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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRENTO Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Telecomunicazioni Tesi di Laurea Analisi di immagini e generazione di ambienti tridimensionali virtuali finalizzati al supporto decisionale Relatori: Dr. Ing. Raffaele De Amicis Prof. Francesco G.B. De Natale Laureando: Anno accademico

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3 Ringraziamenti

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5 Indice 1 Introduzione Scopo del progetto Strumenti utilizzati Problematiche affrontate Stato dell arte Tecniche per l acquisizione e l elaborazione dei dati GIS Tecnica a Laser Scanning Impiego di immagini satellitari ed aeree ad alta risoluzione Generazione degli elementi geometrici tridimensionali da cartografia numerica Applicativi commerciali DCarto Google Earth ArcGIS L ambiente VTP VTP: funzionalità base VTBuilder Enviro... 38

6 6 3.2 Limiti del sistema Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Analisi delle immagini Generazione degli edifici attraverso l analisi delle ortofoto Generazione della vegetazione Simulazioni Funzionalità avanzate ed applicativi integrati OpenCV Estrazione perimetro degli edifici Calcolo di aree geometriche AppGPS Conversione da coordinate geografiche a gaussiane e viceversa Interfacciamento AppGPS MapPoint Campi di impiego Valutazione impatto ambientale Perforazioni per gallerie Disboscamento dovuto all installazione di impianti di risalita o cablaggio del territorio Fenomeni naturali Localizzazione di automezzi all interno della mappa 3D Turismo Altri impieghi Conclusioni 91

7 Capitolo 1 Introduzione Sono sempre più, i campi applicativi che richiedono l ausilio di particolari software in grado di rappresentare diverse tipologie di dati all interno di scenari tridimensionali virtuali. Attualmente, grazie all integrazione di dati GIS con informazioni correlate a luoghi od elementi presenti su un determinato territorio, è possibile ottenere sistemi in grado di legare tali dati alla corrispettiva area geografica. La navigazione tridimensionale, la visualizzazione di mappe tematiche, la pianificazione di business in determinate regioni, sono solo alcuni aspetti facenti parte di una vasta gamma di applicazioni connesse all informazione georeferenziata. Il sistema sviluppato si inserisce all interno all interno della problematica che riguarda lo sviluppo di applicazione alla progettazione e pianificazione di attivita a forte mpatto sul territorio, sulla base di informazioni associate al dato di tipo GIS. 1.1 Scopo del progetto Il presente lavoro di tesi ha come scopo principale, l aggregazione di varie tipologie di informazioni, inserite all interno di un ambiente GIS georeferenziato finalizzato all elaborazione dei dati necessari alla pianificazione ed al processo decisionale.

8 8 Introduzione In particolare, sulla base di informazioni connesse alle ortofoto, come: posizione dei fabbricati; posizione e tipologia della vegetazione; caratteristiche della mappa stradale; dimensione degli edifici; ecc si è sviluppata un applicazione in grado di processare le informazioni contenute nel layer 2, rappresentadole in maniera esplicita all interno di un ambiente tridimensionale virtuale, tali oggetti a suovolta automaticamente dal sistema georefernziati in tempo macchina, sottoforma di geometrie 3D. Iinoltre, grazie all importazione di una di informazioni ulteriore,(info layer 3) quali: cartografia numerica del piano regolatore; dati tecnici legati a: o propagazione di onde elettromagnetiche; o idraulica; o interventi aventi impatto sul territorio; o fenomeni naturali; o sicurezza nazionale; database stradale; dati ed informazioni turistiche; sono stati implementati specifici algoritmi in grado di processare tali informazioni ed, attraverso l uso di simulazioni, rappresentare i risultati ottenuti all interno della scena tridimensionale. L utente può quindi interagire con i dati attraverso l interfaccia grafica 3D, andando a modificare parametri e confrontando tra loro più tipologie di dati, utilizzando un unica piattaforma software. Inoltre, inserendo tali funzionalità all interno di un ambiente GIS tridimensionale di facile utilizzo, si è sviluppata un applicazione ad

9 Introduzione 9 ampio raggio, limitata non solo agli addetti ai lavori aventi conoscenze e nozioni necessarie alla gestione di particolari dati. Ipertanto il maggior contributo di questo lavoro di tesi consiste nell aver integrato diverse tipologie di dati all interno di un applicativo totalmente aperto capace di visualizzare dati con ul elevato gradoi di realismo inoltre i dati vengono in tempo quasi reale processati e georefenziate fornendo ulteriori informazioni non disponibli in precedenza permettendo una valutazione comparative degli stessi risultando questi ultimi dati di input per simulazioni ulteriori che vengo esse stesse rappresentate in un ambiete georefeenziato. 1.2 Strumenti utilizzati L applicazione software è stata sviluppata utilizzando i seguenti strumenti / ambienti di sviluppoi /API / libreriegrafiche: È un open source utilizzato per sviluppare l applicativo applicazione Enviro inserita all interno dell ambiente VTP,Virtual Terrain Project, utilizzata come modello base ove inserire le varie funzionalità implementate; ambiente di SVILUPPO dotnet di Microsoft, utilizzato per la compilazione del codice scritto in linguaggio C++; librerie ANALII DI IMMAGINE OpenCV, inserite all interno dell applicazione ai fini dell analisi di immagine o, più in generale, della Computer Vision. REMIND NON USI L APPLICAZIONE MA sdk IL CHE è DVERSOApplicazione MapPoint di Microsoft, utilizzata per accedere al database stradale in essa contenuto, al fine di ricavare informazioni georeferenziate riferite ai punti di interesse (POI) presenti in una determinata area geografica. Sensore GPS Bluetooth, utilizzato mediante l applicazione AppGPS, per visualizzare all interno della mappa 3D la posizione geografica di un determino oggetto.

10 10 Introduzione Lo schema funzionale ove vengono evidenziate funzionalità ed applicazioni utilizzate è il seguente: 1.3 Problematiche affrontate La realizzazione di questo progetto di tesi ha richiesto l acquisizione di conoscenze inerenti a concetti di IMAGE PROCESSING, computer graphics e software engineering. Le difficoltà maggiori sono state riscontrate durante il processo di filtraggio delle ortofoto e nella successiva fase di georeferenziazione delle geometrie generate, finalizzate all inserimento nell ambente tridimensionale. L esposizione del lavoro di tesi, segue essenzialmente il processo di sviluppo del software. nel Capitolo 2 vengono descritte le principali tecniche di acquisizione ed elaborazione dei dati GIS, assieme alle principali applicazioni commerciali che gestiscono queste tipologie di dati. Il Capitolo 3 descrive le applicazioni implementate all interno del progetto VTP: VTBuilder ed Enviro. A partire dal Capitolo 4 si iniziano a descrivere le funzionalità implementate tra cui gli algoritmi volti all analisi ED AL PROCESSAMENTO delle immagini e alla CONSEGUNETE generazione degli elementi tridimensionali. Il Capitolo 5 si occupa di descrivere le

11 Introduzione 11 principali funzionalità implementate UTILIZZADO LIBRERIE da applicativi esterni quali OpenCV, MapPoint e AppGPS, finalizzati rispettivamente all analisi di immagini, GEOREFEREZAZIONE DEGLI di edifici o luoghi di particolare interesse e all interfacciamento con dispositivi GPS. Il Capitolo 6 descrive quali sono i principali campi di impiego ove si può inserire l applicazione sviluppata. Infine, le conclusioni e le possibilità di sviluppo futuro sono contenute nel Capitolo 7. I marchi registrati citati nel presente documento sono proprietà dei rispettivi depositari.

12 Capitolo 2 Stato dell Arte Esistono numerosi applicativi in grado di processare informazioni e dati GIS volti alla rappresentazione e visualizzazione 3D di ambienti territoriali. Ciascuno di questi software presuppone un adeguata acquisizione dei dati finalizzata ad un corretto sviluppo di due principali categorie di modelli: Modelli legati alla planimetria del territorio; Modelli rappresentanti edifici, arredi urbani ed oggetti 3D direttamente visualizzabili sulla UNA mappa tridimensionale. Il grado di precisione e di accuratezza con il quale viene acquisita e processata l informazione dipende ovviamente dalle finalità dell applicazione. Esistono quindi differenti soluzioni adottate relative all acquisizione dei dati in input, le quali si avvalgono di dispositivi e tecniche di elaborazione differenti a seconda della precisione richiesta dall utilizzatore del software. È ovvio pensare che maggiore è la precisione del modello finale, e maggiore è la mole di dati da processare, la quale, a sua volta, comporta una corretta scelta degli strumenti atti all elaborazione dei dati in input. Esistono quindi di cosa se il discorso di prima è rimasto in area applicazioni fruibili via web (es. Google Earth ) ed applicazioni molto più pesanti dal punto di vista computazionale che richiedono l installazione di librerie e database aventi elevate dimensioni (es. ArcGIS 3D Analyst ).

13 Stato dell arte 13 Questo capitolo si propone di descrivere brevemente quali sono le principali tecniche di elaborazione dei dati GIS e le applicazioni volte alla creazione e all analisi di ambienti 3D illustrandone le principale caratteristiche. 2.1 Tecniche per l acquisizione e l elaborazione dei dati GIS L acquisizione dei dati ai fini della costruzione del modello geometrico tridimensionale è una importante problematica che deve CONSIDERARE DUE ASPETTI FONDAMERNTALI LA RISOLUZIONE E DELLA MORFOLOGIA DEL TERRIOTORIO ED GLI ELEMENTI IN ESSO CONTENUTI Tale operazione può essere effettuata mediante diverse tecniche in funzione del grado di precisione richiesto per la ricostruzione dei dati 3D. Lo scopo di questa sezione è quello di descrivere quali sono le principali tecniche utilizzate per la ricostruzione del rilievo e l acquisizione dei dati finalizzate alla realizzazione di un ambiente territoriale virtuale Tecnica a Laser Scanning La tecnica a laser scanning si basa sul seguente principio di funzionamento [8]: emesso un impulso laser, il tempo di restituzione dell eco viene trasformato in distanza rispetto al bersaglio. Tale sistema può essere installato a bordo di velivoli ed utilizzato per acquisire il profilo altimetrico di una determinata area compresi tutti gli elementi strutturali e naturali presenti su un territorio.

14 14 Stato dell arte Il risultato che si ottiene con l utilizzo di questa tecnica è un INSIEME di punti con un livello di dettaglio che può arrivare anche a 10 centimetri di distanza tra due punti adiacenti. Il problema principale consiste ora nel riconoscimento e nell estrazione degli oggetti tridimensionali presenti sulla superficie analizzata. A tal fine vengono spesso utilizzate immagini CIR (Color InfraRed) per classificare le zone occupate dai diversi elementi presenti sul territorio, per giungere, attraverso le informazioni fornite dal laser scanning, alla ricostruzione degli oggetti 3D [9]. In dettaglio il procedimento è il seguente [10]: Acquisizione dai dati di partenza: o Digital Terrain Model (DTM) ricavato dalla scansione laser; o Immagine CIR georeferenziata; Figura 1: l immagine a sinistra mostra un dettaglio relativo alla scansione laser del territorio, mentre l immagine a destra rappresenta un ortofoto multispettrale con canale infrarosso. Elaborazione dell ortofoto finalizzata alla classificazione dei diversi elementi presenti sull area di interesse:

15 Stato dell arte 15 Figura 2: L elaborazione attraverso l utilizzo del canale ad infrarossi permette di riconoscere perfettamente il perimetro di edifici, alberi ed altri oggetti presenti sul terreno. Applicazione di algoritmi all immagine sopra ottenuta volti all inseguimento dei contorni per convertire il perimetro di ciascun elemento in formato vettoriale [9]: Figura 3: L immagine viene ulteriormente processata al fine di ottenere un vettore contenete le coordinate del perimetro di ciascun oggetto 3D. Utilizzando le altimetrie fornite dalla scansione laser, vengono generati i modelli tridimensionali aventi come base di estrusione il perimetro precedentemente calcolato [11]:

16 16 Stato dell arte Figura 4: Le immagini mostrano le operazioni principali per generare un modello tridimensionale di un edificio a partire da un altimetria laser ad alta risoluzione e da un ortofoto. Questo metodo di estrapolazione dei dati risulta essere molto efficiente in presenza di planimetrie laser ed ortofoto ad alta risoluzione. Ad esempio, una risoluzione spaziale di soli due metri non sarebbe sufficiente per poter apprezzare i dettagli degli edifici visti nelle immagini sopra illustrate Impiego di immagini satellitari ed aeree ad alta risoluzione Le immagini satellitari ed aere ad alta risoluzione costituiscono un importante fonte informativa utilizzata sempre più frequentemente in molteplici campi applicativi [8]. Grazie alla possibilità di distinguere a scala metrica elementi presenti sul terreno quali edifici, alberi, ecc, è possibile classificare e ricostruire tali oggetti in un ambiente tridimensionale. Le tecniche ad analisi di immagine anche se consentono un buon riconoscimento degli oggetti, devono essere necessariamente integrate da atre informazioni per poter creare un accurata planimetria 3D, quali: profilo altimetrico del territorio (fornito ad esempio da scansione una laser anche a bassa risoluzione); altezza relativa di ogni elemento classificato nell ortofoto e poi presente sulla mappa.

17 Stato dell arte 17 Questa tecnica consente quindi di gestire una mole di dati minore rispetto alla precedente, anche se il reperimento delle informazioni aggiuntive sopra citate non sempre è fattibile perché. Ottenuta la planimetria di un territorio, analizziamo quali sono i principali passaggi per estrarre gli elementi 3D utilizzando soltanto le informazioni disponibili nell ortofoto [12]: come per la tecnica precedente, si effettuata una segmentazione dell immagine per avere una prima classificazione degli oggetti da rappresentare nella scena; Applicazione di algoritmi per il riconoscimento dei contorni; Ricostruzione dei segmenti finalizzata ad ottenere continuità nella linee; Estrusione del perimetro per ottenere l oggetto tridimensionale. Le immagini sottostanti mostrano i passi descritti: Figura 5: Dall ortofoto è possibile ricavare il perimetro di ogni oggetto processando in cascate l immagine originale. Le immagini ad alta risoluzione permettono inoltre di ricostruire l esatta morfologia dei tetti [12]. Questa tecnica necessita però di un ulteriore inseguimento di contorni anche all interno dell oggetto in esame dalla quale si possono ricostruire quattro tipologie di tetti: tettoia terrazza;

18 18 Stato dell arte tetto spiovente su un lato; tetto spiovente su due lati; tetto spiovente su quattro lati; Un informazione aggiuntiva molto importante riguarda l altezza degli oggetti 3D, che necessariamente deve essere fornita assieme all immagine satellitare o aerea. Tale parametro generalmente viene fornito tramite cartografia o derivato dalla scansione laser come visto precedentemente. Generalmente in un ambiente 3D ove i valori geometrici vengono ricavati utilizzando solamente l informazione estrapolata dalle immagini, l altezza degli edifici e degli alberi rimano un parametro incognito, e quindi definiti dall utilizzatore. L immagine sottostante mostra un esempio di ricostruzione tridimensionale con l ausilio della sola ortofoto:

19 Stato dell arte Generazione degli elementi geometrici tridimensionali da cartografia numerica La cartografia numerica è una strumento molto utilizzato, specialmente in ambiente CAD, per visualizzare le caratteristiche 2D degli elementi su una mappa, ad esempio: planimetria 2D di un edificio, area occupata, perimetro visibile, ecc. Generalmente si possono avere numerosi formati della mappe cartografiche, a seconda dello scopo cui è finalizzata la rappresentazione grafica. Come visto per le sezioni precedenti, uno degli obiettivi intermedi per la generazione degli oggetti tridimensionali presenti sul territorio, consiste nell estrazione dei contorni dell ortofoto al fine di ottenere il perimetro di ogni elemento in formato vettoriale. Risulta quindi opportuno avere, come dato di partenza, una cartografia numerica in formato vettoriale per applicare cosi una diretta conversione dei dati da 2D a 3D [13]. Figura 6: dati cartografici relativi a Piazza Duomo Trento.

20 20 Stato dell arte La cartografia numerica proposta si presenta nella seguente configurazione: tutti i punti visualizzabili sulla mappa cartografica hanno coordinate georeferenziate; i punti interni agli edifici danno il valore dell altezza degli edifici stessi; dati disponibili in formato vettoriale: DWG DXF; Analogamente a quanto descritto precedentemente, dal perimetro degli elementi in formato vettoriale, si possono estrudere i vari oggetti tridimensionali ed, in questo caso, è possibile ottenere facilmente l altezza a loro associata. Utilizzando questa tecnica, la precisione del dato ricostruito nell ambiente 3D è direttamente dipendete dalla scala e dalla risoluzione con cui sono stati acquisiti i valori presenti nella cartografia numerica. I risultati che si possono ottenere con questa tecnica sono i seguenti: Figura 7: Le immagini mostrano come da una cartografia numerica sia possibile ricavare un prospetto tridimensionale del territorio con inseriti oggetti 3D ai quali è possibile assegnare colori, caratteristiche ed attributi differenti. Riassumendo, le diverse tecniche di rilievo ed acquisizione dati considerate sopra, consentono di ottenere le seguenti accuratezze [8]: Nome tecnica Accuratezza

21 Stato dell arte 21 Impiego di laser scanning In condizioni normali: accuratezza pari a 0,3 10 metri. Impiego di immagini ad alta L accuratezza è funzione della risoluzione risoluzione delle immagini. Generalmente utilizzando risoluzioni elevate, l accuratezza può variare da 0,6 a 5 metri. Derivazione da cartografia numerica L accuratezza è funzione della scala con la quale è disponibile la cartografia. Le più utilizzate sono: per la scala 1:2000 si può ottenere un accuratezza che varie dagli 80 ai 40 centimetri; per la scala 1:1000 si può ottenere un accuratezza che varie dai 40 ai 20 centimetri; 2.2 Applicativi Commerciali Vediamo ora quali sono i principali software commerciali finalizzati all elaborazione dei dati GIS e alla loro visualizzazione tridimensionale. La descrizione delle applicazioni è proposta in ordine di funzionalità implementate, dalle caratteristiche standard alle più avanzate DCarto 3DCarto è un applicazione cartografica, finalizzata alla navigazione ed alla localizzazione di uomini e mezzi, in tempo reale, su mappe tridimensionali. Questo software è composto da varie sezioni aventi ciascuna diverse funzionalità [1]:

22 22 Stato dell arte Costruzione di modelli tridimensionali di vaste aree di territorio a partire da aerofotogrammetrie e misure altimetriche ad alta definizione; Importazione e georeferenziazione di modelli tridimensionali con la possibilità di inserire nelle mappe dei modelli fotorealistici di edifici e aree particolarmente significative; Interrogazione di database vettoriali per la navigazione della rete stradale; Gestione della grafica tridimensionale; Distribuzione in rete delle mappe tridimensionali. I livelli di dettaglio delle ortofoto e dei DTM (Digital Terrain Model) utilizzati per la generazione degli ambienti tridimensionali, sono opportunamente impostati in modo automatico dall applicazione attraverso un algoritmo di riduzione dei poligoni, per consentire fluidità alla navigazione, garantendo comunque il massimo grado di realismo. Tale algoritmo viene applicato alla griglia tridimensionale dei triangoli TIN (Triangulated Irregular Networks) determinanti la precisione morfologica del terreno. L immagine sottostante evidenzia il diverso numero dei poligoni prima e dopo l applicazione dell algoritmo sopra citato: Figura 8: Le linee di colore grigio mostrano gli spigoli dei poligono prima dell applicazione dell algoritmo, mentre le linee rosse individuano i poligoni dopo l applicazione

23 Stato dell arte 23 dell algoritmo. È evidente come il numero dei poligoni rossi sia nettamente inferiore a quelli grigi. La visualizzazione di ampie aree di territorio è resa possibile attraverso la modularità e la gestione di diversi livelli di definizione. La modularità consiste nella suddivisione dell area totale in piccole aree quadrate di identica dimensione in modo da gestire dinamicamente il raggio di visualizzazione, limitando o ampliando a scelta l area visibile. Figura 9: Esempio di suddivisione in moduli. L area verde identifica i moduli coinvolti nel raggio di visione. Il concetto di raggio di visione è maggiormente comprensibile quando si introducono più livelli di definizione dell ortofoto. 3DCarto permette, infatti, una gestione dinamica dei livelli di definizione durante la navigazione consentendo di ottimizzare sia l occupazione di memoria che la velocità di rendering [1]. L utilizzo di questa tecnica consente quindi di assegnare a diversi moduli, livelli di dettaglio della texture differenti, come mostra l immagine sottostante:

24 24 Stato dell arte Figura 10: La parte di mappa più vicina all osservatore sarà alla massima definizione. Le zone più lontane saranno di qualità più bassa, garantendo comunque una visualizzazione ottimale. L applicazione presenta inoltre altre caratteristiche quali: Possibilità di inserire nelle mappe modelli fotorealistici di edifici e aree particolarmente significative, costruiti ad hoc o importati da comuni CAD tridimensionali; Georeferenziazione dei modelli 3D inseriti all interno delle mappe; Mappe tridimensionali integrabili da database vettoriali per la navigazione della rete stradale. Possibilità di cliccare su un punto della mappa per conoscerne l indirizzo. Viceversa, dato un indirizzo noto, è possibile individuarlo facilmente sulla mappa 3D; Possibilità di inserire collezioni di obiettivi da posizionare sulla mappa. 3DCarto è studiato in particolare per la gestione di flotte. È possibile infatti visualizzare sulla mappa mezzi radiolocalizzati e seguirne i movimenti in tempo reale, oppure registrarne gli spostamenti per poi rivedere il percorso effettuato.

25 Stato dell arte 25 Tale sistema consente, dunque, un ampia gamma di applicazioni, tra cui [2]: Veloce pianificazione degli interventi nel caso di incidenti stradali: Figura 11: Visualizzazione 3D e 2D della zona di intervento. Pianificazione degli interventi nel caso di incendi o alluvioni; Visualizzazione della rete stradale vettoriale sovrapposta alla cartografia raster. Visualizzazione dei pendii montani a rischio valanghe:

26 26 Stato dell arte 3DCarto d altro canto, presenta alcune limitazioni: non consente un analisi dettagliata dei dati, siano essi GIS che importati dall utilizzatore; non consente l editing sui dati geografici; gestione ed interazione limitata con i metadata inseriti nella scena Google Earth Google Earth è una recente applicazione fruibile via web che unisce la visualizzazione tridimensionale del territorio e delle costruzioni con le funzionalità di Google e il browser di Google Maps. Utilizza una tecnologia di streaming broad band e grafica tridimensionale, consentendo agli utenti di navigare sulla superficie terrestre e di esplorare l itero pianeta [6]. Google Earth è disponibile in più versioni: Free, Pro ed Enterprise, ciascuna delle quali permette di gestire dati e funzionalità via via più complesse. La gestione dei dettagli relativi al DTM e all ortofoto è del tutto analoga a quanto descritto per 3DCarto, con la differenza che le informazioni sono

27 Stato dell arte 27 fornite direttamente dalla rete garantendo così un ottimo grado di aggiornamento. Le principale caratteristiche dell applicazione sono: riproduzione 3D dell intera superficie terrestre; posizionamento di edifici ed oggetti 3D nelle zone di maggior interesse; possibilità di interrogare il sistema per avere informazioni real-time su determinate aree; ricerca di edifici o punti di interesse in un determinata area: ristoranti, stazioni, monumenti, ecc; memorizzazione di località specifiche; sofisticata tecnologia streeming per il recupero dei dati dalla rete; I risultati ottenibili da questa applicazione hanno un ottimo impatto visivo, come mostra l immagine sottostante: Google Earth Pro oltre alle funzionalità standard di visualizzazione di scenari 3D, consente di personalizzare l applicazione e di focalizzare le sue funzionalità sull attività svolta dall utilizzatore. È possibile, per esempio, integrare l applicazione con un sistema GPS in grado di

28 28 Stato dell arte localizzare mezzi appartenenti ad una flotta ed assegnare ad ogni veicolo un preciso percorso urbano (analogmente a 3DCarto ). Figura 12: È possibile interagire direttamente con il sistema selezionando una strada o un edificio di particolare interesse per visualizzarne le informazioni principali. Google Earth può quindi diventare un applicazione molto versatile pur avendo alcune problematiche [7]: la fluidità del sistema è fortemente influenzata dal tipo di connessione utilizzato, infatti, con connessione a 56 kbps i tempi di attesa divengono insostenibili; non tutte le aree della superficie terrestre sono visualizzabili ad alta risoluzione, infatti, per le zone non coperte dal sistema la risoluzione è minore e permette soltanto di apprezzare gli agglomerati urbani e le caratteristiche dei terreni, ma non edifici ed oggetti tridimensionali ArcGIS

29 Stato dell arte 29 ArcGIS è un applicazione tra le più utilizzate e più evolute sulla gestione dei dati GIS. Tale software si propone come un tool si sviluppo per creare soluzioni specifiche nell ambito della gestione del territorio in generale [3]. Consente un elevata interazione con gli oggetti inseriti e presenta ottime capacità di relazionare dati spaziali per ottenere un elevato dettaglio del modello tridimensionale del terreno. ArcGIS, oltre alle caratteristiche standard delle comuni applicazioni che operano su dati GIS, consente di visualizzare sulla mappa una vastissima gamma di dati, anche sottoforma di grafici tridimensionali [4]. Le principali funzionalità di questa applicazione sono [5]: creazione di modelli tridimensionali utilizzabili nelle mappe; navigazione e prospettiva della scena completamente interattiva e personalizzabile; visualizzazione dei dati secondo prospettiva globale e locale; navigazione con terreno ed ortofoto a multirisoluzione; analisi e visualizzazione di grandi quantità di dati (terabytes); estrusione di oggetti 2D attraverso la lettura di specifici attributi sui dati; modellazione di elementi strutturali nel sottosuolo o sottacqua; calcolo di: superfici di aree, volumi occupati da oggetti, inclinazione di pendii, aspetto del territorio ed ombreggiature; consultazione di database al fine di ottenere informazioni specifiche relative a particolari oggetti inseriti nello scenario oppure a determinati luoghi;

30 30 Stato dell arte costruzione di modelli con l utilizzo di ModelBuilder ed analisi dei risultati tridimensionali; creazione di simboli tridimensionali e di textures ad alta definizione al fine di ottenere un elevato realismo; creazione di oggetti animati all interno della scena; possibilità di salvare le animazioni in diversi formati, quali: MPEG, AVI e QuickTime ; generazione delle superfici attraverso tecniche TIN (Triangulated Irregular Networks) o interpolazione raster. ArcGIS è quindi uno strumento molto potente per la gestione dei dati GIS in generale. È possibile inoltre, integrare le funzionalità sopra elencate con ulteriori caratteristiche finalizzate a scopi più specifici come, per esempio, la gestione e l analisi di una rete stradale. ArcGIS Network Analyst consente, infatti, di salvare percorsi, visualizzare zone con particolari restrizioni alla circolazione oppure simulare le condizioni di traffico in una determinata area. Le soluzioni proposte da ArcGIS sono molteplici e spaziano dal traking di veicoli o animali per finire all analisi di un territorio sotto l aspetto del business e del marketing. Ciascuna di queste peculiarità viene implementata dall applicazione molto dettagliatamente al fine di ottenere ottimi risultati.

31 Capitolo 3 L ambiente VTP VTP (Virtual Terrain Project), è un sistema composto da più applicazioni open-source sviluppate in C++ che permettono l elaborazione di DTM e ortofoto georeferenziati allo scopo di ottenere ambienti tridimensionali virtuali. L importanza di avere una rappresentazione 3D della superficie terrestre, è divenuta oggi un valore aggiunto indispensabile in molteplici settori di impiego. I principali campi applicativi di questo software sono [14]: pianificazione di viaggi e turismo virtuale; supporto didattico alla geofisica; pianificazione per l uso del territorio in aree urbane; visualizzazione tridimensionale di infrastrutture civile; visualizzazione di previsioni meteorologiche sul territorio; intrattenimento e giochi; pianificazione posizionamento sul territorio di dispositivi emittenti segnali radio; pianificazione di interventi militari. VTP è quindi da considerarsi una piattaforma di base per lo sviluppo di molte applicazioni volte a risolvere differenti problematiche. Il paragrafo sottostante, mostra le funzionalità base implementare da questo software.

32 32 L ambiente VTP 3.1 VTP: funzionalità base Il progetto VTP è composto principalmente da due applicativi: VTBuilder; Enviro. Queste due applicazioni sono finalizzate, rispettivamente, alla gestione dei dati GIS in due dimensioni ed alla loro visione tridimensionale. Le sezioni sottostanti evidenziano quali sono le principali operazioni da effettuare sui due software, per ottenere un ambiente tridimensionale virtuale VTBuilder VTBuilder, come detto precedentemente, è un software che consente di elaborare dati GIS georeferenziati e, contemporaneamente, avere una loro rappresentazione in due dimensioni. L applicazione permette di importare una vasta gamma di configurazioni di dati al fine di poter rappresentare: profilo altimetrico del terreno; ortofoto associata al terreno considerato; infrastrutture; mappa stradale; vegetazione; mappa fluviale; VTBuilder suddivide le tipologie di dati sopra citate, in diversi layer permettendo così una differente elaborazione per ogni categoria.

33 L ambiente VTP 33 Di seguito sono riportate le operazioni base effettuabili da VTBuilder. 1. Inserimento del DTM La prima operazione da effettuare per la ricostruzione tridimensionale di un territorio, consiste nell importazione del profilo altimetrico all interno del layer Elevation di VTBuilder: Figura 13: L immagine mostra come diverse tipologie di dati (nell esempio bt file) vengano inseriti automaticamente all intermo del layer appropriato. La mappa, inoltre, assume diverse colorazioni in funzione dell altezza del territorio. Solitamente, il tipo file BT è il risultato di una conversione precedente, effettuata a partire da un profilo altimetrico in formato ASCII, dal quale è possibile estrapolare la corretta georeferenziazione del territorio in esame. L immagine precedente evidenzia come, spostandosi con il mouse all interno della mappa, siano possibili ottenere coordinate geografiche ed altezza di ogni punto della superficie terrestre.

34 34 L ambiente VTP Ogni DTM inserito viene, inoltre, opportunamente posizionato all interno di una mappa cartografica mondiale, al fine di avere un riferimento visivo del territorio considerato: Figura 14: L immagine mostra la corretta collocazione all interno della mappa terrestre della località considerata, in questo caso Baselga di Piné. 2. Sovrapposizione dell ortofoto Posizionata l altimetria del territorio, l operazione successiva consiste nel corretto posizionamento dell ortofoto corrispondente. Come descritto precedentemente, l immagine da sovrapporre alla superficie, andrà ad inserirsi automaticamente nel layer dedicato, al momento della sua importazione nell applicazione. OVVIAMNENTE Le immagini devono avere un unico importante requisito: ciascuna ortofoto deve essere georeferenziata. Generalmente, per questo scopo, vengono utilizzate foto aeree o satellitari esportate in formato tif, opportunamente allegate ad un file testuale di tipo tfw contenente le informazioni necessarie per la georeferenziazione. Le informazioni principali relative ai dati geografici generalmente sono [16]:

35 L ambiente VTP 35 le coordinate di uno degli angoli dell immagine (origine cartesiana); il verso degli assi cartesiani, descritto generalmente con le coordinate assolute o relative di un altro punto definito dell immagine; il passo dei pixel. Nel dettaglio,il file tfw contiene le seguenti informazioni (esempio) [15]: 1,0000 Metri quadrati occupati da ciascun pixel 0,0000 Gradi per la rotazione orario dell immagine 0,0000 Distanza di disallineamento -1, , ,5000 Metri quadrati occupati da ciascun pixel (con segno negativo) Coordinate assolute est e nord del pixel in alto a sinistra dell ortofoto considerata Grazie all utilizzo di queste informazioni, è possibile posizionare l ortofoto nella corretta area all interno della mappa terrestre sopra citata. Il valore, quindi, delle coppie di coordinate appartenente dell immagine georeferenziata sarà: x = 1,0000 * ncolonne * nrighe y = (-1,0000) * nrighe * ncolonne

36 36 L ambiente VTP Ove ncolonne e nrighe corrispondono rispettivamente al numero di colonne ed al numero di righe dell ortofoto. Al fine di ottenere un risultato soddisfacente, la zona di interesse occupata dal DTM (profilo altimetrico), deve essere perfettamente sovrapposta alla porzione di superficie terrestre coperta dall ortofoto: Figura 15: L immagine a sinistra mostra una perfetta sovrapposizione tra DTM ed ortofoto. Mentre la parte destra evidenzia una porzione di superficie non coperta dall immagine e quindi non correttamente utilizzabile nella fase di visualizzazione tridimensionale. 3. Ridimensionamento Layers VTBuilder permette di ridimensionare e ricampionare i layers Elavation ed Images al fine di focalizzare le operazioni da effettuare su una località specifica. È possibile eseguire queste operazioni per via grafica, selezionando la zona da isolare del resto del DTM attraverso la funzione Area tool. L applicazione consente, inoltre, di verificare l este nsione della nuova area attraverso il valore delle coordinate dei vertici estremi. In ambiente GIS, infatti, è usuale fornire quattro valori per determinare l estensione occupata da una superficie regolare: North: coordinata estrema nord appartenente all area. South: coordinata estrema sud appartenente all area.

37 L ambiente VTP 37 West: coordinata estrema ovest appartenente all area. East: coordinata estrema est appartenente all area. Graficamente il significato di questi parametri è il seguente: Figura 16: I valori North, South ed Eats, West corrispondono alle relative distanze tra l area in esame con l Equatore ed il meridiano centrale di tangenza del fuso al quale appartiene l area in esame. Tali valori assumono un significato fisico di particolare interesse se la georeferenziazione dei dati e il loro posizionamento all interno di ciascun layers sono stati effettuati correttamente (vedi punti 1 e 2). L immagine sottostante mostra il valori dei parametri sopra descritti per la zona evidenziata: Figura 17: Per ciascuna superficie regolare selezionata, l applicazione determina automaticamente i valori d estensione geografica.

38 38 L ambiente VTP L operazione di selezione dell area da elaborare è seguita dal ricampionamento e dalla conseguente estrazione del DTM e dell immagine considerati. Tale operazione permette di ridurre a piacere le dimensioni di DTM e ortofoto. Il RICAMPIONAMENTO dell ortofoto consiste in un semplice ridimensionamento dell immagine pur mantenendo le informazioni relative alla georeferenziazione. Il profilo altimetrico del terreno, invece, riduce le sue dimensioni grazie ad un sottocampionamento dei punti formanti la griglia di elevazione: Figura 18: Le due immagini rappresentano lo stesso territorio avente diverse griglie di elevazione: nel primo caso m olto rada, mentre nel secondo molto fitta. Si nota che nell immagine a destra, è possibile apprezzare sensibilmente la morfologia del terreno. Questo comporta ovviamente una riduzione della risoluzione di immagine e DTM. 4. Caricamento extra layers VTBuilder, oltre al caricamento di immagini e file di tipo raster, permette l importazione di formati vettoriali, adatti alla rappresentazione di strade e perimetri di strutture architettoniche. Analogamente a quanto descritto precedentemente, per ogni oggetto inserito nell applicazione, esiste un layer corrispettivo, che sarà poi esportato insieme a tutti i sui componenti, per essere visualizzato all interno dell ambiente tridimensionale di Enviro. L immagine sottostante mostra l inserimento nell applicazione di

39 L ambiente VTP 39 due diversi layers adibiti alla rappresentazione della rete stradale e di strutture abitative: Figura 19: L immagine mostra l inserimento di due tipologie di files: uno volto alla generazione della rete stradale, l altro alla rappresentazione degli edifici. Analizzando nel dettaglio i dati inseriti nei layer Structures e Roads, si nota che il dato è presente in forma vettoriale e rispetta la sintassi xml: <Building> <Level FloorHeight=" " StoryCount="1"> <Footprint> <gml:multipolygon> <gml:polygonmember> <gml:polygon> <gml:outerboundaryis> <gml:linearring> <gml:coordinates> , , , , , , </gml:coordinates> </gml:linearring> </gml:outerboundaryis> </gml:polygon> </gml:polygonmember> </gml:multipolygon> </Footprint> <Edge Material="Cement" Color="ffffff"> <EdgeElement Type="Wall"/> </Edge> <Edge Material="Cement" Color="ffffff"> <EdgeElement Type="Wall"/> </Edge> <Edge Material="Cement" Color="ffffff"> <EdgeElement Type="Wall"/> </Edge> <Edge Material="Cement" Color="ffffff"> <EdgeElement Type="Wall"/> </Edge> </Level>

40 40 L ambiente VTP Il codice si divide in due parti: la prima parte (di colore blu), descrive la tipologia del dato da rappresentare, in questo caso una spezzata formante un poligono, con le coordinate georeferenziate che caratterizzano i nodi della polylinea; la seconda parte (di colore verde) si riferisce al materiale da applicare alla struttura, una volta esportata nell ambiente tridimensionale. La mappa stradale è suddivisa, a sua volta, in tre diverse tipologie di strade a seconda della loro dimensione: Figura 20: L immagine mostra chiaramente il formato vettoriali dei dati relativi sia la mappa stradale, sia gli edifici. La sezione successiva mostra come tutti gli elementi contenuti nei diversi layers menzionati, vengano visualizzati, grazie all applicazione Enviro, sottoforma di oggetti 3D Enviro Enviro è un applicazione che permette di visualizzare ambienti tridimensionali virtuali. Infatti, attraverso l esportazione dei dati precedentemente elaborati con VTBuilder, è possibile ottenere un sistema runtime di navigazione 3D.

41 L ambiente VTP 41 Esiste un solo vincolo per poter rappresentare i dati all interno dell ambiente tridimensionale sopra descritto: i files in input ad Enviro devono essere catalogati all interno di determinate cartelle. Le operazioni base che consentono di realizzare quanto descritto, coinvolgono quindi i punti precedentemente analizzati nel paragrafo VTBuilder, per concludere con i passi seguenti. 5. Gestione dei dati in input ad Enviro I dati in input all applicazione devono essere catalogati nelle seguenti cartelle: Data BuildingData: BuildingModels: Culture: Elevation: contiene i dati relativi le planimetrie degli edifici elaborate da VTBuilder; contiene le textures da applicare agli edifici una volta importati nell ambiente 3D; contiene textures ed oggetti 3D in formato 3ds inseribili in tempo reale sul territorio; è una cartella essenziale al fine della rappresentazione tridimensionale di una superficie. Essa contiene il profilo altimetrico, in formato bt, della zona da visualizzare;

42 42 L ambiente VTP GeoSpecific: GeoTypical: Location: PlantData: PlantModels: RoadData: Sky: Terrains: contiene l ortofoto della regione considerata, da sovrapporre al DTM; contiene le textures relative il manto stradale; contiene le coordinate geografiche di doversi punti di vista all interno del territorio 3D (vedi punto successivo); contiene le informazioni relative la tipologia di vegetazione presente nella regione considerata; contiene le textures di ogni specie vegetale che è possibile rappresentare nell ambiente 3D; come già descritto precedentemente, questa cartella contiene il file il formato vettoriale della mappa stradale del territorio considerato; contiene la texture raffigurante il cielo; è una cartella essenziale che contiene un archivio xml ove sono inseriti tutti i files, sopra citati, che l applicazione deve caricare all avvio per ottenere una corretta rappresentazione dell ambiente tridimensionale.

43 L ambiente VTP Rappresentazione tridimensionale del territorio La prima operazione eseguita dall applicazione Enviro, consiste nel caricamento del file xml menzionato precedentemente. Nel dettaglio, questo file contiene le istruzioni che permetto di assegnare a ciascun elemento 3D da visualizzare nell ambiente, il file corrispondente ai dati che caratterizzano l oggetto stesso. Ad esempio, per consentire il caricamento del profilo altimetrico del terreno e della relativa ortofoto, le istruzioni sono le seguenti: <Name>BaselgaDiPine</Name> <Filename>Baselga_1025.bt</Filename> <Texture>1</Texture> <Num_Tiles>4</Num_Tiles> <Tile_Size>2048</Tile_Size> <Single_Texture>baselga.png</Single_Texture> <Base_Texture>baselga_</Base_Texture> <Texture_Format>1</Texture_Format> I due file Baselga_1025.bt e baselga.png devono essere contenuti all interno delle rispettive cartelle, come descritto precedentemente. Il risultato che si ottiene è il seguente: Figura 21: L immagine mostra la rappresentazione di DTM, ortofoto e texture del cielo all interno dell ambiente 3D.

44 44 L ambiente VTP L applicazione consente una gestione automatica del livello di dettaglio in funzione della distanza relativa tra il punto di osservazione e la superficie del territorio. Tale metodo è implementato da un preciso algoritmo e prende il nome di Level of Detail Algorithm (LOD) [17]: Figura 21: L immagine evidenzia come il reticolo nella zona rossa sia nettamente più fitto rispetto a quello contrassegnato nella zona verde. L algoritmo di LOD consente, infatti, di aumentare o diminuire i punti formanti la mesh della planimetria in funzione della distanza dal punto di osservazione. Analogamente a quanto descritto per DTM ed ortofoto, altri dati come la mappa stradale e gli edifici, sono caricato attraverso il file xml nel seguente modo: <Roads>true</Roads> <Road_File>road_baselga.rmf</Road_File> <Highway>true</Highway> <Paved>true</Paved> <Dirt>false</Dirt> <Road_Height> </Road_Height> <Road_Distance> </Road_Distance> <Road_Texture>true</Road_Texture> <Road_Culture>false</Road_Culture> <Type>Structure</Type> <Filename>edifici.vtst</Filename> <Visible>true</Visible> Il risultato che si ottiene è il seguente:

45 L ambiente VTP 45 Figura 22: L immagine mostra l inserimento in Enviro della mappa stradale e degli edifici. L applicazione Enviro consente, inoltre, altre funzionalità quali: salvare posizione ed orientamento della camera in modo tale da poter caricare punti di vista o paesaggi particolarmente interessanti. Tali coordinate vengono memorizzate in file loc all interno della cartella Locations sopra citata; inserire oggetti tridimensionali direttamente nell ambiente 3D come alberi o tralicci: Le caratteristiche di questi elementi 3D, quali textures e geometria, sono contenute all interno delle cartelle precedentemente descritte;

46 46 L ambiente VTP calcolare distanze e dislivelli all interno del territorio 3D, consentendo, in tal modo, di avere una visione prospettica della zona da sezionare. Infatti, la sezione di una regione effettuata in modo tradizionale su una mappa in due dimensioni, non consente di avere una rappresentazione tridimensionale del territorio e quindi non permette di conoscere a priori la morfologia della superficie sulla quale viene effettuata la misurazione. Utilizzando un applicazione di questo tipo è possibile, invece, effettuare i rilievi direttamente nell ambiente tridimensionale: Figura 23: L immagine mostra la stessa misurazione effettuata con Enviro (in alto) e poi con VTBuilder (sotto). La precisione con la quale vengono elaborati i dati è la stessa in entrambe i casi, dipendendo direttamente dal DTM. 3.2 Limiti del sistema VTBuilder ed Enviro, come visto nei paragrafi precedenti, permettono una buona gestione ed elaborazione dei dati GIS cartografici pur avendo, però, alcune restrizioni:

47 L ambiente VTP 47 Il profilo altimetrico del terreno deve rappresentare necessariamente una regione di forma quadrata. Questa limitazione non permette, per esempio, la rappresentazione di una regione definita entro determinati confini: Figura 24: la zona descritta dall immagine a destra non può essere rappresentata all interno dell ambiente tridimensionale, se non considerando la porzione di superficie quadrata che circoscrive la regione in esame. Il rendering della scena 3D viene effettuato sull intero DTM, trascurando il punto di osservazione della camera. Questo limita notevolmente le prestazioni del sistema, in quando si potrebbe omettere dal rendering la planimetria non visibile. La dimensione delle ortofoto da sovrapporre al profilo altimetrico del terreno non può superare la risoluzione massima di 8000x8000 pixel. Questo limita fortemente la definizione dell immagine una volta inserita nell ambiente tridimensionale. Infatti, per avere una risoluzione accettabile

48 48 L ambiente VTP dell ortofoto, si deve diminuire la superficie da caricare in Enviro: Figura 25: A seconda dell estensione della superficie planimetrica, si possono apprezzare diversi livelli di dettaglio. L immagine a sinistra è sovrapposta ad una superficie più estesa rispetta all immagine a destra.

49 Capitolo 4 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Questo capitolo descrive quali sono i principali componenti sviluppati all interno dell applicazione Enviro, finalizzati alla rappresentazione tridimensionale delle informazioni GIS ed al supporto decisionale. L idea di base può essere sintetizzata con il seguente schema:

50 50 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Le funzionalità avanzate evidenziate nel grafico, permettono di estrarre e manipolare, direttamente dall applicazione Enviro, i dati GIS. Questo consente di ottenere un sistema completamente innovativo in grado di far interagire utilizzatore e dati direttamente per via grafica. I macroblocchi principali sono: Elaborazione / Estrazione caratteristiche: Viene applicato sia all output di Enviro sia ai dati cartografici. Nel primo caso consente di estrarre le informazioni di interesse relative a DTM ed ortofoto al fine di memorizzarle all interno di strutture dati create ad hoc. Nel secondo caso, viene effettuato un parsing dei dati cartografici al fine di renderli compatibili con il sistema. Classificazione elementi: Consente di classificare i dati estratti precedentemente all interno di diverse categorie di appartenenza, ad esempio: Edifici - Abitazioni - Stabili per attività produttive - ecc.. Vegetazione - Pino - Quercia - ecc Arredi urbani - Questi dati possono essere esportati dal sistema per stimare una vasta gamma di statistiche, ad esempio: Città di Trento - Abitazioni: Stabili per attività produttive: ecc

51 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 51 Simulazione: Utilizzando requisiti e specifiche ben precise, è possibile effettuare simulazioni sui dati, rendendo visibili i risultati direttamente nell ambiente tridimensionale oppure esportandoli in molteplici formati di dati. Elaborazione geometria tridimensionale: Quest ultimo macroblocco consente di elaborare i dati provenienti dall ortofoto o dalla cartografia e di generare la geometria che dovrà essere successivamente visualizzata nell applicazione. È possibile importare, inoltre, oggetti di tipo 3DS per essere inseriti e visualizzati direttamente nella scena tridimensionale. La nuova applicazione diviene quindi un ottimo strumento di base per simulazioni volte al supporto decisionale per interventi sul territorio, applicati ad una vasta gamma di impieghi. Le sezioni sottostanti descrivono come a partire dall analisi delle immagini siano possibili elaborare dati aggregati che possono essere processati per ottenere informazioni aggiuntive rispetto al semplice dato GIS. 4.1 Analisi delle immagini L analisi ed il filtraggio delle ortofoto sono strumenti molto utilizzati per ottenere o isolare informazioni contenute all interno delle immagini. Come già accennato in precedenza, all aumentare della risoluzione dell ortofoto aumenta di conseguenza la precisione dal dato in uscita dal sistema assieme all informazione che verrà processata ai fine della simulazione. L applicazione sviluppata consente di elaborare direttamente all interno dell ambiente tridimensionale una vasta gamma di filtri applicabili all ortofoto a subito sovrapponibili alla planimetria del territorio in esame. È possibile inoltre limitare l analisi dell immagine a porzioni di territorio, direttamente selezionabili dalla scena 3D, al fine di focalizzare in una precisa località un possibile intervento.

52 52 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Lo schema base che descrive il processo di elaborazione delle immagini è il seguente: Vediamo ora nel dettaglio alcuni esempi di filtri implementati. 1 Filtri base Avviato il sistema, l applicazione visualizza la planimetria con la relativa ortofoto sovrapposta, contenute all interno della cartella Data (vedi Capitolo 3): Figura 26: l immagine mostra una veduta dall alto di Riva del Garda.

53 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 53 Selezionando il filtro opportuno dal menù Navigation, è possibile distinguere all interno della mappa le diverse abitazioni conferendo loro un colore rosso facilmente distinguibile rispetto agli altri elementi nella foto: Figura 27: Questo filtro consente di classificare facilmente zone urbane da vegetazione con una buona precisione. Elaborando successivamente questi dati si possono ottenere mappe utili, ad esempio, per revisionare o modificare piani catastali in una precisa località: Figura 28: l immagine evidenzia la distinzione tramite colorazione di aree appartenenti a classi differenti. Si può notare, inoltre, che l elaborazione dell ortofoto viene applicata solamente in una selezione precedentemente effettuata dall utente.

54 54 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D In questo caso dalla segmentazione si ottengono delle aree aventi diverse colorazioni, appartenenti ciascuna a determinate classi: rosso: giallo: verde scuro: verde chiaro: area urbana area agricola area boschiva prati La gamma di filtri applicabile all immagine da sovrapporre alla planimetria del territorio è molto vasta e personalizzabile a seconda dello scopo dell utilizzatore. 2 Elaborazione congiunta ortofoto dati Questa seconda tipologia di elaborazione, consente di creare ortofoto a partire dai dati disponibili nell applicazioni. Ad esempio, avvalendosi del profilo altimetrico del terreno è possibile generare immagini che evidenziano, con diversi colori, le variazioni di quota: Figura 29: L immagine mostra oltre che tutti gli elementi presenti sulla superficie della planimetria, l elevazione del terreno attraverso curve di livello. In generale, per la generazione delle ortofoto da sovrapporre alla planimetria del territorio in esame, è possibile usufruire: di dati contenuti in appositi files, oppure delle informazioni provenienti da altre immagini:

55 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 55 Figura 30: I dati importati da file, rappresentano, in genere, la cartografia numerica e quindi archivi di tipo shape, dwg o dxf. Ad esempio, utilizzando le informazioni relative ai venti presenti nell alto Garda, è possibile visualizzare nell ambiente tridimensionale le caratteristiche di tali fenomeni: Figura 31: le frecce si riferiscono alle direzioni dei diversi venti. Le colorazioni identificano rispettivamente i seguenti venti: rosso Ora, blu Balì e verde Peler. È possibile,inoltre, sovrapporre più ortofoto alla planimetria al fine di incrementarne il contenuto informativo; ad esempio, utilizzando un ortofoto tradizionale con una semplice cartina topografica si ottiene come risultato l unione di più informazioni.

56 56 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D L utilizzo di immagini termografiche è un tipico esempio di informazione acquisita direttamente da una foto. Nell immagine a fianco si possono notare le diverse colorazioni del lago di Garda in funzione della temperatura dell acqua in superficie. Tale immagine può essere elaborata ed inserita nell applicazione per essere visualizzata all interno della scena tridimensionale. Aggregare e visualizzare diversi contenuti informativi con facilità è quindi, un notevole punto di forza di questa nuova applicazione. Le sezioni sottostanti mostrano come ottenere geometrie tridimensionali dall analisi delle immagini. 4.2 Generazione degli edifici attraverso l analisi dell ortofoto Uno degli obiettivi principali di questo LAVORO DI TESI consiste nell estrazione degli attributi relativi ai diversi oggetti rappresentati nelle ortofoto, al fine di realizzare elementi tridimensionali che si possano visualizzare direttamente all interno della scena 3D. In particolare, questa sezione descrive come avviene il processo di elaborazione che porta all ottenimento degli edifici 3D inseriti nell ambiente virtuale. È possibile rappresentare tale problematica con il seguente schema:

57 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 57 Analizziamo nel dettaglio i vari blocchi: Segmentazione zone urbane La prima operazione che viene effettuata sull ortofoto consiste nell estrazione delle zone urbane. Questa operazione viene effettuata per focalizzare maggiormente le successive elaborazioni e quindi ottenere un risultato più soddisfacente. La segmentazione ha il compito di eliminare dall immagine tutto ciò che non rappresenti edifici al fine di ottenere il seguente risultato: Figura 32: Il risultato della segmentazione è legato direttamente alla risoluzione dell immagine.

58 58 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Le zone contraddistinte dalle gradazioni giallo-rosso identificano le aree occupate dagli edifici che verranno considerate nei punti successivi. Le restanti regioni verdi, come già accennato, saranno omesse dalle elaborazioni successive. Acquisizione attributi edifici Nelle zone di interesse, viene ora applicato un filtro che ha il compito di sovrapporre ad ogni edificio l ellisse che meglio approssima la planimetria di ciascun fabbricato [18]. Per migliorare la comprensione del processo descritto esaminiamo le immagini sottostanti. A partire dall ortofoto in alto, viene effettuata la segmentazione sopra descritta per ottenere l immagine al centro. Nella terza immagine si nota come ogni edificio viene mappato da un ellisse inscritta nella relativa planimetria. Come già citato in precedenza, le aree presenti nella seconda immagine contraddistinte dal colore verde, vengono escluse da questa elaborazione. Prati ed alberi non vengono quindi mappati da nessuna ellisse. Tuttavia, la presenza di altri elementi all interno dell ortofoto può portare all individuazione di oggetti mappati da ellissi pur non essendo edifici (vedi auto nell immaine sopra). Per ovviare a questi casi, vengono escluse dall inserimento all interno della struttura dati, tutte le ellissi aventi

59 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 59 asse maggiore al di sotto di una soglia prefissata. Il dimensionamento di tale soglia è strettamente legato alla risoluzione dell ortofoto. Questo processo viene eseguito per memorizzare all interno della struttura dati sopra citata, la posizione, le dimensioni e l orientamento dei vari edifici. Questo spiega la scelta della geometria ellittica per l individuazione dei diversi fabbricati: Figura 33: I parametri: asse maggiore, asse minore, centro ed inclinazione rappresentano gli attributi che identificano ciascun edificio all interno della struttura dati. Creazione struttura dati salvataggio attributi, riscalamento e posizionamento dell oggetto 3DS Attraverso l operazione di filtraggio precedente, vengono generati, quindi, vari attributi che descrivono le caratteristiche di ciascuna ellisse. Questi valori vengono ora memorizzati all interno di una struttura dati creata ad hoc avente i seguenti parametri: struct stru { IPoint2 center; //centro ellisse IPoint2 dim; //dimensioni assi int angle; //angolo di inclinazione vttransform *obj; //puntatore all elemento nella struttura };

60 60 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Partendo dalla struttura base illustrata, viene creato un vettore (denominato fonda) contenente tali strutture, dimensionato in funzione del numero di edifici presenti nell ortofoto. L elemento 3DS presente nello schema precedente rappresenta l oggetto geometrico che verrà inserito all interno della scena 3D per rappresentare i vari edifici. Tale elemento viene caricato per ogni edificio presente sul territorio e riscalato opportunamente secondo le tre dimensioni, seguendo i valori contenuti all interno della struttura dati creata in precedenza: for(unsigned int x=0;x<pterr->fonda.size();x++) { r=1; sprintf(s,"culture/case/house0%d.3ds",r); pterr->fonda[x].obj = pterr->loadmodel(s); pterr->fonda[x].obj->scale3(pterr->fonda[x].dim.x, 0.5f+random(0.5f), pterr->fonda[x].dim.y); pterr->fonda[x].obj->rotatelocal(fpoint3(0.0f,1.0f,0.0f), ((float)(pterr->fonda[x].angle))*pi/180.0f); pterr->plantmodelatpoint(pterr->fonda[x].obj, DPoint2((((double)(pTerr->fonda[x].center.x)* pterr->getcorners().width())/4096.0) + pterr->getcorners().left, (pterr->getcorners().top - ((double)(pterr->fonda[x].center.y)* pterr->getcorners().height())/4096.0))); pterr->addnodetostructgrid(pterr->fonda[x].obj); } Il codice sopra mostra come viene caricato ed inserito all interno dell ambiente 3D ciascun edificio seguendo i parametri contenuti all interno del vettore denominato fonda. Schematicamente, le operazioni eseguite nel codice sono: 1. caricamento oggetto 3DS attraverso la funzione LoadModel(); 2. RISCALAMENTO dell oggetto 3DS attraverso la funzione Scale3(), effettuato in funzione della dimensione dell asse maggio e minore dell ellisse in esame;

61 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D rotazione dell oggetto attraverso la funzione RotateLocal() in funzione dell angolo di inclinazione dell ellisse; 4. caricamento delle coordinate geometriche x, y, attraverso la funzione PlantModelAtPoint(), identificanti la posizione dell edificio all interno della mappa 3D; 5. inserimento dell oggetto all interno dell albero di scena attraverso la funzione AdNodeToStructGrid(). I punti sopra citati permettono di ottenere il seguente risultato: Figura 34: L immagine mostra degli edifici inseriti nell ambiente 3D, generati a partire dall ortofoto sovrapposta alla planimetria. Le ortofoto a bassa risoluzione non permettono di otte nere un risultato soddisfacente, in quanto le dimensioni degli edifici risultano essere molto inesatte rispetto alle effettive. In questi casi è consigliabile l utilizzo della cartografia numerica come supporto, o in sostituzione, all elaborazione dell immagine al fine di ottenere oggetti con geometria più accurata. Analoghe considerazioni valgono ancor più per la generazione della mappa stradale. Infatti, l acquisizione in formato vettoriale delle varie strade presenti su un territorio, richiede una defini zione dell ortofoto molto elevata. Per questo motivo si è scelto di

62 62 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D importare nell applicazione la mappa stradale attraverso la cartografia numerica. Il risultato ottenuto utilizzando la cartografia è il seguente: Figura 35: L immagine mostra l inserimento di edifici e strade all interno della scena 3D utilizzando la cartografia numerica. 4.3 Generazione della vegetazione L uso della cartografia numerica non sempre è da considerarsi migliore rispetto all elaborazione dell ortofoto sovrapposta alla planimetria. Esaminiamo, ad esempio, l immagine a fianco. L area raffigurata, rappresenta un tipico ambiente boschivo all interno del quale sono presenti alcune piccole radure. La cartografia numerica trascura queste distinzioni e classifica come bosco l intera area in esame. Questa imprecisione comporterebbe un errato posizionamento della vegetazione all interno dell applicazione. Per ovviare a questo problema, si è scelto di utilizzare una tecnica simile alla precedente per

63 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 63 identificare le regioni ove inserire i vari alberi. Tale metodo si può riassumere nei seguenti punti: L ortofoto viene opportunamente filtrato per riconoscere le zone ove sono presenti alberi. A tale scopo, viene generata un immagine ad 1 bit in bianco e nero, avente la stessa risoluzione dell ortofoto originale, ove le aree contraddistinte dal colore nero identificano la presenza di alberi, contrariamente alle aree di colore bianco. Figura 36: Analizzando l immagine a destra si può notare come le radure vengano escluse dalla circostante zona boschiva. A questo punto, vengono generate coppie di coordinate geometriche casuali, interne alla zona in esame. Successivamente, per ogni punto identificato dalle coppie di coordinate, se ne verifica l appartenenza o meno ad una zona boschiva attraverso la lettura dell immagine in bianco e nero:

64 64 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Se la verifica eseguita termina a buon fine si procede con l inserimento della geometria opportuna all interno dell albero di scena. Generalmente gli alberi vengono rappresentati all interno dell ambiente tridimensionale utilizzando una struttura a billboard: Figura 37: L albero viene rappresentato utilizzando due superfici incrociate di 90 gradi e sovrapponendo a ciascuna di esse l immagine della specie vegetale desiderata. Il codice semplificato che svolge queste operazioni è il seguente: vtdib dib; RGBAi color; dib.readpng("../data/geospecific/baselgabn.png"); vtterrain *pterr = GetCurrentTerrain(); double x,y; int ox,oy; //lettura // immagine B&N for(unsigned int a=0;a<650000;a++){ x = pterr->getcorners().left+ //generazione (double)(random((float) // coordinate casuali (pterr->getcorners().width()-10))); y = pterr->getcorners().top- (double)(random((float) (pterr->getcorners().height()-10))); ox=(x-pterr->getcorners().left)* //Conversione pterr->getimage()->s()/ // coordinate: pterr->getcorners().width(); // GEOGRAFICHE oy=(pterr->getcorners().top-y)* // pterr->getimage()->t()/ // PIXEL pterr->getcorners().height(); dib.getpixel32(ox,oy,color); if(color.r==0) PlantATree2(DPoint2(x,y)); else a--; } //Lettura colore //Verifica colore Utilizzando il procedimento descritto, il risultato che si ottiene è il seguente:

65 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 65 Figura 38: L immagine mostra come vengono rappresentati gli alberi all interno dell ambiente tridimensionale. Si può notare che l algoritmo di posizionamento sopra citato è in grado di riconoscere le zone interne ai boschi prive di vegetazione a fusto alto. 4.4 Simulazioni Grazie a tutte le funzionalità descritte in precedenza, questa applicazione si presta particolarmente ad un vasta gamma di simulazioni finalizzate alla valutazione di interventi sul territorio. In particolar modo, a causa della crescente necessità di software per il supporto alla pianificazione di reti di telecomunicazioni wireless [19], esaminiamo ora una possibile simulazione finalizzata alla valutazione dell intensità di campo elettromagnetico in una determinata regione. Le caratteristiche di propagazione del segnale differiscono profondamente a seconda dell ambiente di propagazione, che può essere identificato dai seguenti parametri: Morfologia del terreno; Densità della vegetazione; Altezza e densità dei palazzi; Spazi aperti e superfici d acqua.

66 66 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D Come si può notare, tutte queste informazioni sono facilmente ottenibili dall applicazione sviluppata. In particolare, gli ambienti di propagazione vengono classificati sulla base del rapporto tra l area occupata dagli edifici e l area totale. Tale rapporto è detto Ground Occupation Rate (GOR) ed è circa uguale a: Tipo regione Descrizione GOR Densamente urbanizzata Urbana Suburbana Rurale Tipica business area cittadina, ove si trovano principalmente uffici e qualche residenza privata. Gli edifici facenti parte di questa categoria sono composti principalmente di cemento, metallo e vetro, e raggiungono un altezza media che supera i 15 piani. Regione composta da edifici adibiti per la maggior parte a residenze private ed uffici. Queste costruzioni hanno un altezza che può variare dai 10 ai 15 piani. Regione composta da edifici costruiti principalmente di mattoni, cemento e ferro. La loro altezza può variare da 2 a 5 piani. Pochi edifici disseminati su una vasta area ove si trova in prevalenza vegetazione 1 0,7 0,9 0,1 0,6 < 0,1 L individuazione di queste aree è morto importante ai fine della valutazione dell intensità di campo, in quanto, il segnale subisce diverse tipologie di attenuazioni in funzione della zona in cui si sta propagando. Infatti, oltre alla normale dispersione di potenza dovuta alla distanza tra antenna trasmittente e ricevente (pathloss), si deve considerare anche l attenuazione supplementare del segnale dovuta all oscuramento prodotto da ostacoli naturali o artificiali (shadowing). Quindi, tanti più ostacoli si pongono tra trasmettitore e ricevitore, tanto più il segnale verrà attenuato.

67 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D 67 Un modello globale per il pathloss, comprendente anche gli effetti dello shadowing, adatto per ambienti radiomobili cellulari può essere così definito: Il valore del parametro GOR va ad influenzare l esponente di pathloss, che assume quindi diversi valori in funzione della regione di propagazione. Utilizzando le nozioni descritte sopra, e stabilendo la posizione delle varie antenne sulla superficie della regione in esame, si è ottenuto il seguente risultato: Figura 39: L immagine mostra una simulazione di propagazione di campo elettromagnetico per telefonia cellulare UMTS. I risultati di tutte le simulazioni vengono, quindi, convertiti in un immagine da sovrapporre alla planimetria del territorio in esame. Utilizzando questa tecnica è possibile effettuare una distinzione logica tra la parte software

68 68 Analisi delle immagini e generazione degli oggetti 3D adibita unicamente alla simulazione ed il motore di rendering volto a generare la scena virtuale. Questo consente una maggiore flessibilità e un conseguente aumento della gamma di impieghi possibili per l applicazione.

69 Capitolo 5 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati Come già citato in precedenza, una delle principali finalità dell applicazione sviluppata consiste nell associare e gestire più tipologie di dati con una sola piattaforma software, volta a risolvere problematiche anche molto diverse tra loro. A questo scopo, all interno del progetto principale, sono stati inseriti alcuni applicativi Open Source finalizzati ad implementare funzionalità avanzate di particolare interesse. Questi software aggiuntivi sono: OpenCV : è una raccolta di funzioni C e classi C++ che implementano alcuni popolari algoritmi relativi all analisi di Immagini e più in generale alla Computer Vision. AppGPS: è una piccola applicazione Open Source che permette l interfacciamento con un antenna GPS. MapPoint : è una stradario tradizionale contenente le mappe di tutti gli stati europei. Le sezioni sottostanti descrivono nel dettaglio le caratteristiche principali delle applicazioni integrate.

70 70 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 5.1 OpenCV OpenCV è un prodotto software sviluppato da Intel nato come libreria di tools per la visione computerizzata [21]. Tale libreria è stata concepita per migliorare l'acquisizione e l'elaborazione delle immagini fornendo codice sorgente per una vasta gamma di funzioni, finalizzate a risolvere problematiche legate all immage processing. In particolare, queste funzioni IN LINGUAGGIO C vengono richiamate dal codice dell applicazione principale e utilizzate per elaborare le ortofoto da sovrapporre alla planimetria del territorio in esame. Tecnicamente, per poter usufruire delle funzionalità di OpenCV, è stata creata una classe all interno del software principale (denominata myopencv), ove includere le librerie necessarie all esecuzione dei vari filtri immagine implementati dal programma esterno. Lo schema sottostante rappresenta come avviene l inclusione delle varie funzioni OpenCV : Le tipologie di filtri disponibili all interno delle librerie OpenCV molteplici e riguardano [22]: Elaborazione di immagini o Calcolo gradiente e contorni; o Campionamento immagine ed interpolazione colore; o Trasformate; o Calcolo istogramma; o Matching di elementi interni all immagine; o Filtri e conversione colore; sono

71 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 71 Analisi geometrie raffigurate o Estrazione dei contorni; o Calcolo ed estrazione di geometrie; Riconoscimento di Pattern o Object detection; Utilizzando queste funzionalità è possibile incrementare ulteriormente il contenuto informativo di un ortofoto visualizzando all interno dell ambiente tridimensionale l immagine elaborandola dal filtro opportuno. Riportiamo di seguito alcuni esempi Estrazione perimetro degli edifici Questo filtro consente di estrarre la geometria del perimetro dei vari edifici rappresentati nell ortofoto: Figura 40: L immagine evidenzia il perimetro delle strutture rappresentate, dove ciascuna geometria evidenziata rappresenta un oggetto caratterizzato dalle coordinate dei vertici formanti ogni poligono. Questa funzionalità può permettere di classificare e catalogare gli edifici in funzione dell area da loro occupata oppure della loro geometria. Tuttavia, l utilizzo di questo algoritmo per la generazione degli oggetti 3D raffiguranti le varie costruzioni, richiederebbe una risoluzione dell ortofoto molto elevata rallentando notevolmente le prestazioni del sistema. Per questo

72 72 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati motivo si è preferito utilizzare la già nota tecnica a sovrapposizione di ellissi Calcolo di aree geometriche Questo algoritmo sviluppato in OpenCV consente di determinare la minima area concava o convessa che circoscrive un set di punti prestabiliti. A tale scopo, molto spesso si ha la necessità di individuare porzioni di territorio ove si manifestano determinati fenomeni, al fine di pianificare in modo corretto e preciso specifici interventi. Ad esempio, in ambito della sicurezza, è importante individuare quali sono le aree all interno delle quali sono presenti edifici di particolare interesse artistico culturale al fine di salvaguardare la loro integrità ed incolumità: Figura 41: I punti verdi disegnati sulla mappa evidenziano i luoghi sensibili all interno del centro urbano raffigurato. La funzione sopra citata permette di individuare il perimetro dell area a rischi e grazie a questo, consente di calcolare l estensione della zona in cui progettare l intervento. Come risultato di questa elaborazione si ottiene il vettore dei punti che racchiudono la porzione di territorio sopra indicata. All interno dell ambiente tridimensionale, il risultato che si ottiene è il seguente:

73 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 73 Figura 42: All interno della scena 3D, l area di intervento viene visualizzata con un perimetro di colore rosso ben visibile. Nel dettaglio, la funzione che effettua questa elaborazione è la seguente: CvSeq* cvconvexhull2( const CvArr* points, void* hull_storage=null, int orientation=cv_clockwise); points: Vettore dei punti in input; hull_storage: Indirizzo di memoria ove verrà memorizzato il poligono orientation: verso di orientazione del poligono. 5.2 AppGPS AppGPS è una semplice applicazione sviluppata in C utilizzata per acquisire la posizione geografica da un antenna GPS esterna e posizionare un marker in corrispondenza delle rispettive coordinate. Utilizzando le potenzialità dell applicazione sviluppata, è possibile, quindi, creare un navigatore tridimensionale virtuale. Una delle problematiche più importanti affrontate durante la fase di interfacciamento tra applicazione ed antenna GPS, riguarda la conversione da coordinate geografiche (lette direttamente dal dispositivo) a coordinate gaussiane (utilizzate dall applicazione). Le sezioni sottostanti

74 74 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati descrivono le operazioni effettuate per giungere alla compatibilità dei due sistemi Conversione da coordinate geografiche a gaussiane e viceversa Nel sistema UTM (Universal Transverse Mercator) ogni punto del globo terrestre resta individuato da una coppia di valori che costituiscono le coordinate chilometriche o gaussiane. Queste, ricavate dal reticolato chilometrico già tracciato sulle carte topografiche, vengono definite [23]: Coordinata Nord: distanza dall'equatore; Coordinata Est: distanza dal meridiano centrale di tangenza del fuso al quale appartiene il punto. La rappresentazione cartografica del territorio italiano è contenuta entro due fusi, tra loro sovrapposti di 30', aventi ognuno un'ampiezza angolare di 6. Il primo fuso (fuso ovest o fuso 32 UTM) è compreso tra i 6 e i 12 Est da Greenwich mentre il secondo fuso (fuso est o fuso 33 UTM più una

75 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 75 piccola parte del 34) è compreso tra i 12 e i 18 30' Est da Greenwich e aventi, rispettivamente, come meridiano centrale di tangenza quello di 9 e di 15 Est da Greenwich. Descritte queste informazioni preliminari, le formule di conversione implementate nell applicazione sono: 1 Da geografiche (L;Φ) a gaussiane (E utm ;N utm ): B L L 0 w 2 1 0, cos ( ) con L 9 o L 15 a seconda che il punto appartenga al fuso ovest 0 od est. 0 tan( ) A arctan cos( w B) v 2 1 0, cos ( A) Y cos( A) tan( B) ,633 arcsin h v N utm ,08210 A 16100,59187 sin(2a) 16,96942 sin(4a) 0,02226 sin(6a) E utm y Da gaussiane (E utm ;N utm ) a geografiche (L;Φ): A N 0, sin 2 N utm utm , ,08210

76 76 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati Nutm 0, sin ,08210 Nutm 0, sin ,08210 v 1 0, cos 2 A y E utm y v sinh ,633 B arctan cos( A) arctan[tan( A) cos( v B)] L B L 0 Anche in questo caso con L 9 o L 15 a seconda che il punto 0 0 appartenga al fuso ovest od est Interfacciamento AppGPS L operazione successiva consiste nel connettere l antenna GPS all elaboratore attraverso una connessione Bluetooth. Un requisito importante per il corretto funzionamento del sistema, riguarda il protocollo utilizzato dall antenna che deve essere necessariamente NMEA0183. Il software Open Source consente di configurare sia il numero della porta seriale di comunicazione (COM1, COM2, COM3 ) sia le caratteristiche della porta stessa (velocità della connessione, dimensione byte, bit di parità e bit di stop).

77 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 77 La funzione principale che effettua la decodifica dell informazione proveniente dal dispositivo Bluetooth è la seguente [24]: UINT MyThread(LPVOID pparam) { CAddGPSDlg* pdlg=(caddgpsdlg*) pparam; CSerialCom Serial; NMEA0183 nmea0183; CStringList StrList; //assegnezione protocollo if (!Serial.OpenPort("COM9")) //assegnazione porta { pdlg->c_static.setwindowtext("can't Open Port!"); return 0; } //configurazione porta seriale Serial.ConfigurePort(4800, 8, FALSE, NOPARITY, TWOSTOPBITS); //lettura dati antenna e successivo inserimento all interno della variabile Data... BOOL Return=Serial.ReadByte(DataByte); while (DataByte!='\r' && DataByte!='\n' && Return==TRUE) { Data[nIndex]=DataByte; nindex++; Return=Serial.ReadByte(DataByte); }... Serial.ClosePort(); //Chiusura porta seriale return 0; } Lo schema funzionale che descrive le operazioni fondamentali da effettuare per poter utilizzare un dispositivo GPS all interno dell applicazione principale è il seguente:

78 78 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati Visualizzando l interfaccia standard di AppGPS, il risultato che si ottiene è il seguente: Figura 43: Le informazioni visualizzate dall applicazione AppGPS sono di tipo testuale e identificano rispettivamente: ora della rilevazione, Latitudine, Longitudine, numero di satelliti disponibili. Inserendo all interno del software principale le coordinate gaussiane riferite alla posizione attuale letta dall antenna GPS, si può ottenere una soluzione di navigazione tridimensionale innovativa, come mostra la figura sottostante: Figura 44: Utilizzando questa applicazione è possibile ottenere una soluzione di navigazione all avanguardia, avente una grafica molto simile agli applicativi dedicati all intrattenimento. Utilizzando come base software, una piattaforma GIS ed un dispositivo GPS in cui ogni elemento inserito nella scena 3D è caratterizzato da coordinate georeferenziate, le soluzioni applicative sono molteplici e di particolare interesse.

79 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati MapPoint MapPoint è un applicazione sviluppata da Microsoft che consente numerose funzionalità. Le più importanti sono [25]: Capacità di relazionare mappe e dati; Visualizzazione delle informazioni caratterizzanti una determinata area geografica; I dati sono facilmente utilizzabili per realizzare analisi geostatistiche; Possibilità di utilizzare funzioni di geomarketing; Possibilità di integrare dati aziendali e dati demografici con mappe dettagliate per individuare tendenze e opportunità commerciali; Capacità di creare soluzioni di localizzazione; Capacità di creare una gestione cartografica personalizzata; Monitoraggio e controllo del territorio; Completa integrazione con gli applicativi Office ; Possibilità di definire percorsi automobilistici; Individuazione dei principali punti di interesse (POI) presenti in una determinata area geografica; Vasta gamma di mappe stradali (disponibile in pacchetti opzionali) relative ad Europa, Stati Uniti d America, Canada ecc ; Possibilità di accedere al database MapPoint utilizzando una libreria tlb. Quest ultimo punto risulta essere particolarmente interessante per l applicazione sviluppata in questo progetto. Infatti, grazie alla libreria MPEU82.tlb, presente nella cartella di installazione di MapPoint, è possibile accedere direttamente all applicazione per effettuare ricerche ed ottenere, così facendo, descrizione e coordinate GPS dei principali punti di interesse di una specifica area geografica.

80 80 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati L utilizzo diretto delle funzioni appartenenti a tale libreria nell ambiente.net permettono di ottenere i seguenti risultati: Ricerca di edifici, luoghi o paesi di particolare interesse L applicazione principale consente di effettuare una chiamata in background per avviare MapPoint e far ritornare le informazioni desiderate. Ad esempio, inserito come testo della ricerca: duomo Trento, il risultato che si ottiene è il seguente: Figura 45: L applicazione consente di visualizzare all interno della scena 3D i risultati ottenuti tramite MapPoint.

81 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 81 Ricerca di luoghi o edifici per categorie di appartenenza Utilizzando lo stesso procedimento descritto nel punto precedente, è possibile interrogare l applicazione MapPoint per visualizzare all interno della scena tridimensionale tutti i punti di interesse (POI) appartenenti ad una certa zona, classificandone anche la categoria di appartenenza. Le classi principali in cui vengono suddivisi i vari punti sono: Aeroporti; Luoghi turistici di particolare interesse; Stazioni; Municipi; Edifici adibiti a centri economico-finanziari di importanza nazionale; Centri congressi; Centri divertimento; Parchi; Ospedali; Motel Hotel; Monumenti; Parcheggi auto; Aree di servizio; Ristoranti; Centri shopping; Ecc ; Nel dettaglio, il procedimento per ottenere la rappresentazione dei diversi POIs all interno dell ambiente 3D è il seguente: 1 Identificazione del luogo centrale a partire dal quale estendere la ricerca; 2 Impostare il raggio entro cui rappresentare e ricercare i diversi punti di interesse;

82 82 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 3 Impostare il nome della categoria o delle categorie da visualizzare; 4 Inserimento dei simboli in formato 3DS all interno della scena 3D atti a rappresentare i diversi POIs; 5 Acquisizione di informazioni aggiuntive relative la località selezionata (ad esempio: nome categoria di appartenenza, nome località, indirizzo, numero civico, ecc ) al fine di interrogare i diversi punti per visualizzare tali dati; Il codice C++ che permette di eseguire queste operazioni è il seguente: //Istruzioni preliminari per avviare l applicazione MapPoint ; CoInitialize( NULL ); g_pmappoint.createinstance( "MapPoint.Application" ); mymapptr = g_pmappoint->activemap;... void Enviro::InsertPOI(){ vtterrain *pterr = GetCurrentTerrain(); //La funzione mapinit permette di ricevere in ingresso i seguenti parametri: //A: punto centrale della ricerca (centro di Trento) // attraverso coordinate geografiche (Latitudine,Longitudine); //B: raggio entro cui effettuare la ricerca; //C: categoria da ricercare; mycat = ComInterfaces::mapInit( , , 2.0f, "All");... }... //Per ciascun POI viene generato il testo da visualizzare al //momento della richiesta di informazioni aggiuntive _bstr_t strpoi = strcategoryname +" - " + strcategoryspecific + "\n" + totstreet; //Le caratteristiche che identificano ciascun POI vengono inserite //all interno di una struttura dati, per facilitare la ricerca //delle varie informazioni eventualmente richieste //dall utilizzatore strcpy(vetcat[ind].desc, _com_util::convertbstrtostring(strpoi.getbstr())); strcpy(vetcat[ind].group, _com_util::convertbstrtostring(strcategoryname.getbstr())); vetcat[ind].dim = count; vetcat[ind].lat = la; vetcat[ind].lon = lo; Come si può notare dal codice sopra, le coordinate dei vari punti di interesse, vengono fornite da MapPoint in formato geografico, mentre, come descritto in precedenza, l applicazione principale

83 Funzionalità avanzate ed applicativi integrati 83 gestisce solamente coordinate gaussiane. Questa problematica viene risolta sfruttando la formulazione matematica descritta in precedenza, relativa all applicazione GPS di nome AppGPS. Il risultato ottenuto attraverso l implementazione del codice sopra descritto, è il seguente: Figura 46: L immagine mostra la visualizzazione dei vari POIs acquisiti da MapPoint, classificati ciascuno nella propria categoria di appartenenza. Visualizzazione di contenuti Flash Al fine di arricchire ulteriormente il contenuto informativo relativo ai dati visualizzabili interrogando ciascun POIs, è possibile eseguire un applicazione Macromedia Flash in grado di rappresentare un contenuto multimediale specifico per gli edifici o i luoghi di particolare interesse. A tale scopo è necessario creare un database di presentazioni Flash per ciascuna località direttamente eseguibili dall applicazione principale attraverso le seguenti istruzioni: /***Applicazione Flash**/ if(strstr(desc,"consiglio")!= NULL) spawnlp(1,"culture/pres/buonconsiglio.exe", "Culture/pres/nome_presentazione.exe",0);

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