Master in ingegneria dell Emergenza. GIS e cartografia numerica. Mattia Giovanni Crespi- Valerio Baiocchi

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1 Master in ingegneria dell Emergenza GIS e cartografia numerica Mattia Giovanni Crespi- Valerio Baiocchi

2 Superficie fisica e superficie di riferimento

3 Definizione geoide Il geoide coinciderebbe con la superficie dei mari opportunamente prolungata sotto le terre emerse, qualora l acqua dei mari avesse la stessa temperatura, la stessa densità e non esistessero le perturbazioni dovute alle correnti, ai venti ed alle maree. (G. Inghilleri) Si può anche pensare come la superficie equipotenziale del campo gravitazionale passante per il livello medio dei mari.

4 Orientamento degli ellissoidi

5 Quota ortometrica e quota ellissoidica

6 Ondulazione del Geoide (N)

7 Coordinate geodetiche e coordinate cartografiche Una volta stabilito il Datum si può istituire un sistema di coordinate geodetiche (latitudine e longitudine) Successivamente si può decidere di utilizzare una determinata equazione di rappresentazione cartografica sia per rappresentare sul piano gli oggetti da rappresentare sia per ottenere un nuovo sistema di coordinate piane (solitamente nord ed est)

8 Schemi di proiezione Ortografica Scenografica Stereografica Gnomonica

9 Proiezioni su cilindro (UTM) e su cono (Lambert)

10 Schemi di proiezione con superfici secanti

11 Trasformate piane di meridiani e paralleli per la proiezione di Gauss

12 Sistema UTM in Italia

13 Sistema Gauss-Boaga

14 Sistemi di coordinate utilizzati in Italia Datum Roma40 ED50 WGS84 Ellissoide Hayford Hayford WGS84 Orientamento Monte Mario Medio Europeo Geocentrico Coordinate geografiche Meridiano di riferimento longitudine Monte Mario Greenwich Greenwich Riferimento latitudine Equatore Equatore Equatore Coordinate cartografiche Fusi, Ovest ed Est 32, 33 e parte nel 34 32, 33 e parte nel 34 meridiani centrali, 9 e 15 E Greenwich 9, 15 e 21 E Greenwich 9, 15 e 21 E Greenwich false origini, 1500 e 2520 Km. Sempre 500 Km. Sempre 500 Km. fattore di contrazione K= K= K=0.9996

15 Cartografia IGM serie vecchia Fogli 1: x 30 Quadranti 1: x 15 Tavolette 1: x 7.5

16 Cartografia IGM serie nuova Fogli 1: x 20 Sezioni 1: x 12

17 Stato della produzione nuova cartografia

18 Cartografia numerica Nasce dalla trasposizione delle cartografie tradizionale su supporto digitale presentando alcuni aspetti nuovi tra i quali: Scala nominale Georeferenziazione

19 Scala nominale Agli oggetti rappresentati vengono associate le loro coordinate reali quindi il concetto di scala delle cartografie tradizionali viene sostituito dalla scala nominale che è la scala di una cartografia tradizionale avente il medesimo contenuto di precisione.

20 Georeferenziazione -Riferire ciò che è rappresentato sulla cartografia numerica alla sua posizione nello spazio fisico. Il procedimento presenta aspetti diversi a seconda del formato di rappresentazione della cartografia: raster o vettoriale.

21 Formati raster o vettoriali Le cartografie possono essere rappresentate in formato raster o vettoriale Il raster è il tipo di file che si ottiene acquisendo la cartografia mediante scanner Il vettoriale è il formato di disegno che gestiscono i programmi di cad o che si ottiene acquisendo una carta mediante digitizer

22 Elementi fondamentali dei file raster e vettoriali I raster sono composti di celle generalmente quadrate che sono detti pixel (da picture element) I vettoriali sono composti di primitive vettoriali quali punti, linee, polilinee etc.

23 Files raster Il raster è una sorta di fotocopia digitale: riproduce tutto ma non ha cognizione di cosa riproduce

24 Raster 2

25 Raster 3

26 Vettoriale

27 Vettoriale 2

28 Entities and fields - Secondo Burroughs (1999), ciò che può essere rappresentato su una cartografia digitale può essere suddiviso in due grandi categorie: entities (entità) e fields (campi) - Le entities sono oggetti che hanno una precisa collocazione ed estensione e possono essere rappresentati in forma vettoriale (es. fabbricati o vie di comunicazione) - I fields sono grandezze che variano il loro valore a seconda della posizione che andiamo ad investigare all interno dell area in studio e possono essere rappresentati in formato raster (permeabilità del terreno, densità di popolazione)

29 Vantaggi e svantaggi dei due formati Raster Vantaggi: Rapidità d acquisizione Viene acquisito tutto indipendentemente dall interpretazione Svantaggi: Il software non capisce la differenza tra i vari oggetti rappresentati File pesanti Vettoriale Vantaggi: Acquisendo per oggetti il software può distinguerli ed associare informazioni File leggeri (rispetto ai raster) Svantaggi: Acquisizione onerosa Interpretazione dell operatore

30 Trasformazioni raster vettoriali

31 Georeferenziazione di raster Questa operazione si compone di due fasi: 1)Georeferenziazione propriamente detta ovvero assegnazione al singolo pixel delle coordinate nel sistema di riferimento utilizzato. 2)Operazione di rectify si tratta di un ricampionamento dell immagine per modificarne la geometria in modo che abbia la stessa forma di quella del sistema di riferimento. Alcuni software (Mapinfo 5.0) eseguono solo la 1 non cambiano la geometria dell immagine anche se è deformata, altri le eseguono entrambe contestualmente (Geomedia, MGE), altri le eseguono in due fasi ( register e rectify ) di Arcinfo e Arcgis

32 Algoritmi di georeferenziazione Helmert: semplice rototraslazione con una variazione di scala Proiettiva: utilizzata per correggere le immagini da aereo e da satellite. Polinomiale o Affine di n grado: famiglia di trasformazione di complessità crescente (la più semplice (primo grado) opera una rototraslazione con due variazioni di scala sui due assi ed eventuale rotazione di un asse rispetto all altro

33 Sperimentazione sulla calibrazione dei raster Avendo queste possibilità si è avviata una sperimentazione per cercare di rispondere principalmente a due domande: - E sempre meglio utilizzare le trasformazioni più complesse, o il maggior tempo necessario per elaborare la trasformazione non viene ripagato da un sensibile miglioramento dell affidabilità metrica? - E possibile stimare, anche grossolanamente, un numero minimo di punti di controllo che ci possa garantire un risultato soddisfacente? In altre parole esiste un numero limite di punti di controllo, superato il quale non si ha un miglioramento significativo del risultato?

34 Helmert

35 Polinomiale di 5 ordine

36 Quale algoritmo scegliere? vertici 4 incroci UTM 8 incroci UTM 14 incroci UTM 47 incroci UTM 93 incroci UTM 2 0 Helmert Affine 1 Proiettiva Affine 2 Affine 3 Affine 4 Affine 5 4 vertici 4 incroci UTM 8 incroci UTM 14 incroci UTM 47 incroci UTM 93 incroci UTM

37 Effetti delle polinomiali di grado elevato

38 Georeferenziazione dei vettoriali I file vettoriali sono generalmente già georiferiti ma può essere necessario georiferirli se sono stati riferiti in un sistema locale o se si deve cambiare sistema di riferimento. Alcuni software permettono di georiferire i vettoriali con le stesse modalità dei raster, alcuni software permettono la georeferenziazione vettoriale tridimensionale (generalmente una Bursa-Wolf equivalente ad una Helmert in 3d), utile ad esempio quando si debba inquadrare in un sistema di riferimento globale un rilievo topografico locale.

39 Definizioni di GIS Le definizioni di Sistema informativo geografico proposte dai vari autori sono innumerevoli, tanto che uno dei maggiori autori in materia (Burrough) le classifica in tre generi: le definizioni di GIS come set di strumenti, come database o come organizzazione di dati.

40 Burrough Un potente insieme di strumenti per raccogliere, archiviare, richiamare a richiesta, trasformare e mostrare dati spaziali (rilevati) dal mondo reale

41 Aronoff Ogni insieme di procedure manuali o assistite dal computer usate per archiviare e manipolare dati geograficamente riferiti In questo senso un GIS è una qualunque banca dati (anche su supporto cartaceo) i cui dati sono riferiti alla loro posizione nello spazio.

42 Struttura schematica di un GIS

43 Features ed attributi Features: sono le caratteristiche con cui viene visualizzata (colore, spessore, etc.) un determinato tipo di oggetto (come una strada, una ferrovia, un asta fluviale etc.) equivale alla simbologia della cartografia tradizionale. Attributi:Iidati alfanumerici collegati ad una determinata entità sulla cartografia e che quindi sono relativi all oggetto reale che l entità cartografica rappresenta, (es. per una particella catastale il nome del proprietario, l estensione, l uso).

44 Acquisizione di dati per un GIS Le acquisizioni di dati per un GIS possono essere: Primaria: i dati vengono rilevati appositamente per la costruzione del database, il database può essere costruito direttamente in campagna (GPS dedicati) Secondaria: i dati vengono estratti da cartografie e database già esistenti in forma cartacea o alfanumerica

45 Acquisizione secondaria L acquisizione di dati da cartografie esistenti si articola nei seguenti passi: calibrazione e la georeferenziazione della cartografia esistente secondo le metodologiè già accennate. Acquisizione in formato vettoriale dei tematismi di interesse secondo varie modalità come la vettorializzazione semiautomatica già esposta Successivamente o contemporaneamente alle singole primitive vengono associati i rispettivi attributi.

46 Esempio di acquisizione secondaria Un classico esempio di acquisizione secondaria è l estrazione di un modello digitale del terreno (DTM) da cartografie esistenti; infatti le cartografie classiche contengono tutte le informazioni sull altimetria sotto forma di curve di livello, punti quotati, linee di drenaggio e scarpate.

47 Definizione di DTM Un DTM è un modello digitale del terreno (digital terrain model), spesso viene utilizzato il termine DEM (digital elevation model) come sinonimo, ma secondo alcuni autori DEM è solo un modello digitale delle elevazioni (quindi delle quote) mentre DTM è più genericamente un modello digitale di una caratteristica del terreno che generalmente è la quota, ma può anche essere la pendenza, l esposizione o ad esempio la densità di popolazione.

48 Grid e TIN I DTM sono principalmente di due tipi: Grid model: sono modelli che rappresentano le quote di punti distribuiti lungo una maglia regolare generalmente quadrata (ma può anche essere rettangolare o, nel caso di coordinate geodetiche, trapezoidale); concettualmente molto simile al file raster, per questo alcuni autori si riferiscono ad entrambi questi tipi di file come grid file TIN model: (triangular irregular network) modello a maglia triangolare irregolare tutti i punti a quota nota vengono uniti mediante triangoli di forma irregolare.

49 Esempio di grid

50 Esempio di TIN

51 Esempio di rappresentazione Voxel

52 Caratteristiche di grid e TIN Grid Vantaggi: Maglia regolare permette facile elaborazione per derivare altre informazioni Svantaggi: La maglia ha una dimensione costante qualunque sia la morfologia e può essere inadeguata File molto pesanti Le quote dei nodi sono tutte interpolate TIN Vantaggi: Le dimensioni e la forma della maglia possono variare in funzione della densità dei punti e della morfologia del terreno Le quote dei nodi non sono interpolate ma il dato originale Svantaggi: Maggiore complessità per la realizzazione di software che derivi informazioni dal modello

53 Realizzazione di DEM da cartografia tradizionale -Calibrazione e georeferenziazione della cartografia originale acquisita mediante scanner -Vettorializzazione in modalità manuale automatica o semiautomatica. -Tridimensionalizzazione delle polilinee vettoriali che rappresentano le curve di livello è, in pratica, un associazione di informazioni alfanumeriche alla primitiva vettoriale corrispondente

54 Tridimensionalizzazione Può avvenire: Contestualmente alla vettorializzazione (man mano che si vettorializza una curva di livello le si associa la quota corrispondente) Tutte le curve insieme in un secondo momento (vedi figura)

55 Esempio impiego GIS per gestione emergenza (Campania 1998)

56 Modello previsione pericolosità solo morfologia

57 Modello previsione pericolosità con DEM a minore risoluzione

58 Carta geologica SGN

59 Carta pericolosità con geolitologia da SGN

60 Carta rischio

61 Acquisizione primaria -Rilievi appositamente progettati e realizzati per l inserimento in un GIS - Mediante i moderni metodi GPS/GIS integrati è possibile costruire il database direttamente in campagna

62 Rilievo mediante strumenti terrestri

63 Teodolite

64 Livello

65 Sistema Gps

66 Differenze di fase

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68 Fasi di costruzione di una ortofotocarta da satellite per paesi in via di sviluppo (Tangeri) La realizzazione si articola generalmente nei seguenti passi: 1. Ricerca bibliografica cartografie esistenti 2. Studio delle trasformazioni tra i differenti sistemi di riferimento 3. Trattamento dei file raster delle carte per estrazione DEM 4. Campagna di rilievo GPS dei punti controllo a terra 5. Georeferenziazione ed ortorettificazione dell immagine Ikonos 6. Sovrapposizione della cartografia esistente alla ortorettificazione e loro validazione 7. Redazione della carta nella versione definitiva Convegno ASITA 2001GIS e cartografia numerica - M.Crespi, V. Baiocchi -Area Topografia DITS 68

69 Interpretazione da parte dell utente. ORTOFOTOCARTA Informazioni immesse in fase di restituzione. È una fotografia corretta geometricamente affinché sia sovrapponibile ad una cartografia. Viene realizzata quando è disponibile una sola immagine e non sono disponibili stereocoppie (coppie di foto), che permettono la tecnica della stereorestituzione.

70 IL SATELLITE IKONOS 2 ALTITUDINE: 681 Km VELOCITÀ DEL SATELLITE: 7 Km/sec. RISOLUZIONE GEOMETRICA: 1 metro (2100 dpi) RISOLUZIONE RADIOMETRICA: 11 bit AREA MAX: 13,5 13,5 Km 2 PREZZO IMMAGINE ACQ. ($/Km 2 ): 29 La Spaceimaging fornisce stereocoppie solo ad enti governativi e militari, quindi, è stato possibile acquistare solo un immagine della zona di Tàngeri.

71 IMMAGINI SATELLITARI FINO AD OGGI DISPONIBILI Risoluzione dell ordine della decina di metri. Tàngeri Immagini utili per realizzare ortofoto a piccola scala (1:50000 o meno). STRETTO DI GIBILTERRA, IMMAGINE LANDSAT

72 DEM ricavato da cartografia

73 Implementazione di una trasformazione di Datum in ambiente GIS Per utilizzare le informazioni altimetriche contenute nella carta si è reso necessario trasformare le coordinate cartografiche nazionali del Marocco in UTM WGS84; sono stati testati 3 differenti metodi: 1. Modalità preimpostata in MGE (regressione multipla) 2. Molodensky in MGE (parametri sito web NIMA) 3. Molodensky fuori linea (parametri sito web NIMA)

74 Risultati confronto Regressione Multipla MGE Molodensky MGE Molodensky fuori linea Molodensky MGE Molodensky fuori linea Regressione Multipla MGE ϕ= λ= ϕ= λ=0 ϕ= λ=

75 Stesse metodologie ED50 -> WGS84 Non disponendo di punti a coordinate note non era possibile capire quale metodologia fosse più attendibile quindi sono state testate le stesse procedure su punti della rete IGM95 trasformando coordinate UTM ED50 in UTM WGS84 Regressione Multipla MGE Molodensky MGE Molodensky fuori linea Molodensky MGE Molodensky fuori linea Regressione Multipla MGE ϕ= λ= ϕ= λ=0 ϕ= λ=

76 Metodologia adottata La procedura più affidabile sembra Molodensky fuori linea ; dato che Le differenze tra questa e la Molodensky in MGE sono minime, in considerazione delle notevoli facilitazioni operative che quest ultima procedura offre (quali trasformazione automatica di file vettoriali), si è deciso di adottare quest ultima.

77 Il rilievo GPS dei punti di controllo Il rilievo è durato due settimane ed è stato eseguito mediante due ricevitori monofrequenza modello March II della Corvallis che si sono rivelati abbastanza funzionali ed economici ma non esportano in RINEX 39 punti per circa 60 kmq di cui 21 rimisurati dopo alcuni giorni per valutarne la ripetibilità (la media quadratica degli scarti dei 21 punti rilevati due volte è pari a 0.33 m) sessioni di 45 minuti

78 Differenziazione dei dati Differenziazione rispetto alla stazione permanente di S. Fernando in Spagna (distante 80 km) ed alla stazione permanente di Rabat (350 km) Differenziazione rispetto ad una stazione montata sul tetto dell Istituto Pasteur di Tangeri Differenziando rispetto alla stazione di Tangeri si ha un maggior numero di soluzioni fixed quindi è stata utilizzata quest ultima La posizione della stazione di Tangeri è stata determinata mediando sei sessioni di circa 2h 40

79 Primo confronto punti GPS georeferenziazione ID Punto Scost_X (m) Scost_Y (m) Scostamento totale Soluzione Ist. Pasteur fixed fixed floating floating floating fixed Media 5.25 Eqm 2.57

80 Caratteristiche delle immagini Ikonos Carterra Geo Caratteristiche dichiarate: - risoluzione nominale pari ad un metro per angoli di off-nadir inferiori a 26 -una risoluzione radiometrica equivalente a 2048 toni di grigio. -Prezzo circa 29 USD per kmq di 11 bit Caratteristiche dell immagine consegnata: -off- nadir risoluzione effettiva 1.15 * 1.02 m, risoluzione nominale 1m * 1m ottenuta per interpolazione -toni di grigio equalizzati (DRA)

81 Seconda immagine fornita Caratteristiche seconda immagine: 1. Angolo off-nadir: Risoluzione effettiva: 0.93 X 1.06 m. 3. Toni di grigio equalizzati (DRA)

82 Problematiche riscontrate Inconvenienti dell elevata inclinazione di alcune immagini: 1. Riduce l effettiva risoluzione 2. Richiede una maggior precisione del DEM 3. In aree urbane gli edifici possono mascherare particolari di interesse Inconvenienti del DRA (opzionale) 1. Varia la tonalità di grigio rispetto all originale

83 Confronto cartografia esistenteortofotocarta - 1

84 Confronto cartografia esistenteortofotocarta - 2

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86 Conclusioni Le immagini ad alta risoluzione hanno dimostrato interessanti potenzialità particolarmente per le applicazioni nei paesi in via di sviluppo Alcune caratteristiche delle immagini vanno ulteriormente indagate perché potrebbero limitarne le possibilità di applicazione