MODELLI 3D DELLA CITTÀ E DEL TERRITORIO: UNO STRUMENTO PER ANALISI URBANE E TERRITORIALI

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1 MODELLI 3D DELLA CITTÀ E DEL TERRITORIO: UNO STRUMENTO PER ANALISI URBANE E TERRITORIALI A.Adami*, F.Guerra** * 2 anno di corso Dottorato in Geodesia e Geomatica DIIAR Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Ambientale e del Rilevamento Sezione Rilevamento Politecnico di Milano - P.zza Leonardo da Vinci Milano ** professore associato in Topografia e Cartografia Università IUAV di Venezia laboratorio di fotogrammetria Circe s. croce 1624, Venezia KEY WORDS: 3d city model, modello mappato, cartografia 3d, carte tematiche, dtm RIASSUNTO In questo articolo si vuole evidenziare come le nuove tecnologie informatiche abbiano consentito, anche in ambiente cartografico, un evoluzione sia per quanto riguarda le tecniche di acquisizione, gestione e rappresentazione dei dati georeferenziati, sia per quanto riguarda la facilità di utilizzo del dato acquisito. Si è osservato inoltre un aumento della domanda per una cartografia, digitale, maggiormente rappresentativa della realtà e diffusa. Si richiede una maggiore rappresentatività non solo del fenomeno fisico, per consentire ad esempio un immediata comprensione del dato altimetrico, ma anche di altri dati sociali, economici e culturali necessariamente legati agli aspetti geografici. La necessità di una cartografia diffusa deriva invece dal sempre maggior utilizzo da parte di un ampia fascia di pubblico, spesso non specialistico, dei prodotto cartografici. Tra le diverse forme di cartografia digitale, quella che sembra rispondere in modo adeguato a queste necessità è senza dubbio la cartografia tridimensionale. Con questo termine non si identifica un unico prodotto cartografico, ma un intera famiglia a cui corrispondono diversi gradi di precisione e di rappresentatività della realtà. Tra questi ad esempio i modelli digitali del terreno, DTM, oppure i modelli tridimensionali con il costruito modellato e infine con l identificazione delle reti viarie. Oltre alle informazioni legate al modello geometrico, possono essere fornite informazioni qualitative derivanti da foto aeree e terrestri opportunamente trattate. Esiste quindi la possibilità di realizzare ortofoto e di mapparle sul DTM per ottenere una descrizione del territorio il più possibile aderente alla realtà. La cartografia digitale 3d, realizzata con strumenti e tecniche tradizionali o moderni, si presta ad un utilizzo in diversi settori. Essa viene infatti utilizzata nella progettazione di reti di telecomunicazioni, nella realizzazione di GIS tridimensionali pensati per scopi turistici, amministrativi o professionali e infine nella verifica degli impatti ambientali. Altri ambiti che prevedono l utilizzo della cartografia tridimensionale sono quelli legati alla realizzazione e rappresentazione di analisi urbane a diverse scale. Nel caso di Venezia vengono utilizzati modelli 3d della città per effettuare analisi urbane connesse con il noto fenomeno dell acqua alta, per individuare zone non interessate da questo fenomeno ed eventuali percorsi sicuri. ABSTRACT This paper will demonstrate how new technologies in cartographic environment integrate acquisition, management and representation techniques for georefencing data processing. Moreover, there is an ever-growing demand for a more representative and world widespread digital cartography. More representative means the capabilities in describing physical phenomena but also social, economic and cultural data that are necessarily connected to geographical aspects. More widespread derives from the growing use of cartographic products by nonspecialized users. Among the different formats of numerical cartography, three-dimensional maps are certainly the more suitable. These represent a cartographic typology corresponding to different levels of accuracy and details to describe reality, such as DTM and city modelling. They provide geometrical and qualitative information coming from the use of historical documents and present-day aerial and terrestrial photo suitably processed: such as orthophotos mapped onto DTM for a more truthful description of territory. Data for 3D map production can be acquired by employing the most advanced and outstanding techniques, normally integrated such as digital photogrammetry and laser scanning, both aerial (aircraft or helicopter) and terrestrial survey. 3D digital cartography seems to be more suitable in different field of applications: to recover the historical maps content, to establish an architectural project in its surroundings, to well deals with town-planning matters, to perform simulations for environmental impact analyses, and so on. 1. ARTICOLO 1.1 Introduzione Una necessità sempre più pressante spinge verso lo studio di metodi e strumenti che rendano possibile un migliore uso della

2 cartografia sia per quanto riguarda la produzione e la gestione di quella attuale, sia per quanto riguarda la conservazione del patrimonio storico acquisito. L istanza muove dall esigenza di approfondire il grado di consapevolezza che si richiede sul ruolo dei supporti e degli strumenti attualmente sviluppati, di indagare sulle opportunità e sui relativi limiti di impiego, di valutare le potenzialità offerte da un evoluzione che appare fortemente collegata con le tecnologie dell informazione, in breve, di attualizzare i modi e le forme della ricerca in relazione alla cultura contemporanea. L innovazione tecnologica, nello specifico l informatica e la telematica, si è sviluppata e continua a svilupparsi in modo sempre più rapido e con progressi talmente accelerati e complessi da interessare non solamente l ambito delle tecniche operative. Si assiste a una interazione tra sviluppo della pratica e una altrettanto significativa e difficilmente prevedibile maturazione delle teorie. Ci si augura che lo sviluppo delle nuove piattaforme informatiche abbia tra i suoi esiti quello sia di abituare al confronto e rendere necessaria la collaborazione, sia di riaffermare le abilità specifiche e preparare alla qualificazione delle professionalità, per giungere all integrazione dei metodi e delle competenze. Le diverse forme della rappresentazione delle informazioni e il trattamento tradizionale di dati geometrici, alfanumerici e iconografici, che sono in buona misura i formati privilegiati per la conoscenza del mondo fisico, dei fenomeni e delle loro relazioni con le altre realtà sociali, economiche e politiche, è da molto tempo che ci appaiono come elementi complementari, ma oggi è concettualmente e operativamente più facile associarli, gestirli, elaborali. In questo senso tutti i moderni metodi di rappresentazione che usufruiscono sia delle tecniche tradizionali 2d (planimetrie, rilievi catastali ) sia dei rilievi 3d (rilievi aerei tridimensionali, scansioni con laser 3d di edifici ) permettono una lettura incrociata delle carte, e soprattutto consentono l integrazione dei contenuti geometrico, semantico e simbolico di ogni carta. 1.2 Descrizione del lavoro Con lo sviluppo delle tecnologie digitali, la cartografia ha mostrato una grande capacità di dialogo e di interscambio con i nuovi strumenti tecnologici e scientifici. Di volta in volta ha assorbito tecniche proprie di altre discipline come l image-processing e la grafica bidimensionale, per utilizzarle nel proprio ambito. I primi esempi di questa contaminazione sono emersi con la cartografia automatica, organizzata secondo il modello raster oppure secondo il modello vettoriale. Il primo, derivante dalle scansioni ottiche e dalle acquisizioni mediante camera digitale, utilizza come strumenti propri tutti quelli legati all image processing, ed essenzialmente quelli legati al pixel come unità minima. I dati spaziali infatti sono, in questo modello, elementi discreti disposti secondo un campionamento regolare, caratterizzati quindi da una determinata posizione e da un attributo. Il secondo invece strettamente legato alla grafica bidimensionale. E un modo per descrivere la realtà geografica con elementi di diverso tipo (punti, linee e aree) nello spazio vettoriale ad ognuno dei quali è abbinato un attributo che serve a distinguerlo dagli altri elementi. Ad entrambi i modelli possono essere applicate trasformazioni piane globali o locali. Il caso più comune è quello della georeferenziazione. Si tratta quindi di convertire una mappa dal sistema di rappresentazione originale, al sistema di coordinate usato nelle mappe di riferimento. I passi del problema da risolvere per la georeferenziazione sono due: -la trasformazione delle coordinate geometriche della carta in quelle dei pixel dell immagine finale; -la corrispondenza delle coordinate geografiche con quelle della carta, la cosiddetta proiezione. La georeferenziazione viene realizzata quindi mediante una trasformazione lineare piana Oltre alla trasformazione geometrica, le mappe, immagini, subiscono anche un ricampionamento che genera una leggera degradazione dell immagine stessa, dovuta al fatto che ad ogni resampling dell immagine, nuovi pixel vengono calcolati come interpolazioni tra pixel adiacenti. A questa degradazione si deve aggiungere l effetto dell aliasing dell immagine precedente la rotazione, e quello nuovo introdotto dalla rotazione (sulle linee che non sono ortogonali agli assi). Inoltre la cartografia digitale ha rivolto l attenzione verso la terza dimensione. L interesse verso la tridimensionalità ha richiesto nuovamente degli strumenti che la cartografia tradizionale non possedeva e che ha mutuato dalla grafica tridimensionale: primitive geometriche bi e tridimensionali in uno spazio vettoriale, utilizzate per rappresentare e comunicare il contenuto altimetrico della carta. Nella cartografia numerica, come abbiamo già visto, ad ognuna di queste entità vengono collegati dei contenuti spaziali come la posizione planimetrica ed altimetrica, oltre a significati simbolici e semantici. L altimetria, la coordinata Z, è rapidamente passata da una rappresentazione per punti quotati e curve di livello ad esposizioni più complesse dal punto di vista informatico, ma più ricche ed immediate dal punto di vista della leggibilità della carta. Sono state introdotte superfici e solidi per la rappresentazione di diversi oggetti come il territorio, l edificato. Il passaggio alla rappresentazione 3D dei dati pone comunque problemi di adesione alla realtà, nella traduzione grafica delle informazioni, che implica una nuova concezione dei sistemi di modellazione, in particolar modo quando oggetto dell indagine è un contesto costruito nel quale sono presenti elementi di particolare rilevanza architettonica, caso tipico italiano e di alcune altre realtà europee, dove rilevanti sono le tracce storiche. La rappresentazione realistica e tridimensionale dell ambiente naturale di un territorio presenta numerosi problemi di visualizzazione non banalizzata degli elementi naturali del paesaggio La qualita grafica della loro rappresentazione si appoggia su metodologie e documenti già ampiamente codificati, eventualmente aggiornati delle nuove tecnologie informatiche, anche 3D. Questi nuovi strumenti inoltre sono stati integrati in schemi di rappresentazione non più rigidamente statici, ma capaci di mostrare l evolversi nel tempo e nello spazio di un evento. Con le animazioni tridimensionali è possibile non solo vedere le caratteristiche di una carta, ma soprattutto ci è concesso di entrarvi per volo virtuale. Mentre con l introduzione delle tecniche della realtà virtuale, ci è permesso interagire con il modello e quindi con la carta. Restano aperti alcuni problemi legati sia alla modellazione dei dati tridimensionali, sia alla loro gestione in database complessi (GIS 3D) sia alla trasmissione e fruizione del dato cartografico elaborato nel web service.

3 1.3 Caso studio: le Isole Pelagie a Sud della Sicilia Dopo la raccolta sistematica delle carte esistenti, storiche ed attuali e dei documenti cartografici (quali ad esempio le foto aeree), il problema fondamentale affrontato è stato quello di rendere tutti questi documenti utilizzabili contemporaneamente ovvero gestirli in modo unitario secondo le finalità del caso. L operazione svolta è stata quindi quella di renderli omogenee dal punto di vista geo-metrico. Si tratta della classica operazione di georeferenziare delle carte in uno stesso sistema di riferimento che nel caso del lavoro qui presentato è il sistema nazionale Gauss- Boaga. Si tratta di una scelta non solo dovuta, ma estremamente conveniente in quanto le informazioni metrico-geografiche di molti dei documenti utilizzati sono espresse in questo sistema. Si è ottenuto così un set di documenti sovrapponibili ovvero inquadrati nello stesso sistema di riferimento; restano evidentemente le differenze semantiche e metriche tra carta e carta. Infatti ogni carta mantiene il proprio contenuto tematico espresso attraverso un proprio sistema di segni e simboli e mantiene anche l incertezza propria della sua scala di riduzione. Quale supporto metrico di base per le isole di Lampedusa e di Linosa sono state scelte le carte tecniche regionali alla scala 1: Dopo la georeferenziazione di tutte le carte, storiche e attuali, si è proceduto con diversi confronti. Sulle carte storiche del XIX secolo sono state esaminate le linee di costa, effettuando delle operazioni di confronto pixel per pixel. Per rendere evidenti le variazioni sono stare realizzate della animazioni di warping tra la carta iniziale e quella finale. Si è notato che le variazioni presenti a volte sono il risultato di errori di rilevamento, o quantomeno di rappresentazione del territorio, mentre in altri casi esse corrispondono ad un effettiva modifica della linea di costa. Queste osservazioni hanno suggerito di effettuare le stesse operazioni di controllo e verifica, ove possibile, utilizzando anche il dato relativo all altimetria. Dato che la moderna gestione della cartografia è totalmente digitale si è reso necessario numerizzare tutte i documenti raccolti. La numerizzazione è avvenuta in forma vettoriale, mediante digitalizzazione manuale, per Linosa (Lampedusa invece è stata fornita già numerica), e in forma raster per tutti gli altri documenti come ad esempio la cartografi a storica. fig. 1 Realizzazione del DTM di Linosa: (dal basso: CTR, curve di livello, DTM)

4 La base cartografica vettoriale è stata quindi arricchita con informazioni tratte dalle altre carte in modo da completarne il contenuto semantico. Le due carte numeriche ottenute dai dati più recenti sono state assunte quale base per la creazione di un modello tridimensionale digitale delle due isole. Si è realizzata una cartografia digitale tridimensionale, quale supporto spaziale di ogni altra informazione territoriale. Il modello 3D si basa sul contenuto altimetrico già presente nelle carte vettoriali nelle classiche forme del piano quotato e della rappresentazione a curve di livello. Il modello prodotto è stato realizzato mediante la costruzione di un DTM (digital terrain model) a maglia quadrata con algoritmi di stima e predizione (kriging); successivamente il DTM è stato triangolato per permettere l eventuale corretta modellazione della superficie del terreno intorno agli edifici. Questa operazione è stata riprodotta per tutte le carte in cui è stato possibile riconoscere un contenuto altimetrico. Anche in questo caso si sono effettuati dei confronti tra i DTM così ottenuti, in modo da evidenziare, con delle semplici operazioni booeane, quali siano state le variazioni tra carta e carta. Conseguentemente alla creazione del modello tridimensionale della morfologia del territorio anche l edificato e la rete stradale sono stati resi modellati in tre dimensioni. Un altro risultato ottenibile dal DTM è la realizzazione del modello mappato delle isole il quale permette una esplorazione virtuale dell isola. Si tratta della vestizione del modello con foto aeree, foto aeree storiche, carte storiche delle isole al fine di darne la massima descrizione qualitativa. fig. 2 Ortofoto dell isola di Lampedusa fig. 3 Vista zenitale del modello tridimensionale del territorio fig. 4 Vista assonometrica del modello mappato con l ortofoto

5 fig. 5 Dettaglio del DTM con mappata l ortofoto e gli edifici modellati Nel caso della proiezione delle foto aeree, le operazioni sono state l orientamento delle diverse prese fotografiche su punti estratti dalla carta numerica e successivamente la loro ortofotoproiezione (con tecniche digitali) sul piano cartografico utilizzando quale modello delle altezze il DTM realizzato dalle carte attuali. Si è ottenuta così l ortofoto delle isole che coniuga la corretta rappresentazione in scala propria della cartografia con la capacità mimetica e descrittiva della fotografia. L ultimo passo è stato quello di riproiettare sul modello l ortofoto in modo che ogni punto del modello stesso risulti colorato con il contenuto dell ortofoto. L operazione finale di riproiezione può essere effettuata anche con carte storiche, o carte tematiche in modo da avere un contenuto geometrico attuale, quello del modello tridimensionale, collegato al contenuto semantico derivante dalla carte. Il modello finale si presta a ogni forma di rappresentazione compresa quella realizzata a fine dimostrativo di filmati di voli virtuali sulle isole. Al di là della spettacolarizzazione della cartografia resta il fatto che quanto mostrato è un esempio completo di quello che si può realizzare con una elaborazione sofisticata, ma del tutto fattibile, di materiali cartografici che generalmente sono presenti per il territorio italiano. fig. 6 Vista assonometrica del modello mappato con carta tematica dei biotipi, Piano Paesaggistico delle isole Pelagie 1.3 Conclusioni Restano aperti alcuni problemi legati sia alla modellazione dei dati tridimensionali, sia alla loro gestione in database complessi (GIS 3D) sia alla trasmissione e fruizione del dato cartografico elaborato nel web service. I problemi che tuttora restano aperti sono:

6 - la corretta rappresentazione dello spazio naturale tridimensionale dell area geografica oggetto dell indagine, - la capacità di movimento realistico all interno dell area da parte dell utilizzatore, - la rappresentazione significativa e ragionata della caratteristiche architettoniche dell area e/o degli edifici presenti. 2 BIBLIOGRAFIA fig. 7 Costruzione del modello mappato con cartografia tradizionale: dtm, dtm mappato in vista assonometrica, dettaglio in vista prospettica C. Monti, F. Guerra, D. Miniutti, C. Balletti, Geometric operations in digital images, in Atti del 16 International Symposium CIPA, Olinda Balletti C., Metodi analitici e quantitativi per lo studio del contenuto geometrico delle carte storiche, tesi di dottorato in Scienze Geodetiche e Topografiche, XIII ciclo, Politecnico di Milano, Milano. F.Guerra, 2W, 2000 New technologies for the Georeferenced visualisation of historic cartography, in ISPRS, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing", volume XXXIII, part B5/1, Commission V, ISPRS, XIX Congress, Amsterdam, The Netherlands, 2000 pp R. della Maggiore, R. Fresco, E. Mura, E.Perotto, 2001 Georeferenziazione di carte storiche, in Atti della 5 Conferenza Nazionale Asita Rimini C. Balletti, F. Guerra, Warping algorithms for Cadastre cartography georeferencing, in Atti del VII International Congress of earth Sciencies 2002, Santiago, Cile A. Spalla, 2003 La dimensione tempo nella cartografia e nei rilevamenti terrestri, Atti della 7a Conferenza Nazionale ASITA Verona M. Ceconello, Rappresentazione del territorio e sistemi conoscitivi on line: multimedia e www, in DDD, Nuove Tecnologie, Multimedia e standard grafici per la rappresentazione digitale del territorio, numero 04 anno 01