Parte 1 INTRODUZIONE AI GIS (Geographical Information Systems)

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1 Parte 1 INTRODUZIONE AI GIS (Geographical Information Systems) Docente Giuseppe Modica tel A.A Principali argomenti trattati Ambiti di utilizzo di un GIS Definizione e architettura di un GIS Dato e informazione Caratteristiche dell informazione territoriale Brevi cenni di cartografia, con specifico riferimento al problema della rappresentazione della superficie della terra, alle rappresentazioni cartografiche e ai sistemi di coordinate in uso in Italia Il modello dei dati (Vettoriale e Raster) in un GIS: struttura e differenze La topologia in un GIS: problematiche ed errori ricorrenti Origine dei dati Cenni alle potenzialità dell informazione territoriale 2 1

2 Urban Planning, Management & Policy Zoning, subdivision planning Land acquisition Economic development Housing renovation programs Emergency response Crime analysis Tax assessment Environmental Sciences Monitoring environmental risk Modeling stormwater runoff Management of watersheds, floodplains, wetlands, forests, aquifers Environmental Impact Analysis Hazardous or toxic facility siting Groundwater modeling and contamination tracking Alcuni ambiti di utilizzo dei GIS Civil Engineering/Utility Locating underground facilities Designing alignment for freeways, transit Coordination of infrastructure maintenance Education Administration Attendance Area Maintenance Enrollment Projections School Bus Routing Real Estate (patrimonio immobiliare) Neighborhood land prices Traffic Impact Analysis Determination of Highest abest Use Political Science Analysis of election results Predictive modeling Business Demographic Analysis Market Penetration/ Share Analysis Site Selection Health Care Epidemiology Needs Analysis 3 Alcune definizioni dei GIS A GIS is a powerful set of tools for collecting, storing, retrieving at will, transforming, and displaying spatial data from the real world (BURROUGH, 1986). (Un GIS è un potente insieme di strumenti per acquisire, memorizzare, estrarre a volontà, trasformare e visualizzare dati spaziali dal mondo reale) A GIS is a computer system that can hold and use data describing places on earth s surface (RHIND, 1989). Un GIS è un sistema che può mantenere ed usare dati che descrivono posti sulla superficie terrestre. A Geographical Information System is a group of procedures that provide data input, storage and retrieval, mapping and spatial analysis for both spatial and attribute data to support the decision-making activities of the organization (GRIMSHAW, 1994). Un sistema informativo geografico è un gruppo di procedure che consentono input, memorizzazione, accesso, mapping e analisi spaziali sia per dati spaziali sia per agli ttributi, per supportare le attività decisionali dell organizzazione. 4 2

3 Architettura di un SIT (Sistema Informativo Territoriale) SISTEMA in quanto composto da un insieme di risorse (umane, infrastrutturali, dati) e di procedure (acquisizione, archiviazione, elaborazione, presentazione, trasmissione). Risorse Umane Software GIS INFORMATIVO perché basato su sistemi informatici. Si tratta di software progettati per il trattamento [acquisizione, gestione, analisi e rappresentazione) di dati territoriali (GIS)]. SIT Dati TERRITORIALE: tutte le informazioni sono georiferite, ad esse sono cioè associate le coordinate spaziali secondo il sistema di riferimento adottato. Hardware Procedure 5 Architettura di un SIT (Sistema Informativo Territoriale) Le sei parti componenti di un GIS (fonte: Longley et al., 2005) 6 3

4 Architettura di un GIS Modello di GIS secondo Eastman (2001) Immagini Il cuore del sistema è il DATABASE GEOGRAFICO, ossia una collezione di mappe digitali con informazioni spaziali associate. Come si può vedere dalla figura, il database geografico si può dividere in due componenti essenziali: la prima è quella spaziale, e ad essa sono riferite le informazioni di topologia e posizione in un sistema di coordinate noto; la seconda è quella relativa agli attributi associati agli elementi spaziali. Mappe Re p ort sta tistic i Sta tistic he Ta b e lle Mappe tematiche Non tutti i software consentono tutte le possibilità di analisi rappresentate in questa figura ma, anche alla luce delle innovazioni tecnologiche intercorse dalla loro comparsa, è auspicabile che qualunque prodotto commerciale possegga le capacità operative qui rappresentate. 7 Caratteristiche delle informazioni territoriali GEOMETRIA Forma Dimensione (lunghezza, area, volume) Distanze Angoli Primitive geometriche TOPOLOGIA degli oggetti (nello spazio) Contenimento Adiacenza Connessione La topologia è oggi una disciplina delle scienze matematiche che si occupa principalmente dello studio delle proprietà delle figure e delle forme che non cambiano quando viene effettuata una deformazione senza "strappi", "sovrapposizioni" o "incollature". Concetti fondamentali sono: continuità, connessione, ecc. Per TOPOLOGIA si intende un insieme di regole per definire, in maniera esplicita, i rapporti di connessione e di continuità tra gli elementi spaziali e per collegare tali elementi ai relativi attributi. AL VARIARE DI FORMA E DIMENSIONE DEGLI OGGETTI, LE PROPRIETÀ DI POSIZIONE NON VARIANO INFORMAZIONE DATI DATI sono gli elementi disponibili per descrivere un oggetto o un evento INFORMAZIONE è un insieme di dati utilizzati (da un essere umano ) per uno scopo 8 4

5 I componenti l informazione territoriale INFORMAZIONE SPAZIALE NON SPAZIALE TERRITORIALE NON TERRITOR. SIT COMPONENTE SPAZIALE posizione, forma, dimensioni, proprietà topologiche CAD Computer Aided Desing MIS Management Information Systems COMPONENTE NON SPAZIALE dati descrittivi (attributi) 9 Definiamo Informazione georeferenziata ogni informazione che possa essere messa in relazione con una porzione o una posizione di territorio secondo un sistema di coordinate definito come riferimento. La distribuzione degli abitanti sul territorio La portata di un fiume in ogni punto L ubicazione di aziende agricole in un ambito rurale Confini amministrativi Utilities Zoning Buildings Parcels Hydrography Streets Digital Orthophoto 10 5

6 Parte 2 IL PROBLEMA DELLA RAPPRESENTAZIONE DELLA SUPERFICIE DELLA TERRA 11 La realizzazione di una cartografia è finalizzata alla rappresentazione metrica della realtà che ci circonda. Una rappresentazione CARTOGRAFICA è una espressione analitica che stabilisce una corrispondenza biunivoca fra i punti della superficie terrestre, o di una parte di essa, e i punti di un piano opportunamente scelto. 12 6

7 La rappresentazione della superficie terrestre sul piano genera inevitabilmente deformazioni di tipo areale, lineare, di direzione, ecc. La risoluzione del problema cartografico, consiste nel rappresentare, in un unico sistema di riferimento, punti della superficie terrestre. Il sistema di riferimento è un sistema cartesiano ortogonale: N, E, h. A seconda del tipo di equazioni utilizzate si avranno differenti rappresentazioni della medesima porzione della superficie terrestre. Geometricamente Proiezioni azimutali 13 PROIEZIONI AZIMUTALI Sono proiezioni generate per proiezione di una porzione della superficie, da un punto dello spazio, su un piano. Le distinguiamo in: 1 - Ortografiche il punto di vista si trova a distanza infinita rispetto al piano di proiezione 2- Centrografiche (o gnomoniche): il punto di vista si trova al centro della superficie di riferimento; 3 - Stereografiche il punto di proiezione è sulla superficie di riferimento nel punto opposto rispetto al centro della porzione da rappresentare; 4 - Scenografiche il punto di vista è al di fuori della superficie di riferimento, a distanza non infinita, sulla retta congiungente il centro della zona da rappresentare con il centro della superficie di riferimento

8 PROIEZIONI per SVILUPPO Si ottengono dalla proiezione su un CILINDRO (Cilindriche) o su un CONO (Coniche) e loro successivo sviluppo su un piano: 1 2 Diagram of the (a) conic and (b) cylindrical projections (fonte: Gomarasca, 2009) 15 E = f (, ) N = g (, ) Per ottenere una rappresentazione cartografica di una certa zona terrestre sarà necessario ricavare due funzioni f (, ) e g (, ) tali che ad ogni coppia di valori (, ) facciano corrispondere una coppia (ed una sola) di valori (x,y). 16 8

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11 FORMA DELLA TERRA Scelto un punto P rigidamente collegato alla terra si conduce per esso la normale alla superficie di riferimento. La normale individuerà un punto P. La posizione del punto risulterà così nota quando si conosceranno la lunghezza del segmento PP e la posizione di P rispetto ad un opportuno sistema di coordinate. Il GEOIDE è definibile come la superficie equipotenziale (luogo geometrico dei punti della terra che hanno il medesimo potenziale gravitazionale) passante per il livello medio del mare. In altre parole, il Geoide si può definire come la superficie normale in ogni punto alla direzione della verticale, cioè alla direzione della forza di gravità. Il GEOIDE è la superficie di riferimento per le quote altimetriche 21 FORMA DELLA TERRA COORDINATE GEOIDICHE Il GEOIDE è definibile come la superficie equipotenziale passante per il livello medio del mare 22 11

12 FORMA DELLA TERRA superfici di riferimento L ellissoide biassiale è generato dalla rotazione di un ellisse attorno al suo asse minore ed è definito da due parametri, ad es. dalla lunghezza dell asse minore o dell asse maggiore e da una quantità ausiliaria dipendente dai due semiassi. Lo scostamento tra ellissoide e geoide è pari a un centinaio di metri. La forma del geoide dipende dalla distribuzione irregolare delle masse all interno della Terra e non può essere descritta da un equazione matematica chiusa come l ellissoide. Le sue proprietà fondamentali, sono: Il potenziale W del campo di forza della gravità è costante su di essa; La linea di forza, cui è tangente in ogni punto la verticale, è perpendicolare ad essa ovunque. La tangente alla linea di forza coincide con la direzione della gravità e il geoide è una superficie liscia senza lacerazioni o discontinuità. 23 SFEROIDE SFEROIDE La prima superficie in grado di approssimare il geoide è una superficie di rotazione attorno all asse Z che prende il nome di sferoide. Quello che passa per un punto prefissato del livello medio del mare prende il nome di SFEROIDE TERRESTRE La sua equazione è molto semplice in coordinate polari, più complessa in coordinate cartesiane sostituiamo allo sferoide un ELLISSOIDE di rotazione 24 12

13 Equazione dell ellissoide = 1 Se due dei semiassi hanno dimensioni uguali, l'ellissoide si dice Sferoide* o ELLISSOIDE DI ROTAZIONE L equazione dell ELLISSOIDE DI ROTAZIONE è semplice; si è quindi assunta, a superficie di riferimento per la terra Schiacciamento polare (Flattening) Parametri Ellissoide Internazionale di Hayford 1924 Eccentricità 1 Gli Ellissoidi di interesse per l Italia Ellissoide a [m] α b [m] e 2 WGS84 (1984) /298, ,314 6, x 10-3 HAYFORD (1924) / ,946 6, x 10-3 BESSEL (1841) ,155 1/299, ,963 6, x 10-3 * In geometria lo Sferoide può essere descritto anche come un Ellissoide che ha i 2 semiassi equatoriali uguali 25 RAPPRESENTAZIONE DI UN PUNTO SULL ELLISSOIDE Stabilita la superficie di riferimento, per definire la posizione dei punti è necessario fissare opportuni sistemi di coordinate. La posizione di un punto rispetto ad un sistema si può restituire in due modi: X, Y, Z: coordinate cartesiane rispetto al centro della terra.,, h : coordinate geografiche 26 13

14 Il sistema più generale ed universalmente adottato in geodesia è quello delle COORDINATE GEOGRAFICHE costituite da due angoli che definiscono la normale alla superficie nel punto P considerato. Z' La LONGITUDINE () è definita come l'angolo diedro formato fra il piano costituito dalla normale (passante per l asse di rotazione) e dalla retta z' (parallela all'asse Z, passante anch'essa per P) ed il piano ZX, assunto come origine riferimento (Meridiano fondamentale Greenwich). L ubicazione sulla superficie terrestre è espressa in gradi LATITUDINE LONGITUDINE 90 ϕ λ +180 La LATITUDINE () è definita come l'angolo diedro formato dalla normale alla superficie, passante per il punto P, con il piano equatoriale dell ellissoide. 27 Per MERIDIANO si intende il circolo massimo ottenuto dall'intersezione tra la superficie della Terra e un ipotetico piano passante per l'asse di rotazione terrestre L'EQUATORE terrestre è la linea immaginaria (se ci riferiamo al piano parliamo di piano equatoriale) formata dall'intersezione della Terra con un piano perpendicolare all'asse di rotazione terrestre e passante per il centro Tutti i punti aventi uguale latitudine giacciono lungo una curva detta parallelo Tutti i punti aventi uguale longitudine giacciono su una curva detta meridiano 28 14

15 Proiezioni cartografiche Per proiezione cartografica si intende quella tecnica di formazione di una carta ottenuta proiettando geometricamente i punti dell ellissoide su una superficie sviluppabile sul piano. Nelle proiezioni cilindriche, i punti della superficie terrestre vengono proiettati, dal centro su un cilindro ad essa tangente, oppure secante. PROIEZIONI CILINDRICHE In relazione alla posizione dell'asse di tale cilindro, rispetto all'asse di rotazione, le proiezioni cilindriche si possono distinguere in: CILINDRICHE DIRETTE, se l'asse del cilindro coincide con l'asse di rotazione della terra; CILINDRICHE TRASVERSE, se l'asse del cilindro è normale all'asse di rotazione terrestre. 29 SISTEMI DI COORDINATE PROIEZIONI CILINDRICHE Nel caso delle proiezioni cilindriche i punti della superficie terrestre (supposta sferica) vengono proiettati, dal centro su un cilindro ad essa tangente, oppure secante. Proiezione cilindrica centrale diretta (fonte: Gomarasca, 2009) Meridiani e paralleli risultano retti e si intersecano a 90 rispettano l area i meridiani risultano equispaziati, i paralleli no distorsioni di forma e scala via via che ci si allontana dall equatore 30 15

16 SISTEMI DI COORDINATE PROIEZIONI CILINDRICHE CILINDRICHE TRASVERSE Nel caso delle proiezioni cilindriche i punti della superficie terrestre (supposta sferica) vengono proiettati, dal centro su un cilindro ad essa tangente, oppure secante. Proiezione cilindrica centrale inversa; in basso i fusi dal 32 al 34 (fonte: Gomarasca, 2009) 31 16

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