Il sistema di riferimento del DbT

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1 Il sistema di riferimento del DbT Marco Scaioni (Politecnico di Milano B.E.S.T.) Corso 2 su DbT e Governo del Territorio (Provincia di Lecco) 02/11/2010, Lecco

2 Cos è un Database Topografico (DbT)? 2 E una struttura di dati spaziali multi-scala costituita da un insieme di oggetti ciascuno dei quali è caratterizzato da: codice identificativo univoco geometria 3D (punto, polilinea, area) georeferenziata in un dato sistema di riferimento cartografico (UTM-WGS84/ETRF89) attributi alfanumerici (tabelle) L introduzione dei DB Topografici non è dunque solo l apparizione di una nuova codifica per la Cartografia Numerica e di una serie di regole per la sua strutturazione ma è un nuovo concetto di dato spaziale L utilizzo del DbT non vuole limitarsi alla pianificazione urbanistica (PGT), ma costituire una base dati geografica aggiornabile per la costruzione di un SIT per la gestione del territorio e delle risorse

3 In quale contesto nasce il DbT 3 Direttiva comunitaria di riferimento INSPIRE (armonizzazione delle informazioni geografiche nell ambito dell Unione Europea) Lavoro del gruppo di lavoro sui GIS dell Intesa Stato, Regioni ed Enti locali (IntesaGIS), ora ripreso dallo CNIPA ( Regione Lombardia (Direzione Territorio) ha fatto proprio il lavoro di IntesaGIS Sviluppo di una politica regionale finalizzata alla creazione di un Db spaziale integrato, omogeneo e condiviso sul territorio Norme Tecniche per la realizzazione DbT Iniziative di cofinanziamento per la realizzazione e l armonizzazione dei DbT Procedure di validazione e verifica del DbT

4 Politica di sviluppo del DbT 4 Cofinanziamento da parte dei comuni Cofinanziamento regionale alle aggregazioni di comuni Cofinanziamento (eventuale) da parte dell ente a capo dell aggregazione Ritorno dei dati prodotti ai comuni: DbT, Ortofoto, Carte Tecniche alle diverse scale Ritorno dei dati a Regione Lombardia: DbT (Db spaziale regionale), CTR raster 1:10000 (Geoportale) Ritorno dei dati per la strutturazione di un Db spaziale a livello dell aggregazione

5 Aspetti cartografici fondamentali in un DbT 5 Sistema di riferimento cartografico Planimetria Altimetria Scala del DbT Tolleranze plano-altimetriche Limite di cattura

6 Il sistema di riferimento cartografico 6 I DbT delle Regione Lombardia utilizzano i sistemi di riferimento standard a livello nazionale L inquadramento cartografico è distinto in due sistemi indipendenti per la planimetria e l altimetria, diversi da quelli utilizzati in passato Inquadramento planimetrico: Vecchio SdR: coordinate Gauss-Boaga, datum geodetico Roma40 Attuale SdR: coordinate UTM, datum geodetico WGS84/ETRF89 Inquadramento altimetrico: Sistema di quote ortometriche riferite al mareografo di Genova Rispetto al passato è cambiato il modo di misurare le quote (livellazione geometrica -> GPS+modello matematico del geoide) Disponibilità odierna di reti geodetiche e servizi (pubblici e privati) che materializzano punti in UTM-WGS84 sull intero territorio nazionale (e provinciale): IGM95 (che include oggi anche i vertici di raffittimento regionale) Rete di raffittimento delle Provincia di Lecco presso le Isole Tecnologiche Servizio regionale di posizionamento GPS (IREALP)

7 Cos è un SdR cartografico 7 Per definire la posizione planimetrica di un oggetto sul territorio ha bisogno di un sistema di coordinate cartesiane (x-y, E-N) Per intuire immediatamente la posizione relativa tra due oggetti, ho bisogno che il sistema di coordinate sia riferito ad una superficie geometrica facilmente individuabile In un ambito spazialmente imitato posso materializzare facilmente un Sistema di riferimento (SdR): Problemi: cosa succede in un ambito più ampio (curvatura terrestre)? Come faccio a materializzare il SdR quando la superficie di riferimento non è più concretamente visibile?

8 L ellissoide di riferimento 8 La superificie di riferimento planimetrico utilizzata in ambito cartografico è l ellissoide di rotazione terrestre Due problemi: 1. Dove collocare l ellissoide di riferimento rispetto alla superficie topografica? Ellissoidi geocentrici (WGS84) Ellissoidi orientati localmente (Roma 40) 2. Come materializzo l ellissoide sulla superficie topografica? Attraverso reti geodetiche composte da punti di coordinate note rispetto all ellissoide Gli errori nella misurazione della rete geodetica influisce sulla definizione del SdR (datum) X Z // asse di rotazione terrestre Ellissoide orientato localmente Equator λ P P ϕ Meridiano di Greenwich normale (n) h Superficie topografica Y Ellissoide geocentrico

9 Il sistema di coordinate cartografiche 9 L ellissoide di rotazione permette di posizionare in modo univoco i punti misurati sul territorio, ma non è comodo da utilizzare in pratica (sarebbe meglio un piano) Tramite le proiezioni cartografiche (ad esempio Gauss) è possibile proiettare la superficie dell ellissoide su un piano cartografico Tramite un sistema di coordinate cartografiche cartesiane (E-N) posso definire la posizione di un punto nel piano cartografico La trasformazione tra le coordinate cartografiche e quelle ellissoidiche: È sempre calcolabile con relazioni matematiche (non per approssimazione) Introduce alcune deformazioni nelle entità geometriche sul piano cartografico

10 La proiezione di Gauss 10 E una proiezione analitica, ma è possibile interpretarla attraverso una proiezione geometrica E una proiezione conforme, quindi conserva invariati gli angoli misurati nella realtà e sulla carta (per questo motivo oggi è stata ampiamente utilizzata)

11 Applicazione della proiezione di Gauss per fusi 11 Per limitare l entità delle deformazioni lineari la proiezione è applicata in modo indipendente per fusi (ampiezza 6-8 ) Ciascun fuso ha un proprio sistema di coordinate cartografiche (E*-N*) Per evitare coordinate negative si utilizzano le false origini (soprattutto in Est) Per finalità applicative (DbT), in ciascun fuso occorre tenere presente una deformazione lineare: in valore assoluto dell ordine di 0,0004 (40 cm su 1 km) Variabile in funzione della distanza dal meridiano centrale del fuso N N* E E*

12 Definizione di un sistema cartografico 12 Un sistema di coordinate cartografiche è univocamente definito da: 1. Una proiezione cartografica 2. Da un datum geodetico di riferimento e quindi da un rete geodetica che lo materializza 3. Dalla scelta dei parametri della proiezione: 1. Ampiezza, collocazione, numero dei fusi 2. False origini (Est e Nord) 3. Fattore di contrazione isotropo

13 Il sistema Gauss-Boaga (Roma40) 13 E basata sulla proiezione di Gauss E riferita all ellissoide di Hayford orientato a Roma M.te Mario (datum Roma40 ) Utilizza i seguenti parametri: 2 fusi (I e II) di ampiezza ~6, che coprono l intera penisola con alcune estensioni False origini: N=0 km E 1 =1500 km; E 2 =2520 km Fattore di contrazione: m=0,9996

14 Il sistema UTM-WGS84(ETRF89) 14 E basata sulla proiezione di Gauss E riferita all ellissoide geocentrico WGS84 - datum ETRF89, materializzata in Italia tramite la rete IGM95 Utilizza i seguenti parametri: 3 fusi italiani (32,33,34) di ampiezza ~6 False origini: N=0 km E=500 km Fattore di contrazione: m=0,9996

15 Il sistema UTM-ED50 15 E basata sulla proiezione di Gauss E riferita all ellissoide di Hayford orientato a Postdam (Germania) nel 1950 E il sistema delle tavolette 25k dell IGMI E scarsamente utilizzato in altri tipi di carte tecniche Utilizza gli stessi parametri di UTM-WGS84

16 Differenze tra UTM-WGS84 e Gauss- Boaga(Roma40) 16 Si tratta di due sistemi di coordinate cartografiche piuttosto simili: entrambi basati sulla proiezione di Gauss entrambi proiettano la superficie terrestre su un piano per fusi entrambi presentano deformazioni cartografiche simili Differenze: Il sistema UTM è pensato per l intero globo (suddivisione generale dei fusi) mentre Gauss-Boaga (1940) è stato pensato per l Italia e dunque è specializzato per il nostro territorio Ad esempio: UTM è strutturato (per l Italia) su 3 fusi, G.B. su 2 UTM ha le stesse false origini per tutti i fusi, G.B. le ha distinte Il riferimento geodetico (ellissoide di riferimento cambia): Roma40 (ellissoide di Hayford orientato a M.te Mario/rete trigonometrica IGM) WGS84-ETRF89 (ellissoide geocentrico WGS84, rete IGM95)

17 Convenienza nell uso del SdR UTM-WGS84 17 Il sistema di riferimento UTM-WGS84 è dunque - a differenza del precedente Gauss-Boaga/Roma 40 (rete trigonometrica IGM): Preciso (incertezze sui vertici di rete di pochi cm invece che di diversi decimetri) I rilievi per la produzione e l aggiornamento dei DbT sono inquadrati tramite GPS nella rete IGM95, a differenza di quanto avveniva in passato attraverso il collegamento topografico alla rete trigonometrica (le carte erano sempre disallineate e non sovrapponibili!) Stabile nel tempo Permette di inserire direttamente rilievi GPS Le trasformazioni di coordinate in UTM-WGS84 <-> Gauss- Boaga(Roma40) sono sempre possibili attraverso: i SW distribuita da IGM (famiglia Verto) i servizi offerti dal Geoportale di Regione Lombardia

18 Trasformazioni tra i sistemi di riferimento cartografici 18 E opportuno fare lo sforzo di trasformare i vecchi dati in UTM-WGS84 e non viceversa! Teoricamente si potrebbero applicare trasformazioni aventi validità generale sull intero territorio nazionale Praticamente tale operazione è impossibile, se si vogliono ottenere accuratezze sub-metriche: L inquadramento della cartografia (vecchia e nuova) nel rispettivo SdR cartografico è realizzato tramite il collegamento ai vertici delle reti geodetiche (datum ellissoidico) I vertici delle reti geodetiche sono affetti dagli errori dovuti alla loro misurazione Di ordine dm-m per la rete trigonometrica IGM (datum Roma 40) Di ordine cm per la rete IGM95 (datum ETRF89) Si procede dunque calcolando trasformazioni locali, determinate sulla base di punti noti in entrambi i datum geodetici

19 Problemi pratici nella trasformazione 19 Vantaggi e svantaggi delle trasformazioni globali e locali : Se utilizzo quelle globali (ad esempio quelle implementate nei programmi GIS), ho accuratezze di ordine metrico, ma uniformità della trasformazione tra i vari utilizzatori Se utilizzo quelle locali, ho accuratezze migliori (cm/dm), ma in funzione delle trasformazione adottata ho risultati diversi in funzione: dei punti doppi scelti per calcolare la trasformazione del tipo di trasformazione tra i datum (7-9 parametri) Soluzione proposta da IGM (Verto/Geoportale): definire una serie di trasformazioni locali, la cui scelta dipende dalla posizione del punto da trasformare in questo modo, nella stessa posizione geografica si applicherà sempre la medesima trasformazione dove finisce la validità di una trasformazione locale e inizia un altra è definito da una procedura codificata Non ci sono cambi bruschi di trasformazione tra una zona e un altra

20 Una piccola complicazione 20 In realtà quando si parla di sistema di riferimento WGS84 si intende una famiglia di sistemi di riferimento geocentrici Infatti, un sistema geocentrico è legato all intera massa della Terra e quindi: l asse di rotazione della Terra cambia lentamente direzione rispetto alla massa della stessa; La forma della Terra si modifica nel tempo. I SdR geocentrici sono materializzati da reti di stazioni permanenti GPS distribuite sull intero pianeta, in modo simile alle reti geodetiche nazionali. Ciascuna rete materializza un reference system (RS), ad esempio ETRS Poiché la posizione tra le stazioni cambia nel tempo, per ciascun RS le coordinate vengono ricalcolate periodicamente, definendo un reference frame (RF), ad esempio ETRF89 (definito nel 1989)

21 Il reference frame ETRF89 21 Quando in Italia l IGM ha completato la rete IGM95 (poi ampliata successivamente con l integrazione delle reti di raffittimento regionali e provinciali), il reference frame ETRF89 è stato scelto per assegnare le coordinate ai vertici Nel frattempo sono stati determinati altri RF più aggiornati (spostamenti nell ordine di alcune decine di cm) A livello nazionale, tutti i punti della rete IGM95 si può ritenere non abbiano avuto spostamenti relativi significativi Le coordinate WGS84-ETRF89 sono dunque ancora utilizzate per l inquadramento cartografico Lo sviluppo di servizi di posizionamento basati su reti di stazioni permanenti GPS (ad esempio GPSLombardia di IREALP -> ERSAF) ha richiesto l aggiornamento del RF da utilizzare Attualmente è stato introdotto un sistema di riferimento di tipo dinamico attraverso la creazione della rete dinamica nazionale (ETRF00 RDN): non si tratta più di un sistema statico, ma ogni vertice ha coordinate ad un tempo t 0 (ETRF00) e una serie di parametri che permettono di calcolare dinamicamente la sua posizione al tempo t

22 Inserimento di misure GPS nel DbT 22 Misure inquadrate su vertici IGM95 o equivalenti: Se le misure si appoggiano su uno o più vertici aventi coordinate ETRF89 note, queste saranno perfettamente compatibili col DbT Misure inquadrate tramite un servizio di posizionamento: Poiché i servizi di posizionamento forniscono misure inquadrate in un reference frame più aggiornato, è opportuno convertirle in ETRF89 utilizzando il servizio online (per GPSLombardia) prima di inserirle nel DbT Il servizio si trova all indirizzo web alla voce Trasforma le misure

23 Il sistema di riferimento delle quote 23 Le quote in cartografia sono riferite alla superficie del geoide, non all ellissoide di rotazione (quote ortometriche) Un superficie a quota ortometrica (H) costante è una superficie equipotenziale, cioè una superficie di equilibrio per un fluido Il geoide è materializzato tramite la rete IGM di livellazione Tuttavia oggi anche le quote vengono determinate mediante il sistema GPS, il quale fornisce tuttavia quote di tipo ellissoidico (h) che devono essere corrette h = H + N L ondulazione del geoide (N) è ricavabile attraverso un modello matematico distributo da IGM (programma VERTO)

24 Trasformazione di coordinate con Verto (IGMI) 24 VERTO è il programma ufficiale di trasformazione tra sistemi di riferimento dell IGMI Esistono diverse versioni acquistabili presso IGMI La versione VERTOGIS è distribuita gratuitamente da alcune regioni Opera conversioni tra tutti i SdR utilizzati in Italia: Gauss Boaga-Roma40 UTM-ED50 UTM-WGS84(ETRF89) Diverse tipologie di coordinate planimetriche: Coordinate cartografiche (E-N) Coordinate geografiche (latitudine longitudine) Permette di trasformare le quote ellissoidiche (GPS) in quote ortometriche (geoide)

25 Trasformazione di coordinate con Verto (IGMI) 25 Per eseguire le trasformazioni in una certa zona occorrono i parametri (file GRn), i quali sono venduti dall IGMI Esistono diverse versioni dei file GRn (1-2-3), che implementano i parametri sia per le trasformazioni planimetriche che altimetriche: Per la planimetria sono tutte equivalenti Per l altimetria la versione 3 implementa un modello dell ondulazione del geoide più aggiornato e preciso (incertezza a livello centimetrico) Anche in questo caso, per i DbT occorre utilizzare i file GR2 per l altimetria, mentre per la planimetria si possono utilizzare tutti VERTO consente di trasformare diverse tipologie di dati: SHP, DXF, TFW, file di testo

26 Trasformazione di coordinate con Verto 26

27 Trasformazione di coordinate tramite il Geoportale di Regione Lombardia 27

28 Trasformazione di coordinate tramite il Geoportale di Regione Lombardia 28 Il Geoportale implementa in un servizio geografico via WEB le trasformazioni ufficiali dell IGMI Opera conversioni tra tutti i SdR utilizzati in Regione Lombardia: Gauss Boaga-Roma40 (fusi Est e Ovest) UTM-ED50 (fusi 32 e 33) UTM-WGS84/ETRF89 (fusi 32 e 33) Diverse tipologie di coordinate planimetriche: Coordinate cartografiche (E-N) Coordinate geografiche (latitudine longitudine) Non permette di trasformare le quote ellissoidiche (GPS) in quote ortometriche (geoide) Opera solo sui file SHP, sui singoli punti o sugli elenchi di punti in formato testo

29 La scala nominale del DbT 29 Come tutte le carte numeriche, il concetto di scala è diverso da quello delle carte tradizionali, nelle quali ha un significato fisico (rapporto medio tra le distanze sul foglio di carta e quelle misurate nella realtà) In cartografia numerica gli oggetti sono rappresentati nel sistema cartografico di rilievo, non in scala Tuttavia, la precisione e la risoluzione dei dati dipendono dalla cosiddetta scala nominale, cioè sono mutuati da quelli di una corrispondente cartografia cartacea In particolare modo nei DbT, ciascuna zona è stata rilevata e rappresentata una sola volta alla scala più consona (anche in funzione del budget disponibile): il risultato è un Db multiscala

30 Organizzazione delle scale nel DbT della Provincia di Lecco 30

31 Le tolleranze plano-altimetriche 31 La scala nominale determina la precisione richiesta nel rilievo, e quindi la tolleranza geometrica che gli oggetti devono garantire nel DbT Tolleranza: massima discrepanza tra il valore vero di una grandezza e quello riportato sulla carta La tolleranza dev essere rispettata statisticamente dal 95% degli oggetti Tolleranza 2D/H Tipo di tolleranza DbT-1k DbT-2k DbT-5k DbT-10k 2D Su tutti i punti 60 cm 120 cm 3 m 6 m quote Su tutti i punti 60 cm 80 cm 2 m 4 m 2D/quote Sulle medie ±10 cm (H±15 cm) ±20 cm ±50 cm ±1 m Sugli sqm delle medie ±20 cm (H±30 cm) ±40 cm ±1 m ±2 m

32 Il limite di cattura 32 Il limite di cattura esprime la risoluzione degli oggetti del DbT, che indica quali elementi devono essere rappresentati ad una certa scala nominale Il valore del limite di cattura è pari a ½ tolleranza planimetrica (30,60,150,300 cm per DbT-1k-2k-5k-10k) Se un oggetto è inferiore al limite di cattura va rilevato soltanto se è ritenuto importante (ad esempio un torrente) Se lo SHP previsto per quella classe di oggetti è di tipo puntuale o lineare, l oggetto verrà rappresentato mediante un punto o una linea Se lo SHP è di tipo areale, viene rappresentato con uno spessore fittizio pari a ¼ tolleranza