CORSO GIS PER FUNZIONARI TECNICI DELLA PUBBLICA AMMINISTRAZIONE

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1 POLITECNICO DI MILANO - FACOLTA DI INGEGNERIA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DEI SISTEMI EDILIZI E TERRITORIALI ANGELA POLETTI Professore Associato ANTONIO ACERBI Ingegnere CORSO GIS PER FUNZIONARI TECNICI DELLA PUBBLICA AMMINISTRAZIONE Primo volume Introduzione agli aspetti informatici dei GIS

2 Presentazione I Geographic Information System sono uno strumento globale utile nella impostazione, definizione, restituzione, comunicazione di un piano o di un progetto. Possono contribuire alla costruzione di un sistema informativo nel senso di sistema di informazioni codificato, strutturato secondo un metodo, archiviato, ma interrogabile ed idoneo (in quanto aggiornabile) a dar conto in tempo reale delle trasformazioni dell ambiente al quale viene riferito.

3 INDICE Cos è il GIS?... 1 Evoluzione delle tecnologie GIS... 1 Sviluppo delle metodologie... 2 Sviluppo delle tecnologie informatiche... 2 Descrizione di un GIS... 3 Componenti del GIS... 5 Hardware... 5 Software... 8 Definizione dei dati necessari al GIS e dei loro requisiti Personale Metodologie Tecnologie GIS e tecnologie correlate Desktop Mapping Computer Aided Design and Drafting (CADD) Advanced Mapping/Facility Management (AM/FM) DataBase Management System Global Positionig System (GPS) Document Imaging Multimedia Acquisizione raster Georeferenziazione di cartografia Geographic Information System (GIS) Dati spaziali Rappresentazione delle entità geografiche sulla cartografia Proiezioni cartografiche Topologia: definizione delle relazioni spaziali Tabelle degli Attributi Dati tabellari Associazione fra attributi e dati spaziali Rapporti tra record Metodi di associazione L analisi spaziale Le operazioni di analisi spaziale Interrogazioni o QUERY Identificazione Query sugli attributi Query spaziali... 62

4 Cos è il GIS? Un GIS («Geographic Information System») è un insieme di tecnologie di informazione, dati e procedure utilizzabili per raccogliere, conservare, manipolare, analizzare e produrre mappe ed altri tipi di rappresentazioni in grado di fornire informazioni descrittive di elementi che esistono o di eventi che accadono sulla terra. La tecnologia GIS integra la capacità di effettuare operazioni sui database, come interrogazioni ed analisi statistiche, con gli straordinari benefici offerti dalla visualizzazione e dall analisi geografica, caratteristici delle mappe. Queste capacità distinguono il GIS da altri sistemi informativi e lo rendono appetibile ad una gran quantità di soggetti come supporto alla spiegazione di avvenimenti, alla previsione di risultati ed alla pianificazione di strategie. Le possibilità di applicazione dei GIS ai vari settori della pianificazione, programmazione e gestione di territori e/o ambienti (esterni o confinati) ne fanno uno strumento globale. Il GIS applica i principi della geografia (intesa come studio ed unificazione di varie scienze in grado di portare ad una comprensione generale della natura dell ambiente antropizzato) all organizzazione ed all uso dell informazione, utilizzando lo spazio come campo d azione per la risoluzione di problemi pratici. Il GIS, come la geografia, ha come punto focale la manipolazione e la analisi dei dati che riguardano elementi del mondo reale all interno di una cornice spazio-temporale: gran parte delle procedure di manipolazione ed analisi dei dati (ad es. trasformazioni di coordinate, analisi di vicinanza e contiguità, aggregazione spaziale, sovrapposizione di poligoni, ecc.) sono comuni sia ai sistemi GIS che alla geografia. Questi concetti, quindi, non sono nuovi: è nuova l applicazione della tecnologia dell informazione. Nel passato i mezzi più comunemente utilizzati per contenere ed analizzare informazioni geografiche erano le mappe cartacee. L interpretazione dei simboli rappresentanti i vari elementi e l analisi delle relazioni esistenti tra di essi era svolta dall uomo attraverso la lettura e l interpretazione della mappa. Evoluzione delle tecnologie GIS Il raggiungimento dell attuale livello di sviluppo dalle tecnologie GIS è stato possibile grazie ai progressi compiuti sia in campo metodologico sia nel campo delle tecnologie informatiche. 1

5 Sviluppo delle metodologie Negli anni 60 i concetti derivati dall analisi attraverso mappe furono applicati a vari problemi di tipo ambientale e umano. Uno degli ostacoli incontrati era la difficoltà, se non l impossibilità, dell integrazione delle informazioni ricavabili da tante mappe con differenti temi: sebbene i temi condividessero uno spazio geografico comune, il supporto delle mappe rendeva difficile l integrazione delle informazioni. I primi tentativi di integrazione utilizzarono la tecnica di sovrapporre copie trasparenti relative ai vari temi su un tavolo luminoso: il più famoso utilizzatore di questa tecnica fu Ian McHarg (1969). Howard Fisher lavorò su questi concetti base e sull idea di applicare il computer a questo tipo di analisi, posizionando valori statistici all interno di una griglia (quadrettatura): questo programma, chiamato SYMAP, può essere considerato il punto di partenza della tecnologia GIS. Da questi primi lavori e dai rapporti con l applicazione dei principi della geografia alla manipolazione di dati geografici, derivò una scuola di pensiero che produsse approcci formalizzati alla combinazione di vari temi di informazioni geografiche. Questi approcci furono in seguito inseriti nei software che formano le basi della tecnologia GIS come la conosciamo oggi. I concetti ed i principi della geografia fondamentali all implementazione dei GIS, sono: Georeferenziazione: il processo di localizzazione di elementi all interno di un modello della superficie terrestre; Geocoding: il processo attraverso il quale si applica un riferimento geografico ad un dato non geografico; Topologia: la branca della matematica che definisce le relazioni tra elementi. Questi concetti base, quando correttamente implementati, creano un modello del mondo reale che può essere manipolato ad analizzato allo scopo di ottenere informazioni utili per prendere decisioni su azioni di gestione del mondo reale. Sviluppo delle tecnologie informatiche Quando le tecnologie informatiche furono introdotte negli anni 50 e 60, vennero utilizzate con successo in applicazioni destinate ad automatizzare le procedure relative a processi che 2

6 esistevano da molti anni: contabilità, personale, ecc. In quegli anni la tecnologia dei computer veniva denominata «data processing». I sistemi di grafica computerizzata furono sviluppati per creare, modificare, immagazzinare, e recuperare le mappe, i disegni e i progetti usati da professionisti. Negli anni 70 ed 80, furono sviluppati ed implementati i sistemi di gestione dei database («database management system» DBMS) allo scopo di migliorare la gestione dei grossi database creati dai sistemi di «data processing». Questi nuovi sistemi, che facevano uso di software di gestione dei database, vennero conosciuti come «information systems» ed il loro ambito di utilizzo varcò ben presto il limite dei lavori quotidiani (svolti dal personale impiegatizio) relativi a compiti specifici, divenendo strumenti apprezzati anche da altri settori dell organizzazione. Il nuovo disegno, un vasto database o un gruppo di database integrati a supporto di molte e differenti applicazioni utilizzate da più di una funzione nell organizzazione, divenne ben presto conosciuto come «management information system» in quanto in grado di soddisfare l esigenza, espressa dei manager dell organizzazione, di disporre di informazioni ad alto livello. Questi sistemi di gestione dei database hanno permesso ai sistemi di grafica computerizzata della prima era di espandere le loro applicazioni e di svilupparsi, così come i sistemi di «data processing» erano evoluti nei sistemi di «management information». I database contenenti informazioni collegate a localizzazioni geografiche divennero ben presto parte dei software di computer grafica. La tecnologia risultante, definita «geografic information system», fornisce la capacità di combinare dati collegati a localizzazione con immagini digitali di mappe per un vasto spettro di applicazioni, a supporto delle informazioni geografiche richieste da pianificatori, amministratori, gestori, ecc., non essendo più di esclusivo dominio di disegnatori e progettisti. Descrizione di un GIS All interno della definizione generale di GIS, sopra riportata, rientra una grande quantità di applicazioni ed utilizzi della corrispondente tecnologia, legati alle specifiche esigenze dei settori o organizzazioni all interno delle quali sono impiegati. Prescindendo dalle singole caratterizzazioni si può affermare che un GIS è fondato su pochi concetti base: 3

7 1. gli elementi (detti «feature») del mondo reale sono referenziati rispetto ad un sistema di coordinate (o reticolo di mappa) che vengono registrate in un computer; analogamente vengono registrati i fattori descrittivi (attributi) relativi agli elementi. Il computer conserva le coordinate di questi elementi per mostrare dove essi sono, ed i loro attributi per mostrare cosa essi sono; 2. gli elementi di mappa possono essere visualizzati o stampati in qualsiasi combinazione ed in qualsiasi scala, rendendo la produzione di mappe computerizzata molto più flessibile da usare rispetto alle tradizionali mappe cartacee; 3. un GIS può analizzare le relazioni spaziali (legate cioè al posizionamento nello spazio) esistenti tra gli elementi di mappa. Per una corretta implementazione di un sistema GIS è indispensabile prendere in considerazione quattro elementi: Il GIS: va inteso come metodologia concettuale finalizzata all uso delle informazioni geografiche, in grado di fornire una base di riferimento e di convergenza per gli altri tre elementi; Metodologie della gestione dei dati: sono intese come strutturazione logica e gestione di grandi database che contengono le mappe e gli altri dati, di interesse per l organizzazione, che possono essere correlati alla geografia; Tecnologia: l effettiva combinazione di componenti hardware e software permette l automazione di numerose funzioni di gestione dei dati geografici; Modifiche organizzative: l ambiente gestionale dell organizzazione deve fornire risorse e rendere possibili i cambiamenti necessari per incorporare il GIS all interno dell organizzazione stessa. Questi quattro elementi sono interconnessi strettamente: è pertanto di fondamentale importanza la loro gestione comune al fine di assicurarne il reciproco allineamento e compatibilità. La metodologia GIS definisce come sono rappresentati e gestiti i dati geografici, determina la tecnologia richiesta per maneggiare tali dati e conseguentemente definisce le azioni richieste per ottenere una corretta implementazione. Tutti questi elementi sono legati fra loro: le decisioni che riguardano ciascuno di essi hanno influenza sugli altri. 4

8 Componenti del GIS Un GIS pienamente funzionale può essere considerato l integrazione di cinque componenti base: l hardware, il software, i dati, il personale e le metodologie. Hardware L hardware è costituito dal computer sul quale il GIS opera. Oggi i software GIS funzionano su un gran numero di tipi di hardware dai server centralizzati ai desktop utilizzati «standalone» o in rete. La scelta dei componenti hardware necessari deve essere fatta dopo aver determinato i dati, le applicazioni ed il software del GIS. Le principali componenti possono essere raggruppate nelle seguenti categorie: Computer e sistemi operativi Reti e comunicazioni Plotter Digitalizzatori Scanner Computer e sistemi operativi I progetti GIS sono in genere costituiti da dozzine di file le cui dimensioni, nel complesso, ammontano a centinaia di megabyte e richiedono di sviluppare parecchie operazioni che esigono una notevole potenza di calcolo, la necessità di gestire grandi quantità di dati e la possibilità di visualizzare sullo schermo disegni complessi e mappe Fino a pochi anni fa i comuni personal computer non erano in grado di rispondere a questi requisiti, pertanto i sistemi GIS venivano utilizzati principalmente su workstation professionali Negli ultimi anni l impressionante sviluppo della potenza di calcolo dei personal computer e l introduzione dei sistemi operativi a 32 bit ha portato alla nascita di quella che si potrebbero definire «personal workstation», un tipo di computer che è in grado di supportare sia applicazioni tecniche con alte necessità di calcolo sia applicazioni di ufficio. Essa offre prestazioni assimilabili a quelle delle workstation professionali, ma con costi e con la versatilità propria dei personal. 5

9 Analoga evoluzione si è avuta nei sistemi operativi attualmente caratterizzati da un interfaccia utente di tipo «user friendly», introducendo menu «point and click» che rendono l utilizzo dei programmi molto più facile ed intuitivo attraverso l uso di finestre, icone, riquadri di dialogo e aiuti on-line. Reti e comunicazioni di dati In linea generale vi sono due tipologie di architettura dei sistemi tra le quali scegliere: uno o più terminali connessi ad un computer centrale (microcomputer, minicomputer, o mainframe); una workstation «intelligente», che è essa stessa un computer, e che è connessa ad altre workstation intelligenti e computer attraverso una rete. Dall avvento dei sistemi commerciali di computer (anni 60) fino ai primi anni 80 i mainframe o i minicomputer erano alla base di tutti i sistemi di elaborazione dati e l architettura dei sistemi era quella del primo tipo. La tendenza dominate in questi ultimi anni è l evoluzione verso il «distributed computing» definita anche come architettura «clientserver» o, più semplicemente, «rete». Nei sistemi centralizzati del passato un computer centrale (definito «host») serviva una varietà di terminali e periferiche; tutti i software ed i file i dati erano immagazzinati nei dispositivi connessi direttamente al computer centrale il quale eseguiva le istruzioni, sviluppava i calcoli, controllava l input, l output ed il salvataggio dei dati, dirigendo anche il flusso di dati da e per gli utilizzatori. Oggi invece i vari elementi dei sistemi rispondono a criteri di standardizzazione industriali permettendo quindi di scegliere con la massima libertà la combinazione di soluzioni e di procedure in grado di soddisfare le singole esigenze (concetto di «open system»): attraverso la rete sarà poi possibile collegare operativamente tutti i vari sistemi esistenti. I vari elementi sono collegati in LAN («local area network») mediante cavi che interconnettono tutti i computer (personal, workstation professionali, minicomputer o mainframe) ed i dispositivi della rete (stampanti, plotter e scanner) permettendo il trasferimento di dati ad alta velocità. A loro volte varie LAN possono essere collegate fra loro (sia attraverso linee telefoniche normali o dedicate, che mediante cablatura) permettendo agli utenti di una LAN di accedere 6

10 ai dispositivi ed ai dati di altre LAN o di Internet. Ogni computer connesso alla rete può operare indipendentemente dagli altri con il proprio software, i propri dispositivi hardware e file di dati; comunque ogni computer può anche accedere ai file di dati, ai programmi software ed ai dispositivi hardware degli altri computer connessi alla rete, attraverso l utilizzo di appositi protocolli: tale possibilità può essere modulata a seconda del livello di «condivisione delle risorse» voluto I computer collegati possono avere la funzione di stazioni di lavoro (dette «workstation») direttamente utilizzate dal singolo utente o di «server» cioè a servizio di tutti gli utenti della rete per determinati scopi specifici. Questo rende possibile formare un database comune di informazioni così come condividere software applicativo. La condivisione di un database comune è spesso molto importante in ambienti GIS: in tali casi nella rete è presente un «server» (o «file server»), dedicato esclusivamente all immagazzinamento ed alla gestione del database a servizio di tutte le workstation della rete. In alcuni casi è possibile ottenere licenze d uso dei programmi software che permettono ad un certo numero di workstation utenti (denominate «client»») di avere accesso al software che risiede sul server. Il principale vantaggio è che una sola copia del programma software deve essere installata e mantenuta, rendendo più semplice l amministrazione del sistema. Plotter Il tipo di applicazioni delle quali è prevista l implementazione sul sistema determinano il tipo ed il numero di dispositivi di stampa richiesti dal sistema. Poiché i plotter sono elementi ad alto costo, è importante pervenire ad un equilibrio tra il costo associato alle varie caratteristiche dei diversi plotter ed i bisogni di ciascuna applicazione. Le caratteristiche variabile dei plotter sono legate alla dimensione, alla qualità ed alla velocità di produzione, alle limitazioni connesse alla tipologia del formato dei dati (i plotter a penne possono stampare solo dati vettoriali), come pure alla possibilità o meno dell uso del colore. Digitalizzatori Grossi tavoli di digitalizzazione sono necessari solo in alcune situazioni e per alcune applicazioni. Durante la creazione iniziale del database, può essere necessario usare tali strumenti se per costruire il database geografico vengono utilizzate le mappe cartacee esistenti. In seguito, dopo aver completato il database, questi grossi tavoli non sono più 7

11 necessari dato che gli aggiornamenti possono essere fatti direttamente sullo schermo delle workstation con piccole, poco costose tavolette di digitalizzazione. Scanner Analogo discorso può essere fatto per gli scanner: apparecchiature di grosse dimensioni (A0) possono essere utilizzate, al posto dei digitalizzatori, per l acquisizione di cartografie esistenti da usare nel GIS sia direttamente in formato raster sia, dopo conversione, in formato vettoriale. Anche in questo caso dopo il completamento del database geografico possono essere sufficienti scanner di piccole dimensioni da destinare all acquisizione di documenti. Software Il software GIS fornisce le funzioni e gli strumenti indispensabili per immagazzinare, analizzare e visualizzare informazioni geografiche. Genericamente parlando le capacità dei software GIS possono essere raggruppate in tre categorie funzionali: Funzioni per la redazione automatizzata di mappe («automated mapping»); Funzione di gestione dati; Funzioni di analisi spaziale. Ciascuna applicazione prevista deve essere analizzata tenendo conto delle sue esigenze per questi tre tipi di funzioni. Funzioni per la redazione automatizzata di mappe Queste funzioni manipolano i record cartografici del GIS allo scopo di estrarre, aggiornare, creare e produrre mappe e disegni di alta qualità. Il punto focale costituito dallo stesso processo di redazione della mappa. Applicazioni che danno grande importanza alla produzione di mappe e disegni possono richiedere funzioni quali la trasformazioni e compensazioni di coordinate, conversioni di scala delle mappe, geometria delle coordinate (COGO o «coordinate geometry»), calcolo di aree, calcolo di lunghezze lineari, introduzione di testo, aggancio agli oggetti («snapping»), ecc. Funzioni di gestione dati Queste funzioni manipolano i dati non grafici contenuti nel database GIS. Esse creano ed aggiornano dati, ricercano e manipolano i record selezionati, producono «report» standard o creati ad hoc. 8

12 Funzioni di analisi spaziale Queste funzioni utilizzano sia i dati cartografici che i dati di tipo attributo per operare in un contesto spaziale, spesso con relazioni topologiche. Producono risultati di analisi in campo statistico e spesso creano nuove mappe e nuovi database. Applicazioni che richiedono capacità di analisi spaziali possono richiedere funzioni come analisi di prossimità, analisi delle reti («network analysis»), sovrapposizione di poligoni, punto su poligono, «buffering» e aggregazione spaziale. In aggiunta alle funzioni software menzionate, ve ne sono altre di natura più generale o che si riferiscono a situazioni particolari. Software di comunicazione Se i file di dati devono essere trasferiti tra postazioni di lavori o se software differenti sono richiesti da utenti differenti, può essere conveniente utilizzare i vantaggi dei software di comunicazione in ambienti di rete. Personalizzazione dei menu e di procedure Molti sofisticati sistemi commerciali offrono possibilità di personalizzare i menu (di tavoletta, di tastiera e di schermo) usati per fornire i comandi al sistema, in modo da adattarli alle necessità di una specifica applicazione per la postazione di lavoro di uno specifico utente. Programmare questi menu può anche permettere all utilizzatore di selezionare certe opzioni in modo da utilizzare funzioni del sistema senza ricorrere all uso di una serie di comandi individuali. Allo stesso modo sono previsti linguaggi di programmazione interni al (ad esempio Avenue o MapBasic) che permettono di creare procedure e funzioni personalizate. Creazione di simbologia Nel predisporre specifici elaborati di mappa, può essere necessario stabilire simboli standard, font di testo e tipi di linea. La maggior parte dei sistemi fornisce un assortimento di simboli predefiniti (detti «built-in»), fornendo tuttavia, in genere, la possibilità di creare simboli e font specifici che possono essere richiesti per una situazione o installazione particolari. Interfaccia con programmi esistenti Se specifici sistema di gestione dati sono correntemente in uso e contengono dati per il sistema, o se il sistema deve interfacciarsi direttamente con altri sistemi di uso particolare, allora queste esigenze devono essere identificate prima della scelta del software per il GIS. 9

13 Definizione dei dati necessari al GIS e dei loro requisiti Determinare quali dati sono necessari per essere processati nei GIS è di fondamentale importanza: dato che i costi di conversione dei dati in forma digitale possono superare di gran lunga i costi degli altri componenti del sistema è indispensabile verificare che ogni dato sia, nei fatti, essenziale al corretto funzionamento del sistema, senza limitarsi a compilare un elenco dei tipi di dato che i potenziali utilizzatori dicono di voler immagazzinare nel computer. Inoltre ogni elemento immagazzinato in un GIS deve essere tenuto aggiornato durante la fase di utilizzo del sistema: tale operazione (detta «data maintenance») ha, ovviamente un costo. Perciò la determinazione degli elementi costituenti i dati necessari al GIS, deve essere più che una «lista dei desideri» determinata in accordo tra tutti gli utilizzatori, dovendo comprendere uno studio sistematico che porti a stabilire quanto prezioso sia ciascun dato per ciascun utilizzatore. In seguito è inoltre importante determinare procedure e responsabilità nel «data maintenance» necessarie per conservare alle informazioni un livello di aggiornamento analogo a quello che possedevano al momento della conversione in forma digitale. Modelli di dati Un modello è un modo di descrivere qualcosa che non può essere direttamente osservato. Dato che tutti i fenomeni nel nostro ambiente non possono essere direttamente osservati in una volta, utilizziamo modelli per creare rappresentazioni semplificate della realtà. I modelli di dati comprendono due grosse categorie: entità spaziali, che sono rappresentazioni a computer di elementi della percezione strutturale (es. un lotto, un pozzo petrolifero), e dati descrittivi delle entità, comunemente definiti attributi. I modelli di dati descrivono le entità e gli attributi, le reciproche relazioni, i modi di utilizzo da parte della gente, i processi utilizzati per manipolarli ed il modo in cui si sono modificati durante l uso. Un modello di dati non equivale ad un database. Tuttavia l implementazione di un modello di dati richiede l adozione di alcuni standard: come sono definiti i dati, come sono immagazzinati, come sono mossi attraverso sistemi ed applicazioni. Gli standard possono essere definiti al fine di ottimizzare il rapporto tra condivisione ed uso individuale dei dati: si può pensare ad una «piattaforma di dati comuni» alla quale ogni utilizzatore può aggiungere i propri specifici dati. Una volta definito, il modello dei dati è tradotto nella struttura di un database che può esser 10

14 implementato su un computer. Comune a tutte le strutture di dati geografici è il concetto che le mappe rappresentano un gruppo (detto «set») di entità spaziali o piani (detti «layer») contenenti elementi che, se combinati in modo appropriato, possono creare una mappa. Non ci sono mappe in quanto tali: la mappa è virtuale e consiste di elementi logici immagazzinati come rappresentazioni del computer e loro relazioni. Lo scopo è quello di incorporare nel computer la capacità di riunire ed analizzare le entità e gli attributi in modo da approssimare i processi mentali seguiti dall uomo nella lettura della mappa. Una volta riusciti in questo, la varietà delle informazioni descrittive può essere immagazzinata in ciascuna entità e le informazioni possono essere recuperate in una varietà di modi. Un aspetto importante che riguarda la descrizione del mondo reale è la dinamicità dello stesso. I cambiamenti nel mondo reale devono riflettersi nei dati, affinché essi possano rimanere utili a fini decisionali. Pertanto una strategia di gestione dei dati («data management») deve fornire una serie di linee guida per strutturare la raccolta, la gestione, l immagazzinamento e l aggiornamento dei dati Formati dei dati geografici GIS I due tipi più utilizzati sono il formato vettoriale ed il formato raster. Entrambi questi modelli per l immagazzinamento di dati geografici hanno vantaggi e svantaggi e, in generale, sono entrambi gestiti dai programmi GIS. Dati vettoriali Come detto precedentemente questo è il tipo di rappresentazione degli elementi di mappa utilizzato sia dal CADD che dai sistemi GIS. Una mappa vettoriale digitale è registrata come una serie di punti, linee (cioè serie di punti) ed aree (zone racchiuse da linee): le informazioni relative a punti, linee e poligoni sono conservate sotto forma di coordinate X, Y. Il modello vettoriale è più indicato per descrivere elementi discreti, come contorni di edifici, ma meno adatto a descrivere elementi variabili con continuità, come copertura vegetazionale dei terreni. Il modello vettoriale è inoltre in grado di fornire una più accurata descrizione della localizzazione degli elementi di mappa. 11

15 Dati raster I dati raster rappresentano elementi geografici dividendo il mondo in un numero discreto di celle quadrate, per ciascuna delle quali è memorizzato un valore, costituenti una griglia. La griglia usata nei GIS per questo tipo di modelli è un tipo particolare di raster dove il valore immagazzinato è costituito da un record in una tabella che contiene le informazioni descrittive addizionali per le celle. Questi file possono essere manipolati rapidamente dal computer ma sono generalmente meno dettagliati di quelli vettoriali. I vari elementi reali sono approssimati dalle celle: il grado di approssimazione è legato alle dimensioni delle celle stesse. Una griglia composta da piccole celle fornirà una approssimazione migliore, tuttavia la dimensione del file raster incrementerà parecchio. Dimezzando la dimensione delle celle quadruplica il numero di celle che deve essere manipolato, e maggiore è il volume dei dati da trattare più bassa è la velocità di elaborazione. Per queste ragioni, i modelli dati di tipo raster sono utilizzati in genere per modellizzare elementi di mappa variabili con continuità: permettendo così di rappresentare di fenomeni come l andamento dell altimetria o la distanza da un certo sito Immagini raster Un tipo differente di dati raster può essere utilizzato comprende fotografie, disegni, mappe cartacee ed altri documenti che possono essere acquisiti con uno scanner in formato digitale e collegati a dati o elementi spaziali, o costituire da sfondo alla rappresentazione dei dati vettoriali. Queste immagini raster sono principalmente di tre tipi: bianco e nero, scala di grigi e colori; passando dal primo all ultimo crescono notevolmente le dimensioni del relativo file. Personale La tecnologia GIS è di valore limitato senza le persone in grado di gestire il sistema e di sviluppare piani per la sua applicazione a problemi del mondo reale. Gli utilizzatori del GIS vanno dagli specialisti tecnici che progettano e mantengono il sistema a quelli che lo usano per trovare un aiuto nel lavoro quotidiano. Metodologie Un GIS funzionale opera secondo piani e regole commerciali ben definite, che sono specifiche di ogni singola realtà. 12

16 Tecnologie GIS e tecnologie correlate I GIS sono strettamente collegati a molti altri tipi di sistemi informativi, ma la capacità di manipolare ed analizzare dati geografici rende i GIS una tecnologia a parte. Sebbene non ci siano regole certe per classificare i sistemi informativi, quanto esposto nel seguito aiuta a capire meglio le differenze e le peculiarità dei sistemi GIS rispetto alle altre tecnologie correlate ed a valutarne le possibili sinergie ed integrazioni. Desktop Mapping Il punto focale di questi sistemi è la creazione di mappe: la mappa è il database. La maggior parte di questi sistemi possiede limitate capacità di gestione dei dati, analisi spaziali e possibilità di personalizzazione. Operano su PC e piccole stazioni UNIX. Computer Aided Design and Drafting (CADD) I sistemi CADD sono stati originariamente sviluppati per disegnare e progettare edifici, macchinari ed infrastrutture in generale. Queste attività richiedono che una serie di componenti aventi determinate caratteristiche siano assemblati per creare l intera struttura: il processo consiste sostanzialmente nella costruzione di disegni utilizzando operatori geometrici. Il risultato è un disegno CADD che incorpora i parametri di progetto: il disegno (in forma fisica o digitale) è quindi utilizzato per la fase di costruzione. I sistemi CADD possono essere utilizzati anche per la produzione di mappe digitali (processo detto «digital mapping») e costituiscono una valida alternativa al tradizionale processo cartografico manuale. Infatti tali sistemi includono tutti gli elementi grafici che servono a disegnare mappe: linee, polilinee, testi e simboli. Inoltre tutti gli elementi sono riferiti ad un sistema di coordinate, che può essere utilizzato per rappresentare un reticolo di mappa. I dati in un sistema CADD sono organizzati in piani (detti «layer») sovrapposti o sovrapponibili. I piani possono essere utilizzati per suddividere gli elementi di mappa per «temi» (ad esempio flussi piuttosto che strade) oppure per tipo di dato (ad esempio linee piuttosto che testo). Le stampe di mappe ottenute da CADD arrivano ad eguagliare in qualità e precisione i prodotti della cartografia tradizionale. Alcuni sistemi CADD sono stati estesi includendo capacità di analisi e di manipolazione di dati geografici per migliorare la rappresentazione, ma tuttavia presentano sempre dei limiti nella gestione ed analisi di grossi database geografici. 13

17 Il CADD non è adatto all analisi dei dati di mappa: infatti sebbene gli elementi possano essere associati per temi, mediante l uso dei piani, e siano tutti riferiti ad un comune sistema di coordinate geografiche, non sono tuttavia definite ulteriori relazioni tra i dati: un CADD non può rispondere a domande di analisi delle relazioni spaziali fra gli elementi in quanto tali relazioni non sono definite nella struttura dei dati. Advanced Mapping/Facility Management (AM/FM) Sono un insieme di software e procedure che assistono nella gestione di risorse geograficamente distribuite. Sono sistemi basati su tecnologia CADD e vengono utilizzati per realizzare mappature di tali risorse e per gestirne i dati di tipo attributo con riferimento alla loro localizzazione fisica. Per esempio in una azienda di distribuzione di energia elettrica possono essere utilizzati per immagazzinare la localizzazione e le caratteristiche delle linee elettriche, dei trasformatori e degli altri elementi infrastrutturali. Per rappresentare gli elementi di mappa vengono utilizzati dati grafici CADD che, similmente a quanto avviene in tali sistemi, sono referenziati rispetto ad un sistema di coordinate unico ed organizzati in piani che rappresentano i temi di mappa. I sistemi AM/FM fanno tuttavia un passo avanti permettendo la definizione di relazioni tra gli elementi. Queste relazioni di connessione sono in genere definite in un file di dati separato rispetto al database grafico. Un altra importante caratteristica è che gli attributi sono anch essi conservati in una tabella di dati separata: i relativi record sono collegati agli elementi grafici da un numero di identificazione unico per ogni elemento. Questi attributi descrivono le caratteristiche dell elemento associato. DataBase Management System I sistemi di gestione dei database sono specializzati nell immagazzinamento e nella gestione di tutti i tipi di dati, inclusi quelli geografici, ma non hanno gli strumenti di analisi e visualizzazione caratteristiche dei GIS. I DBMS sono ottimizzati per immagazzinare e recuperare dati: per questo motivo molti GIS fanno affidamento su di essi per questo scopo. I software GIS utilizzano in genere i sistemi di gestione dei database di tipo relazionale (RDBMS) per immagazzinare e gestire dati non grafici (attributi). In un database relazionale le informazioni vengono archiviate in una serie di tabelle ciascuna 14

18 delle quali contiene i dati relativi ad un argomento specifico. Le tabelle sono composte da righe (denominate record )e da colonne (denominate campi o field ) e possono essere logicamente collegate fra loro attraverso la presenza di campi condivisi: è pertanto possibile utilizzare contemporaneamente informazioni contenute in più tabelle. Qualunque dato può essere infatti trovato conoscendo il nome della tabella, il nome della colonna ed il valore della chiave principale (cioè un attributo il cui valore identifica in modo univoco una riga della tabella). Supponiamo, ad esempio, di avere una tabella denominata CATASTO, contenente alcuni dati catastali (numero di mappa delle particelle, superficie dei mappali, rendite catastali, numero di mappa degli edifici, ecc.) ed un altra tabella denominata EDILIZIA, contenente dati relativi agli edifici (zona di PRG, numero di mappa degli edifici, anno di costruzione, numero di piani, ecc.): in questo caso il campo numero di mappa degli edifici è condiviso dalle due tabelle. Unendo le informazioni delle due tabelle è possibile creare un report nel quale siano riportati le rendite catastali di tutti gli edifici di una certa zona di PRG costruiti in una certa epoca. Le due tabelle condividono un tipo di informazione, in questo caso il numero di mappa degli edifici, ma includono dati specifici e diversi (per esempio perché create e gestite da organizzazioni diverse). L archiviazione mediante tabelle collegate consente di gestire i dati con maggiore efficienza, eliminando la necessità di memorizzare più volte gli stessi dati, diminuendo lo spazio sui sistemi di immagazzinamento ed incrementando la velocità di ricerca e recupero dei dati richiesti, permettendo di integrare e collegare dati destinati ad essere utilizzati da molteplici utilizzatori. Vi sono parecchi tipi di RDBMS supportati dai programmi GIS, i più diffusi sono: DB2, Informix, Ingres, Oracle e Sybase. Molti programmi GIS offrono interfacce per più di uno di essi, permettendo così di accedere a database distribuiti nella rete anche se essi sono supportati da diversi software. Impiegando architetture «open system» e interfacce relazionali aperte, una organizzazione può impiegare diverse piattaforme hardware e vari tipi di database per le diverse applicazioni o settori: gli utilizzatori non sono legati a nessun particolare modello di database o tecnologia hardware. La ricerca dei dati nelle tabelle di un database avviene per mezzo delle query o interrogazioni. Tramite le query è possibile porre domande specifiche sui dati memorizzati 15

19 nelle tabelle. Quando si esegue una query vengono visualizzati i dati di risposta alla domanda. Scopo della query è quello di estrarre i dati memorizzati in un altra applicazione, all esterno del programma che si sta utilizzando: l estrazione può riguardare un intero set di dati o solo parte di esso. Per accedere ai dati contenuti nelle tabelle, è possibile utilizzare diverse fonti dati. Una fonte dati include: i dati a cui si desidera accedere, le informazioni necessarie per accedervi. Un esempio di fonte dati è rappresentato dal database SQL Server, dal server (inteso come hardware) su cui il database stesso risiede e dalla rete utilizzata per accedere a quel server. Un altro esempio è costituito dalla directory o dalla cartella contenente un set di file dbase. In genere i dati da estrarre devono essere in grado di rispondere ad una domanda specifica. Raramente è infatti necessario visualizzare tutti i dati di una tabella; in molti casi è sufficiente solo un sottoinsieme di quei dati: è quindi possibile limitare i dati che verranno estratti e visualizzati nel risultato della query, selezionando i campi necessari nell elenco di quelli presenti nella tabella. E possibile inoltre limitare i dati che devono essere estratti e che costituiranno il risultato della query, specificando i criteri che i record devono soddisfare per essere estratti. L estrazione di sottoinsiemi di record dal database viene effettuata mediante l introduzione di criteri che vengono specificati tramite una espressione. L espressione è una combinazione di: operatori, che indicano al programma di eseguire una operazione. Possono essere aritmetici (quelli standard sono +, - *, /), di confronto (>, >=, <, =<, =, <>), logici (AND, OR, NOT), altri (es. BETWEEN determina se il valore è incluso in un determinato intervallo, IN determina se il valore è uguale ad alcuni dei valori in una lista, identificatori, nome di campi così come definiti nella tabella di origine, funzioni, restituiscono un valore in base ai risultati di un calcolo o di un altra operazione: Le funzioni più comuni sono MEDIA (la media di un insieme di valori di un campo), CONTEGGIO (il numero di record selezionati), MAX (il valore massimo di un insieme di valori di un campo), MIN (il valore minimo di un insieme di valori di un campo), SOMMA (la somma di un insieme di valori di un campo), valori letterali, numero, una data o testo che viene utilizzato esattamente nel modo in cui è 16

20 stato digitato. Global Positionig System (GPS) Si tratta di una tecnologia in grado di permettere misurazioni geodetiche, localizzazione di elementi, e digitalizzazione «on site» per 24 ore al giorno e con qualsiasi condizione di tempo. Il sistema si basa su tre elementi: 24 satelliti in orbita attorno alla terra, il ricevitore portatile e le stazioni di controllo sulla terra. I ricevitori portatili, quando sono attivati, captano i segnali inviati dai satelliti che si trovano al di sopra dell orizzonte (ogni satellite ha una propria frequenza di trasmissione). Sottraendo l ora trasmessa dal satellite nel segnale ricevuto da quella indicata dall orologio interno, ricavano la distanza dal satellite. La precisione del metodo è legata ad una scelta (chiamata «disponibilità selettiva» e dovuta ad ovvie ragioni militari) del ministero delle Difesa americano: ogni satellite è programmato in modo da modificare le trasmissioni di ora e posizione in modo da essere meno preciso di quanto possibile in realtà. Ci sono due modi di utilizzare il GPS per trovare la posizione. La prima tecnica fornisce risultati istantanei con un solo ricevitore essendo tuttavia penalizzata nella precisione: ci si può aspettare che la posizione calcolata per un ricevitore singolo GPS si trovi entro un raggio di 100 m da quella reale. Volendo una precisione maggiore si può comparare il tempo di arrivo del segnale al ricevitore con quello del segnale ricevuto simultaneamente in un altra postazione della quale sono note le esatte coordinate. Questa metodologia, conosciuta come «GPS differenziale», porta la precisione a 0,5-20 m. Document Imaging Si tratta della tecnologia per la conversione, conservazione e recupero di documenti acquisiti attraverso scanner. I documenti sono convertiti in formato raster ad alta risoluzione e sono immagazzinati come «bitmap» che possono essere visualizzati su dispositivi grafici. I documenti appaiono sullo schermo come «fotografie» del documento originale. Multimedia Si tratta di una tecnologia che facilita la fusione di dati di tipo statico e di tipo attivo all interno di un singolo database. I dati possono essere: immagini, suoni, animazioni, video, testi, grafica e disegno e, anche se con alcune limitazioni, trasmissioni in tempo reale di suoni 17

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