utente ed utilizzati per lo più per una consultazione veloce e per la composizione di visualizzazioni tematiche. Gli attributi inseriti, in questo caso, hanno la funzione di identificatori; queste informazioni risiedono stabilmente all interno del software GIS e non sono suscettibili agli aggiornamenti registrati nel DBMS esterno. Per ovviare al rischio di creare un prodotto chiuso, si tenderà ad inserire dentro il DBMS interno i dati difficilmente suscettibili a modifiche e, comunque, solo quei dati che sono funzionali ad una prima gestione, più immediata, della base.

44 La struttura Vettoriale b) DBMS relazionale ed interrogabile attraverso linguaggi di tipo SQL (Structured Query Language) I database di tipo relazionale sono lo sbocco naturale per l'analisi del territorio e dunque per i GIS, giacchè le caratteristiche e i parametri delle informazioni ricavabili configurano un architettura complessa non gestibile attraverso modelli del dato più elementari. Il link con il DBMS relazionale consente un aggiornamento dinamico della piattaforma. Il DataBase si presenta dunque come cervello e motore dell intero GIS e come contenitore delle informazioni primarie per l analisi. Il GIS deve prevedere l integrazione tra sistemi cartografici e databases; una base cartografica priva di attributi non potrà produrre informazione. La struttura Raster La struttura raster, cellulare o matriciale è considerata la più semplice ed intuitiva struttura di organizzazione di dati geometrici ed è largamente usta nel campo dei sistemi informativi territoriali. Per semplificare la trattazione consideriamo l organizzazione per celle quadrate, tralasciando le organizzazioni in celle triangolari, rettangolari o esagonali. Organizzare dati geografici in nella struttura raster significa dividere il territorio in un reticolato ortogonale regolare in celle di forma quadrata.

45 La struttura Raster Ad ogni cella sono associati due tipi di valori: numero digitale = valore del tema che si vuole rappresentare, ad esempio se stiamo rappresentando un area di particolare interrese storico ad ogni cella verrà associato il valore corrispondente all evento che caratterizza quell area di territorio coordinate immagine = corrispondono alla posizione della cella all interno della matrice (la cella di origine è di solito in basso o in alto a sinistra). La posizione geografica della griglia (=georeferenziazione) è data dalla posizione di due celle estreme (cella di origine e cella di coordinate massime) nel sistema geografico di riferimento La struttura Raster

46 Alcune caratteristiche dei dati Raster: elementi che possono essere rappresentati nella nostra scala di riferimento come punti 1. Possono essere identificati nelle celle secondo la loro presenza o assenza 2. La presenza verrà attribuita all intera cella perdendo così l informazione sulla posizione precisa 3. Tutti gli alberi della stessa cella verranno indicati con le stesse coordinate perdendo l identità di ogni singolo elemento Alcune caratteristiche dei dati Raster: elementi che possono essere rappresentati nella nostra scala di riferimento come linee 1. Le celle in questo caso sono interessate in maniera differente a seconda della porzione di linea che l attraversa ma nella matrice la presenza della linea sarà associata in egual misura a tutte le celle attraversate 2. Problema della connessione spaziale e cioè della distanza che comporta problemi in sede di analisi

47 Alcune caratteristiche dei dati Raster: problema della connessione spaziale e cioè della distanza che comporta problemi in sede di analisi Distanze tra dai vector:

48 Alcune caratteristiche dei dati Raster: elementi che possono essere rappresentati nella nostra scala di riferimento come poligoni 1. Problema della forma 2. Problema delle dimensioni La risoluzione I limiti appena descritti ci permettono di evidenziare un parametro importantissimo nella definizione della struttura raster: La risoluzione Per definire quale sia il limite dell informazione contenuta nella cella è necessario definire il minimo elemento rappresentabile Landsat TM Winter 1995 RGB Colour composite of bands Ikonos MS July 2000 RGB Colour composite of bands 4-3-2

49 La risoluzione e quantità di memoria La dimensione della cella determina anche la dimensione della matrice e quindi la quantità di memoria occupata: Una base raster di 100x100 km in una matrice con celle di 10 m (pixel per metro) corrispondono a 100 mio di celle. Se in ogni cella scriviamo un valore da 0 a 255 (8 bit) la memoria occupata sarà di 800 mio di bit = 800 MB La risoluzione e quantità di memoria: bitmap In realtà molte basi raster presentano al loro interno solo due valori: 0 e 1 (presenza o assenza) in questo caso vengono definite bitmap poiché per rappresentare il valore contenuto nella cella è necessario un solo bit. La risoluzione delle carte topografiche viene in genere espressa in pixel per pollice o per centimetro

50 La risoluzione e quantità di memoria: compressione dei dati In altri casi nelle matrici sono rappresentate gradi aree omogenee dove i valori delle celle sono uguali o di poco dissimili. Al fine di ottimizzare lo spazio di memoria occupato sono stati sviluppati diversi strumenti capaci di comprimere l informazione. Differenze e sinergie delle strutture raster e vector La struttura raster e vettoriale per le loro potenzialità nel campo dell analisi spaziale sono da considerarsi delle alternative complementari, nessuna delle due può infatti sostituire completamente le funzionalità applicative dell altra. La scelta deve quindi essere effettuata caso per caso in funzione delle necessità elaborative. In ogni caso la possibilità per un utente GIS di passare dall una all altra tipologia è oggi una necessità imprescindibile.

51 Strutture raster e vettoriale a confronto PARAMETRI Volume di dati MODELLO VETTORIALE Struttura dati più compatta: il volume dipende dal contenuto del dato, dall accuratezza e dalla precisione MODELLO RASTER Struttura scarsamente compatta: volume dipende dalla risoluzione e dall uso o meno di formati complessi Generalizzazione (passaggio da un alto grado di dettaglio ad un grado più basso) Aspetti topologici Accuratezza Efficienza di elaborazione Tecniche di overlay Tecniche di buffering Laboriosa e complessa Struttura dati molto efficiente soprattutto per questioni di analisi dei dati e di connessione con data base relazionali Può non avere limiti Elevata ma complessa Sovrapposizioni di livelli informativi complessa ma molto accurata Molto efficienti e accurate Semplificazione molto rapida Le relazioni topologiche sono difficili da rappresentare e da gestire Dato raster ha per sua natura carattere discreto Semplice e molto intuitiva Intuitiva ma approssimata Poco evolute e scarsamente adottate Image processing DTM Struttura dati non idonea Precisione molto levata ma complessa Propria della struttura raster Semplice ma più approssimata Visualizzazione Veloce e non necessita di hardware specifico Lenta e migliore se dotati di hardware specifico Strutture raster e vector a confronto Visone RASTER del mondo ENTITA Visione vettoriale PUNTI: Hotel LINEE: Seggiovia AREE: Foreste RETI: Strade SUPERFICI: DTM

52 Formati supportati dai GIS Il termine formato, di uso comune per tutti coloro che già operano con il computer, viene utilizzato per definire la struttura fisica usata per immagazzinare i dati in un file. In genere il formato può essere identificato con un nome o con una sigla che spesso corrisponde all estensione del file. Per esempio il formato dei file che tutti voi adoperate quando scrivete un testo con il programma Microsoft Word è il DOC: ed infatti i file di Word hanno l estensione.doc Formati supportati dai GIS I formati possono essere distinti in ASCII, formati proprietari e metaformati Formato ASCII: sono composti da record nei quali i dati (coordinate, testi) sono separati da una virgola o da un altro separatore. Un file ASCII molto diffuso è il GENERATE, un formato molto semplice che contiene in ogni record una coppia di coordinate oppure un END che chiude la sequenza

53 Formati supportati dai GIS Formati proprietari: sono quei formati studiati dalle case produttrici di software o da enti nazionali e strutturati per operare al meglio sui soft GIS per cui vengono creati Il principale problema è che fino a pochi anni fa le software house non pubblicavano i propri formati e quindi per poter utilizzare gli stessi dati in altre applicazioni era necessario passarli attraverso formati ASCII dichiarati con perdita di tempo e di informazioni. Negli ultimi anni la situazione è migliorata ed ora molti formati proprietari sono diventati standard di fatto, ad esempio *.shp=shapefile (ESRI) per dati vector oppure *.img=imagine (ERDAS) per dati raster. Formati supportati dai GIS Metaformati: non sono direttamente utilizzabili dai prodotti software ma servono solo ed esclusivamente per il trasferimento del file da un sistema all altro In Italia abbiamo due enti che hanno adottato metaformati per il trasferimento dei dati geografici: IGM: distribuisce dati nel formato DIGEST Catasto: distribuisce dati nel formato NTF La complessità e farraginosità dei dati ne ha decretato il progressivo declino

54 ACQUISIZIONE DEI DATI Acquisizione dei dati: il cosiddetto data-entry E chiaro a questo punto che l oggetto principale che viene rappresentato e studiato all interno di un SIT è il territorio nella sua complessità, identificato come un sistema reale composto da sottosistemi, oggetti e relazioni. Il sistema informativo contiene infatti una descrizione del mondo reale, rappresentata mediante un modello che individua insiemi, relazioni e componenti. I SIT sono progetti con finalità ben precise quindi conterrà una banca dati territoriale che rappresenta una particolare vista del mondo reale, quella utile alle finalità medesime.

55 Acquisizione dei dati Ogni dato è caratterizzato da proprietà: Geografiche = localizzazione e forma Tematiche = descrizione di suoi attributi Temporale = momento di acquisizione dei dati Questi tre modi di rappresentare oggetti e fenomeni è espresso dal modello dei dati che considera anche le fonti e le modalità di acquisizione Fonti e modalità definiscono intrinsecamente la qualità del dato Acquisizione dei dati Il dato può essere acquisito in svariati modi: 1. Acquisizione dati da basi informative già esistenti 2. Acquisizione di dati da cartografia a. Rasterizzazione b. Vettorializzazione 3. Rilievo di campagna (stazione totale o GPS) 4. Acquisizione con tecniche di telerilevamento

56 Acquisizione dei dati 1. Acquisizione dati da basi informative già esistenti E opportuno considerare i seguenti punti a. Compatibilità con il sistema di coordinate di riferimento b. Formato dei dati c. Fonte di acquisizione (cartografia, rilievi, ecc.) d. Componenti di qualità e. Copertura geografica f. Modello fisico dei dati g. Prezzi e limitazioni d uso Acquisizione dei dati 2. Acquisizione di dati da cartografia Una carta di base rasterizzata (tramite scansione) può assolvere generalmente i seguenti scopi: 1. Base iconografica di riferimento, non utilizzabile ai fini dell analisi modellistica ma solo come sfondo per dati vettoriali 2. Per acqusire in formato vettoriale digitalizzando a monitor gli elementi rappresentati sullo sfondo raster

57 Acquisizione dei dati 2. Acquisizione di dati da cartografia: vettorializzazione Può avvenire sia a partire da cartografia di base rasterizzata sia da cartografia tradizionale su supporto cartaceo a. Vettorializzazione da cartografia di base rasterizzata: automatica o semiautomatica b. Vettorializzazione da cartografia tradizionale su supporto cartaceo: manuale (tramite tavolo digitalizzatore). Caso di studio: il catasto leopoldino Il Catasto fu avviato dopo la restaurazione, insieme all elaborazione della carta geometrica della Toscana che verrà portata a termine da Giovanni Inghirami nel 1830, allo scopo di rilevare le caratteristiche dei terreni e degli edifici per poi procedere alla valutazione fiscale. L importanza della documentazione storico-cartografica per la conoscenza dell evoluzione dei paesaggi e la valorizzazione delle risorse territoriali ed ambientali è ben nota. Tra i principali limiti ad un impiego diffuso della cartografia storica nell ambito sia di progetti di ricerca sia presso le amministrazioni pubbliche vi sono le difficoltà oggettive che insorgono nel confronto tra le rappresentazioni contemporanee del paesaggio e le mappe storiche.

58 Caso di studio: il catasto leopoldino Elementi che compongono la documentazione LIBRI DI INVENTARIO MAPPE Caso di studio: il catasto leopoldino

59 Caso di studio: la cartografia leopoldina Caso di studio: georeferenziazione della cartografia leopoldina

60 Caso di studio: vettorializzazione automatica e a monitor Caso di studio: georeferenziazione della cartografia leopoldina

61 Caso di studio: unione tra tabella del GIS (DBMS interno) e trascrizione delle tavole indicative Shape ID n particella ID n particella Nome proprietario Uso polygon 1 1 Prezzolini Giuseppe Pastura Shape ID n particella+sezione ID n particella + sezione Nome proprietario Uso polygon 1/A 1/A Prezzolini Giuseppe Pastura Shape polygon ID n particella+sezione+comu nità 1/A/murlo ID n particella + sezione + comunità 1/A/murlo Nome proprietario Prezzolini Giuseppe Uso Pastura Shape polygon ID n particella+sezione+comu nità + provincia 1/A/murlo/siena ID n particella + sezione + comunità 1/A/murlo/siena Nome proprietario Prezzolini Giuseppe Uso Pastura Caso di studio: unione del tavole indicative e con le particelle catastali

62 Caso di studio: la versione informatizzata del catasto leopoldino Caso di studio: analisi e potenzialità dell informazione così organizzata

63 Caso di studio: analisi e potenzialità dell informazione così organizzata Caso di studio: analisi e potenzialità dell informazione così organizzata

64 Caso di studio: analisi e potenzialità dell informazione così organizzata Caso di studio: analisi e potenzialità dell informazione così organizzata

65 Acquisizione dei dati 3. Rilievo di campagna Di solito viene utilizzato a fini micro-topografici cioè per acquisire dati estremamente precisi in relazione ad aree ridotte del territorio (scale inferiori a 1:500) Il processo topografico diretto è in genere molto complesso e oneroso Gli strumenti che intervengono sono la stazione totale e/o il GPS differenziale Acquisizione dei dati 4. Acquisizione con tecniche di telerilevamento La fotogrammetria è la tecnica più usata per la produzione cartografica tradizionale ed è sempre più usata anche per la produzione cartografica numerica. Tecniche di telerilevamento da aereo o da satelliti ad alta definizione Laser scanner

66 Acquisizione dei dati 4. Acquisizione con tecniche di telerilevamento La fotogrammetria è la tecnica più usata per la produzione cartografica tradizionale ed è sempre più usata anche per la produzione cartografica numerica. Tecniche di telerilevamento da aereo o da satelliti ad alta definizione Acquisizione dei dati 4. Acquisizione con tecniche di telerilevamento Laser scanner

67 Scanner aviotrasportati: LIDAR Le principali applicazioni del LIDAR possono essere riassunte in: generazione di micromodelli del terreno e calcolo delle curve di livello; estrazione di profili del terreno; creazione di DEM escludendo la vegetazione e qualunque manufatto artificiale dalla superficie; creazione di algoritmi tipo aspect e shading e visualizzazione dei modelli tridimensionali da ogni angolazione; overlay con ogni tipo di dato GIS. Laser Scanner aviotrasportato

68 Scanner aviotrasportati: LIDAR In alto particolare del cerchio di pietre di Avebury circondato dai due fossati. Draping dei dati CASI con i dati Lidar Acquisizione dei dati

69 Gestione ed elaborazione del dato Visualizzazione e produzione di carte tematiche Introduzione Attraverso gli strumenti offerti dalla tecnologia GIS, ogni singolo dato catastato può essere: 1. Gestito 2. Elaborato 3. Tradotto in informazione il trattamento può avvenire a vari livelli e può riguardare sia la produzione di carte tematiche sia l elaborazione di modelli interpretativi e predittivi tramite l applicazione di tecniche statistiche di analisi.

70 Ricerca e visualizzazione L organizzazione per tematismi delle informazioni corrisponde senza dubbio al livello più elementare di fruizione della base GIS Consiste infatti semplicemente nella combinazione dei vari elementi presenti nella piattaforma che rispondono a diversi criteri di ricerca. Questa modalità di gestione, benché costituisca a ragione una delle funzioni di maggior utilità della piattaforma GIS, non interpreta alcun tipo di analisi; non produce infatti modelli distributivi o spaziali bensì semplici carte di visualizzazione della localizzazione dei diversi elementi presenti nello scavo. Ricerca e visualizzazione In quest operazione, gli oggetti vengono richiamati a video o definiti attraverso cromatismi, secondo una query impostata sui valori contenuti in appositi campi di identificazione; dunque la composizione di queste carte non avviene sulla base di elaborazioni matematiche, statistiche o spaziali bensì attraverso semplici combinazioni di identificatori. Questa fase di lavoro presenta come unica difficoltà l esigenza di elaborare una sorta di database interno al software GIS e personalizzato secondo le necessità di ricerca; ad esempio, prevederà da un lato la traduzione dei dati descrittivi in stringhe di testo, registrate secondo un dizionario standard, dall altro la creazione di campi ex novo, esclusivamente funzionali alla visualizzazione.

71 Ricalssificazioni, selezioni, aggregazioni Le funzioni di riclassificazione, aggregazione e selezione possono operare solo su dati descrittivi oppure su dati geografici e descrittivi insieme Riclassificazione Generazione di un nuova visualizzazione partendo da un attributo già esistente Esempio: riclassificazione dei comuni in base all estensione superficiale o alla popolazione residente Riclassificazione

72 Ricalssificazioni, selezioni, aggregazioni Selezioni E possibile selezionare dal data-base interno al software GIS (ma anche dall esterno) elementi spaziali sulla base degli attributi ad essi associati o vice versa. Esempio: Ricerca di singoli o più comuni, provincie, regioni o qualsiasi altro elemento descrittivo contenuto in tabella Selezioni

73 Ricalssificazioni, selezioni, aggregazioni Aggregazione e disaggregazione In molti casi può essere necessario non solo rappresentare graficamente le informazioni in modo tale che queste risultino accorpate ma procedere ad un aggregazione fisica di poligoni che rappresentano ad esempio le due classi iniziali, eliminando dove si presentano le linee di separazione. Esempio: comuni province Aggregazione e disaggregazione Aggregazione dei comuni di una regione in comunità montane e provincie Si procede nel seguente modo: da theme>start editing, poi si selezionano i poligoni che si intende unire, poi da edit si attiva il comando union features

74 5. Analisi del dato Finalità e definizioni di GIS Applicazioni Modello dei dati (raster e vector) Acquisizione Gestione ed elaborazione (queries e carte tematiche) Analisi del dato (overlay-buffer-poligoni di Thiessen)

75 Analisi ed elaborazione L analisi geografica permette di studiare i processi del mondo reale tramite lo sviluppo e l applicazione di modelli. Tali modelli servono a riconoscere tendenze nei dati geografici e, di conseguenza, rendere disponibile nuova informazione. Il GIS permette di elaborare modelli individuando relazioni prima sconosciute, sia all interno di un gruppo omogeneo di dati che fra gruppi eterogenei, e quindi aumentare il nostro livello di conoscenza. I risultati delle analisi possono essere trasmessi attraverso mappe realizzate tramite diversi sistemi di visualizzazione. Analisi e processamento Il modulo di analisi usualmente prevede quattro funzioni importanti: 1. la selezione degli oggetti coinvolti nell analisi (operazione semplice ma necessaria) 2. la manipolazione dei dati secondo combinazioni, buffering, overlaying e interpolazione 3. la ricerca di un qualche genere di pattern o cluster nel gruppo di dati analizzati. 4. la riproduzione grafica dei risultati ottenuti, attraverso l applicazione di strumenti di visualizzazione propri del GIS.