Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS

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1 Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS Parole chiave > Cartografia numerica, GIS, WEB-GIS, LBS. Riassunto > La ricerca in corso è orientata alla definizione di standard di strutturazione della cartografia numerica (in relazione alle diverse scale nominali e al contenuto semantico) compatibile con i GIS, WEB- GIS, LBS. Sulla base delle analisi critiche di tali sistemi e del funzionamento dei relativi software è stato definito un possibile modello di strutturazione cartografica applicato ad un caso reale. Andrea SCIANNA* Alessio AMMOSCATO** Rita CORSALE** Gino DARDANELLI** Benedetto VILLA** * C.N.R. DAST Dipartimento di Rappresentazione Università di Palermo viale delle Scienze c/o Facoltà di Ingegneria Palermo e scianna@dirap.unipa.it ** Dipartimento di Rappresentazione Università di Palermo viale delle Scienze c/o Facoltà di Ingegneria Palermo e bevilla@unipa.it Abstract > The goal of the current research is to give the definition of standards for structure of digital cartography (relating to different nominal scales and semantic content) compatible with GIS, WEB-GIS, LBS. On the grounds of the critical analysis of those systems and the running of the related software, it was defined a possible model of cartographic structure, applied to a real case. 1. Introduzione Il lavoro svolto nell ambito delle Commissioni dell Intesa Stato-Regioni, le proposte di standard per l informazione geografica dell ISO TC 211 e dell OpenGIS Consortium, costituiscono fondamentale base di riferimento per la ricerca in oggetto. In particolare l Intesa Stato-Regioni, nel tentativo di trasferire su supporto informatico e di mettere a disposizione di più Enti - attraverso procedure snelle - la cartografia esistente, ha prodotto documenti in cui sono specificati il modello dei dati spaziali, le indicazioni per lo scambio in rete Internet dei contenuti, le modalità per la derivazione di rappresentazioni cartografiche a diversa scala. Tali proposte sono state analizzate e sperimentate, in termini di pratiche applicazioni, al fine di valutare l estensione del campo di applicazione. La recente realizzazione della cartografia numerica del Parco d Orleans, campus dell Università degli Studi di Palermo, è stata l occasione per sperimentare una nuova proposta di strutturazione cartografica, facendo riferimento ai diversi standard di cui sopra. 173

2 Andrea SCIANNA, Alessio AMMOSCATO, Rita CORSALE, Gino DARDANELLI, Benedetto VILLA 2. La formazione di una nuova cartografia: il Parco d Orleans a Palermo La scelta del Parco d Orleans e del suo intorno, come laboratorio in cui operare una verifica di strutturazione di cartografia numerica, nasce dalla consapevolezza che un campus universitario rappresenta un significativo caso di studio per la molteplicità delle esigenze e per le innovative tecnologie informatiche che possono essere coinvolte nella fruizione e nell elaborazione delle informazioni. La prima cartografia del campus universitario, realizzata nel 1990 nell ambito di un progetto di ricerca del Dipartimento di Rappresentazione dell Università di Palermo, consiste in una cartografia numerica alla scala 1:1000 in due fogli, in una carta derivata alla scala 1:2000 in un unico foglio, e in un fotopiano a colori in 13 tavole, alla scala 1:1000. Utilizzando una nuova ripresa aerea è stata di recente realizzata, sempre presso il nostro Dipartimento, un ortofotocarta a colori alla scala 1:1000 in sette tavole ed è in fase di realizzazione una cartografia numerica alla scala 1:1000 in quattro fogli, derivabile alla scala 1:5000. Sulla base di questa nuova cartografia è stato progettato, con l impiego di tecnologie GIS e WEB-GIS, il Portale Geografico dell Università di Palermo, attualmente in corso di completamento. L obiettivo è quello di fornire a visitatori, studenti, personale docente e personale dell amministrazione universitaria un potente strumento di consultazione delle diverse informazioni geografiche relative alla Cittadella universitaria. In particolare, i servizi rivolti agli utenti esterni riguardano: l identificazione e individuazione delle strutture (edifici didattici e dipartimenti, servizi generali, mensa, pensionato universitario, ecc.) e dei relativi accessi (mappe e filmati dei percorsi, foto degli accessi e degli edifici, ecc.); le informazioni sull utilizzazione di strutture didattiche e dipartimentali (orari lezioni, collocazione aule, spazi disponibili, orari biblioteche di facoltà e di dipartimento, ecc.); le informazioni sul funzionamento delle strutture amministrative e di servizio (orari di apertura al pubblico, collegamenti a siti, servizi offerti, ecc.; La specifica strutturazione dei dati permetterà a tutto il personale autorizzato dell università l accesso ai diversi livelli informativi e l esecuzione di analisi quali-quantitative. 3. Esigenze per la nuova cartografia Per meglio indagare le caratteristiche della nuova cartografia numerica sono stati esaminati i sistemi attuali basati sull uso dell informazione geografica, e ne sono state esplorate le diverse caratteristiche e le modalità di funzionamento. Di seguito sono sommariamente discussi i relativi aspetti Utilizzazione GIS L impiego della cartografia numerica con i software GIS può avvenire secondo due modalità differenti: - utilizzando la cartografia numerica semplicemente come base grafica; - utilizzando la cartografia numerica con il suo contenuto informativo, minimale o esteso. Ovviamente, perché una cartografia numerica sia pienamente utilizzabile in un GIS, la strutturazione dei dati legata ad una semplice suddivisione in layer e la correttezza geometrica non sono più sufficienti: è opportuno che vengano definite tutte le relazioni spaziali fra oggetti geometrici (adiacenza, appartenenza, inclusione) e che sia possibile eseguire le analisi tipiche di un sistema informativo territoriale. Oltre che la correttezza topologia deve infatti essere definito il contenuto semantico dell informazione, da utilizzare per le elaborazioni tematiche, e la sua aderenza ad uno standard condiviso al fine di consentire l interoperabilità e l intercambiabilità fra diverse strutture di dati (es. un grafo stradale strutturato in maniera standardizzata può essere immediatamente utilizzato dagli Enti, interfacciandolo con i propri dati). Va evidenziato che, a fronte dell esigenza dell interoperabilità, di recente i produttori dei diversi software GIS, facendo proprie le indicazioni dell OpenGeospatial Consortium, stanno dotando i loro prodotti di moduli che ne completano le capacità di scambio dei dati. Bollettino SIFET 1/2005

3 Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS 3.2. Utilizzazione per 3D-Visualization Per quanto gli studi e le elaborazioni sui modelli digitali del terreno, eventualmente associati alla modellazione solida di elementi artificiali, diano ampie possibilità di visualizzazione e di esplorazione, allo stato attuale l integrazione tra cartografia numerica e visualizzatori tridimensionali presenta ancora qualche lacuna. Il problema che si presenta più di frequente riguarda la possibilità di gestione della topologia di oggetti tridimensionali chiusi, in particolare quelli aventi facce non orizzontali. Grazie all incremento di potenza dei personal computer e dei software di modellazione 3D, si sono potuti realizzare modelli tridimensionali sempre più complessi e realistici. Una rappresentazione attraverso un modello matematico tridimensionale non è solamente utile per la presentazione dei dati ma anche per tutte le operazioni di derivazione ed indagine che con esso si possono realizzare. La presentazione di immagini o filmati realizzati a partire dal modello è, però, una scelta che ne limita ancora la diffusione. Uno degli aspetti più problematici è la presentazione dei risultati in un ambiente interattivo, non legato ad ambienti software o a particolari piattaforme, e con interfacce facilmente utilizzabili. La diffusione di Internet e lo sviluppo del linguaggio VRML (Virtual Reality Modeling Language) hanno fornito uno strumento di distribuzione rapida delle informazioni di carattere tridimensionale, che permette di raggiungere facilmente un grande numero di utenti, indipendentemente dalla piattaforma e dal sistema operativo che essi utilizzano. Allo stato attuale il VRML è un ottimo punto di incontro tra Web Cartography e Web-3D e permette di creare applicazioni WEB in cui si integrano mappe bidimensionali, modelli tridimensionali e banche dati alfanumeriche. Tabella 1 - Nuove esigenze della cartografia numerica Esigenze Gis WEB-GIS 3D Visual LBS Creazione topologie o x x Standardizzazione attributi minimali x x x Strutturazione dei dati secondo standard aperti x x o x Presenza informazione 3D x o x o Definizione dei diritti di accesso in maniera standardizzata x x x Operazioni di generalizzazione x x x Operazioni di geoprocessing e geostatistica x x Operazioni di rendering e modellazione x Presenza e gestione di metadati standardizzati x o Presentazioni tridimensionali interattive x x Nidificazione di cartografia x x x legenda: x = necessario, o = facoltativo 175

4 Andrea SCIANNA, Alessio AMMOSCATO, Rita CORSALE, Gino DARDANELLI, Benedetto VILLA 3.3. Utilizzazione WEB-GIS Riveste particolare importanza in questo caso sia la trasmissibilità dell informazione cartografica, sia i tempi necessari ad operare su di essa dal momento in cui viene richiesta. Infatti nel campo dei cosiddetti WEB-GIS possiamo distinguere due casi: il primo in cui la funzione è quella di fornire l informazione cartografica vera e propria, possibilmente per elaborazioni da compiere su di essa; il secondo in cui l utente richiede solo la visualizzazione (quindi un immagine) dell area interessata e la generazione di eventuali tematismi che insistono su di essa. La velocità della trasmissione può essere incrementata tramite una frammentazione o riduzione di dimensione dei dati in modo tale da velocizzare i processi di trasferimento: - riducibilità cartografica 1 livello ; consiste sostanzialmente nell accensione e/o spegnimento di determinati layer in relazione alla scala alla quale si opera. È ovvio che in questo caso la cartografia deve essere opportunamente strutturata; - riducibilità cartografica 2 livello ; il complesso delle informazioni da visualizzare viene generato in funzione della scala di visualizzazione corrente. Questa maniera di operare consente di avere una unica sorgente di dati e richiede la messa a punto di algoritmi di generalizzazione cartografica, attivabili tramite web, che possono anche comportare tempi di elaborazione consistenti. La riduzione dei tempi di elaborazione del dato dipende sia dalla qualità dell algoritmo utilizzato sia dalla struttura stessa dei dati, che viene quindi ad assumere un enorme importanza anche nei problemi di generalizzazione cartografica. Figura 1 - The Pizza story (tratto da Utilizzazione LBS I Location Based Services includono una serie di servizi (localizzazione di veicoli, navigazione, reti di monitoraggio, servizi di allarme e soccorso) continuamente in espansione, forniti in genere tramite dispositivi mobili quali computer palmari, telefonini di ultima generazione e navigatori GPS. Bollettino SIFET 1/2005

5 Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS Si tratta in generale di applicazioni complesse che si basano sulla possibilità di accedere a sistemi informativi geografici remoti, con un collegamento che di norma è di tipo wireless. Questo è forse il tipo di applicazione in cui vengono approfondite le seguenti problematiche legate alla cartografia numerica: generalizzazione cartografica. Le diverse richieste avvengono spesso a scala diversa: si pone quindi il problema di dovere fornire risultati a differenti scale (ad esempio per la localizzazione di un ufficio postale o la visualizzazione degli assi stradali di una provincia); sicurezza dei dati (i dati richiesti spesso possono essere dati riservati o protetti); robustezza e integrità dei dati (spesso i LBS fungono da supporto a servizi di emergenza o di soccorso); possibilità di adottare standard comuni a diversi tipi di applicazioni e strumenti. Dagli studi relativi a questo settore della geomatica emerge l esigenza di disporre di una cartografia avente livelli con precisione cartografica differente; dovendo, infatti, operare anche con sistemi di posizionamento e dovendo ridurre l incertezza posizionale, è necessario utilizzare cartografia ad elevata precisione; in tal modo l incertezza relativa alla posizione cartografica non si somma con l incertezza posizionale relativa al sistema di posizionamento utilizzato. In relazione a questa specifica esigenza, sarebbe auspicabile la disponibilità di una carta con rappresentazione grafica anche schematica (tipica di una scala 1:2000), ma con una precisione almeno della scala 1:500. Ovviamente in relazione a quanto detto vanno considerati anche i relativi aspetti economici. 4. Lo stato dell arte Negli ultimi venti anni gli Enti statali e locali hanno predisposto capitolati cartografici che hanno garantito un discreto livello di omogeneità dei contenuti della cartografia, tradizionale e digitale, perché basati sulle raccomandazioni predisposte dalla Commissione Geodetica Italiana. A partire dagli anni 80 il livello qualitativo della produzione cartografica si è via via incrementato con la realizzazione di cartografia numerica unitamente ai molti progressi nel settore del CAD. La cartografia numerica ha presto mostrato numerosi vantaggi, alcuni dei quali sono di seguito elencati: trasmissibilità su supporto informatico; indeformabilità del supporto; riproducibilità; univocità del contenuto qualitativo In quegli anni e fino al 90 la cartografia numerica è stata utilizzata come mappa base a contenuto numerico bidimensionale, alla stregua di una cartografia tradizionale, e progressivamente ne è stato sviluppato il contenuto tridimensionale attraverso l estensione dell attribuzione di informazioni altimetriche oltre che ai punti quotati e alle curve di livello, anche al piede di entità naturali e artificiali e alle linee di gronda degli edifici. Tali informazioni permettono, attraverso strumenti adeguati, la modellazione tridimensionale dell edificato, la realizzazione del modello digitale del terreno e infine, solo di recente, la navigazione virtuale della zona cartografata. Ne consegue una nuova visione delle problematiche proprie dello spazio urbano e del suo territorio, delle relazioni fra l edificato e i vuoti, delle gestioni integrate di territori appartenenti ad ambiti amministrativi differenti. Il potenziamento dei software CAD ha consentito inoltre elaborazioni dei dati che risultano fondamentali per la pianificazione e la gestione del territorio, come: calcolo delle superfici, dei volumi, dei parametri urbanistici; collezione di oggetti in layer. Questa funzione, operata a monte del processo di restituzione cartografico, consente una pre-selezione e classificazione degli oggetti stessi; calcoli statistici. La cartografia numerica, nata e sviluppata per lo più in ambiente CAD, è stata trasferita tout court in ambiente GIS, utilizzando il formato di scambio dxf, senza tenere in considerazione le differenze sostanziali fra i due sistemi. La definizione di parametri standardizzati per la produzione cartografica costituisce, quindi, un problema aperto relativamente alla struttura, alla geometria, alle relazioni topologi- 177

6 Andrea SCIANNA, Alessio AMMOSCATO, Rita CORSALE, Gino DARDANELLI, Benedetto VILLA che e alla gestione dei dati geografici; il problema è generato essenzialmente dalla coesistenza di due logiche differenti di creazione e gestione dei dati, CAD e GIS. Nel CAD il dato grafico è descritto in uno spazio 3D; nei GIS gli oggetti sono invece entità geografiche raggruppate in classi (fra cui è possibile generare relazioni topologiche) e strutturate attraverso modelli relazionali. Il contenuto semantico di una cartografia numerica (CAD) - riferito alla scala nominale di rappresentazione e quindi ai metodi di costruzione della carta è attualmente organizzato in layer, ossia in livelli in cui gli oggetti sono definiti in modo che, attraverso accensione o spegnimento degli stessi, si possano effettuare operazioni di derivazione che si traducono in una operazione di sfoltimento dei dati e quindi in una conversione della carta da una scala (maggiore) ad un altra (minore). Per l identificazione delle informazioni - organizzate all interno di una struttura ad albero, in livelli aventi un grado di approfondimento via via sempre più spinto - sono stati utilizzati codici numerici di sei, otto o dieci cifre, eventualmente recanti i dati relativi alla configurazione geometrica di ciascuna entità (Cambursano, 1997), oppure codici di 4 o 6 cifre seguite da una descrizione sintetica della tipologia dell oggetto (Norme tecniche per la realizzazione di cartografia numerica, Regione Lombardia 1999). La rappresentazione della realtà è realizzata associando ad ogni oggetto le primitive grafiche (punti, linee, poligoni, testi) che meglio lo rappresentano in relazione alla scala cartografica; ciò significa, per esempio, che le linee curve sono sostituite da spezzate in accordo con la verifica di opportune condizioni geometiche. La strutturazione dei dati, legata ad una semplice suddivisione in layer, per quanto rappresenti un primo passo e fornisca una prima possibilità di generalizzazione cartografica è il retaggio di un approccio di tipo CAD. Oggi, invece, al fine di rendere disponibili i dati ad utenze diversificate (attraverso sistemi GIS, WEB-GIS, LBS) è opportuno il ricorso ad un approccio orientato ai sistemi informativi, ed in particolare al database geografico che rappresenta uno strumento di reale e profonda integrazione dei dati spaziali e di quelli strettamente informativi. L introduzione di nuovi linguaggi e sistemi per la strutturazione e il trasferimento dei dati (XML, GML, SVG, GeoUML) aumenta, inoltre, le possibilità di fruizione dell informazione, sia per l accesso diretto sia per la connettività necessaria ai server di mappe e ai LBS. L aspetto innovativo più importante nella strutturazione delle informazioni finalizzata ai GIS riguarda il ricorso a database spaziali basati sul modello relazionale, in cui gli oggetti sono organizzati in classi rappresentabili con schemi concettuali. La definizione di questi ultimi richiede l indicazione di vincoli anche per la componente spaziale dei dati, in modo che vengano supportate relazioni topologiche tra oggetti. Ad oggi buona parte delle banche dati GIS non sono caratterizzate da una strutturazione topologica ottimizzata, poiché i software GIS di livello medio-basso non permettono di realizzare una efficiente strutturazione topologica; conseguenza di ciò è che gli oggetti vengono rappresentati singolarmente, senza prevedere interazioni fra di essi: esempio di questo approccio è l utilizzo di shapefile. Tabella 2 - Caratteristiche dell informazione geografica Informazione geografica numerica Gis WEB-GIS 3D Visual LBS Memorizzazione su supp. informatico x x x x Trasmissibilità via rete x x x x Interoperabilità x x x Protezione dati x x Generalizzabilità I liv. x x x x Generalizzabilità II liv. x Strutturazione topologica x x x Informazione 3D x x x x Bollettino SIFET 1/2005

7 Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS I documenti prodotti dalle commissioni dell Intesa Stato-Regioni, in conformità con le norme europee e internazionali, rappresentano un significativo strumento di lettura e di sperimentazione delle norme stesse; in particolare, vengono analizzate le modalità di realizzazione dei database topografici, con specifica attenzione alle problematiche legate alla fruibilità delle informazioni, alla derivabilità dei dati geografici, al conseguimento di una reale interoperabilità. Il modello concettuale descritto nei documenti WG01N1010_1/2 - conforme al General Feature Model _ documento ISO Rules for application schema è lo strumento utilizzato per la modellazione del contenuto del database geografico attraverso il linguaggio GeoUML. Tale linguaggio, che è basato su una ricca varietà di oggetti geometrici (insiemi di primitive), non coincide con l UML ma ne costituisce una specializzazione; ciò ha richiesto la definizione di regole di corrispondenza. La codifica delle informazioni geografiche per la fornitura e lo scambio dei contenuti via internet sono descritte nel documento WG01N1007_5; il linguaggio proposto è il GML (Geographic Markup Language), che si è sviluppato a partire dal 1999 nell ambito di un progetto dell OpenGIS Consortium per la condivisione in rete di tutti i Data Base governativi e federali degli Stati Uniti. Questo linguaggio, adottato dallo standard ISO / TC 211_ Geomatics, costituisce una specializzazione dell XML (extended Markup Language), che consente di facilitare la condivisione e l interoperabilità dei dati fra differenti sistemi. Un ulteriore vantaggio dell utilizzo del GML, che è supportato da OpenGIS Consortium e quindi sarà implementato nei software GIS, è quello di offrire una serie di informazioni aggiuntive all applicazione che utilizza i dati e consentire un nuovo livello di gestione e manipolazione delle informazioni basate su Web. Per gli attributi geometrici delle classi, l Intesa Stato- Regioni fa riferimento al contenuto del documento ISO Spatial Schema che fornisce schemi concettuali per descrivere e manipolare le caratteristiche spaziali degli oggetti geografici. Nel documento di riferimento tali caratteristiche spaziali sono descritte attraverso uno o più attributi spaziali il cui valore è dato o da un oggetto geometrico o da un oggetto topologico. La geometria fornisce gli strumenti per la descrizione quantitativa degli oggetti, attraverso le coordinate e le funzioni matematiche relative alle loro caratteristiche spaziali (dimensione, posizione, misura, forma e orientamento); la topologia tratta le caratteristiche delle figure geometriche che restano invariate se lo spazio viene deformato in modo elastico e continuo (es. dati geografici vengono trasformati da un sistema di coordinate ad un altro). Le definizioni della geometria degli oggetti e delle relazioni topologiche tra oggetti della stessa classe e di classi diverse, hanno un ruolo significativo nelle procedure standardizzate di derivazione cartografica. L imposizione di vincoli in fase di formazione del DB consente, per esempio, che in fase di derivazione la modifica di un oggetto non determini la perdita di relazioni topologiche fra oggetti o la realizzazione di relazioni non previste. Le informazioni sulla geometria delle entità, a differenza di ciò che avviene per la cartografia realizzata con approccio di tipo CAD, possono essere inserite in campi a parte. Nella documentazione relativa ad un caso di applicazione delle specifiche tecniche dell Intesa GIS (AA. VV. Specifiche tecniche, ), ad ogni classe sono associate una o più componenti geometriche, e, inoltre, le componenti geometriche delle classi vengono modellate come FeatureClass distinte. Il nome di ogni FeatureClass viene ad essere così costruito a partire dai codici della gerarchia Strato/Tema/Classe + il nome della componente geometrica. Nelle classi tutti gli oggetti hanno un indicazione di dimensionalità che può essere 2D o 3D per linee e punti, ma è solo 2D per le superfici. Le funzioni basate sugli operatori topologici, infatti, pur operando su oggetti 3D eliminano la terza dimensione e restituiscono oggetti bidimensionali. Nonostante gli standard e le sperimentazioni cui si è prima fatto cenno rappresentino significativi e condivisi strumenti per l implementazione di database geografici, ancora in molti capitolati di cartografia numerica è richiesta la consegna di elaborati in formati tradizionali (dxf, shp), dotati di basso o nullo contenuto semantico. In ambito nazionale solo la Regione Piemonte prevede la fornitura di coverage ArcInfo. 179

8 Andrea SCIANNA, Alessio AMMOSCATO, Rita CORSALE, Gino DARDANELLI, Benedetto VILLA 5. Una nuova cartografia per il Parco d Orleans La ridefinizione della cartografia numerica del campus universitario è stata, in una prima fase, orientata alla individuazione di un sistema di codifica generale capace di consentire la derivabilità della carta, di costituire la base di un GIS e di creare modelli tridimensionali. Per la definizione del sistema di codifica si è fatto riferimento, come è avvenuto per tutte le proposte avanzate negli ultimi venti anni, alle raccomandazioni della Commissione Geodetica in merito a: - viabilità stradale; - viabilità ferroviaria; - orografia; - edifici e costruzioni; - idrografia; - vegetazione; - limiti amministrativi. Per ciascuna voce sono disponibili diversi livelli di approfondimento. A partire da queste linee guida e dall analisi di alcune proposte, per l organizzazione delle informazioni si è scelto di adottare uno schema ad albero strutturato come segue: livello, classe, gruppo, sottogruppo. Ogni livello di dettaglio è individuato da un codice numerico a due cifre ottenendo così una stringa costituita da quattro coppie di numeri che individuano una tipologia di entità. Ciascuna entità viene inoltre specificata dal tipo di geometria, che può essere del tipo punto, linea, area, testo, simbolo, composto. Nella sperimentazione effettuata, seguendo un ordine decrescente, la prima coppia di numeri individua il tipo di geometria, la seconda coppia il livello, la terza coppia la classe, la quarta e la quinta individuano rispettivamente le voci di gruppo e sottogruppo, ad esempio Tipo di geometria: entità area Livello: edifici e costruzioni Classe: impianti sportivi Gruppo: coperture Sottogruppo: linee perimetrali dei tetti. Alcune voci di sottogruppo (ad esempio tronco stradale, nodo, linea di grafo ecc.) non vengono rappresentate in fase di stampa ma consentono di effettuare eventuali analisi quali-quantitative attraverso applicazioni di tipo GIS. Per ciò che riguarda la derivabilità della carta, nel caso specifico dalla scala 1:1000 a quella 1:5000, ciascuna voce di sottogruppo è stata completata dall aggiunta di un suffisso, 1k e 5k, identificativo della scala di rappresentazione. I due suffissi si trovano associati ogni qualvolta una tipologia di entità è presente in entrambe le scale. Bollettino SIFET 1/2005

9 Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS Classe 02: Edifici pubblici Gruppo 01: Perimetro Sottogruppo 01: muro perimetrale esterno_1-5k 02: muro perimetrale interno_1-5k 03: dividente volumetrica_1k 04: portico_1k 05: linea di ingombro di scale esterne_1k 06: cortili interni_1k 07: elementi di completamento_1k 08: elementi di completamento_1-5k 09: retino_1k 10: retino_5k Gruppo 02: Coperture Sottogruppo 01: linee perimetrali esterne dei tetti_1-5k 02: linee perimetrali interne dei tetti_1-5k 03: linee di falda dei tetti_1k 04: lucernari_1k 05: simbolo di inclinazione delle falde_1k 06: corpi aggettanti_1k 07: tettoie_1-5k 08: punti di quota_1k 09: testo_1k Le entità rappresentate (curve di livello, punti quotati, attacco a terra degli edifici, coronamento degli edifici) contengono le informazioni relative all altimetria che consentono di effettuare non solo modellazioni del terreno, ma anche elaborazioni tridimensionali dell edificato all interno di applicazioni CAD. La cartografia così strutturata è stata successivamente importata all interno di un applicazione GIS, ArcGIS Desktop 8.1 della Esri. È stato verificato che con questa operazione, pur disponendo di tutti gli strumenti di analisi spaziale del software, non è più possibile gestire le informazioni tridimensionali in maniera ottimale; in particolare, la gestione delle aree è limitata alle sole entità i cui vertici hanno tutti la medesima quota. Nel caso di entità i cui vertici originari hanno quote differenti, il software attribuisce a tutti i vertici la quota del primo, falsando anche le misure delle aree; ciò è stato verificato anche con il software open-source GRASS, rimanendo comunque la possibilità di ottenere e gestire modelli tridimensionali del terreno utilizzando le informazioni provenienti dai punti di quota e dalle curve di livello. All interno di ArcMap è stato ottenuto un DEM, ossia una superficie tridimensionale, al quale tramite ArcScene è stata sovrapposta l ortofotocarta del Parco D Orleans, ottenendo così un modello tridimensionale del solo terreno. Tale procedura è riproducibile con la tecnologia degli attuali moduli di visualizzazione 3D dei software GIS più diffusi. Con tali visualizzatori è possibile in genere estrudere oggetti chiusi, i cui vertici sono dotati del- Figura 2 - Rappresentazione della nuova cartografia del Parco d Orleans ed esempio di codifica 181

10 Andrea SCIANNA, Alessio AMMOSCATO, Rita CORSALE, Gino DARDANELLI, Benedetto VILLA le coordinate z, scegliendo sia l entità dell estrusione sia il piano a cui essa fa riferimento (z minima, massima o media). Le superfici di chiusura degli oggetti estrusi sono sempre orizzontali. Per la rappresentazione fotorealistica del modello 3D del terreno e degli oggetti su di esso insistenti, sulla base degli esperimenti condotti risultano perseguibili due vie. È possibile a partire dalla cartografia numerica 3D, in ambiente CAD, condurre delle elaborazioni al fine di realizzare il DEM, ovvero la superficie alla quale adattare la rappresentazione raster del terreno (es. ortofoto). Gli oggetti 3D (edifici, ecc.) sono modellati tramite il motore di modellazione solida del CAD o il modellatore solido esterno che di solito ha funzioni di rendering avanzate. La seconda via passa attraverso l importazione della cartografia numerica 3D nel software GIS, l elaborazione del DEM, la generazione e rappresentazione del modello 3D del terreno renderizzato (con l eventuale ortofoto sovrapposta), l integrazione di oggetti 3D provenienti da software CAD o di modellazione solida, oppure l esportazione del modello 3D del terreno in VRML verso un software di rendering nel quale possono essere inseriti gli oggetti 3D (edifici) modellati separatamente. Nel caso in esame, per ottenere il modello 3D renderizzato del terreno in formato VRML si è operato secondo quest ultima procedura, utilizzando Autocad per la cartografia, ArcGis per la generazione del DEM e ArcScene per esportarlo in VRML con l ortofoto sovrapposta, ed infine 3DstudioMax per l aggiunta degli edifici e la definitiva esportazione in VRML. Figura 3 - Modello tridimensionale del terreno con gli edifici Bollettino SIFET 1/2005

11 Ottimizzazione di cartografia numerica per GIS Tale modello permette la possibilità di navigazione virtuale e interattiva dell intera area di Parco d Orleans, fruibile con il solo browser internet con opportuno plugin, e navigabile anche da internet a patto di avere una connessione a banda larga. Tabella 3 - Principali caratteristiche della cartografia Utilizzabilità rapida in ambiente GIS Stampa multiscala Analisi spaziale e geoprocessing Elaborazione 3D Visualizzazione 3D Navigazione Definizione di codici standardizzati Definizione di strati informativi orientata alla derivazione Definizione di elementi areali chiusi per elaborazioni relative a specifici usi (servizi generali, didattica, ecc.) Definizione delle informazioni tridimensionali per ogni oggetto presente Definizione di oggetti 3D Definizione di assi stradali, indipendentemente dalla larghezza della strada 6. Conclusioni e sviluppi futuri della ricerca Le indagini effettuate e l esperienza condotta sulla cartografia del Parco d Orleans hanno dimostrato l importanza di una nuova definizione della cartografia finalizzata ai sistemi di analisi ed elaborazione territoriale. L approccio basato sulla suddivisione dei contenuti della cartografia in layer, attraverso una struttura ad albero, presenta dei limiti quando non ci si voglia limitare al suo utilizzo come carta base, ma ci si proponga di effettuare delle analisi ed elaborazioni su di essa. La cartografia, infatti, nata essenzialmente con sistemi CAD, necessita di essere nativamente integrata nei GIS, ponendo alcune problematiche relativamente a: - standardizzazione delle informazioni minimali da definire per ciascuna classe di feature e singole feature (es. strade, rif. ISO/TR GDF Geographic data Files); - gestione generalizzata delle informazioni tridimensionali e loro rappresentazione; - interoperabilità, con particolare attenzione all utilizzo di un database spaziale per l allocazione dei dati geografici e la loro consultazione attraverso internet. Inoltre la realizzazione di sistemi LBS fa emergere ulteriori problematiche relative, per esempio, alla compresenza di dati geografici di una stessa zona a scale diverse (sia a livello metrico che semantico). Ciò rende necessario che alcuni particolari della cartografia a piccola scala siano frutto di un rilievo fatto a scala più grande (rappresentazioni a grande scala inserite in rappresentazioni a piccola scala), in modo tale che diversi livelli di ingrandimento non mettano in risalto incongruenze tra le rappresentazioni (vedi fig. 4), e permettano di rendere più accurato il posizionamento di alcuni oggetti territoriali. 183

12 Andrea SCIANNA, Alessio AMMOSCATO, Rita CORSALE, Gino DARDANELLI, Benedetto VILLA Figura 4 - Esempio di incongruenza di cartografie a scale diverse La ricerca prevede ulteriori fasi di analisi e sperimentazione relativamente ad alcuni problemi di difficile univoca soluzione che sono oggetto del proseguimento dell attività di ricerca degli autori. L obiettivo che ci si pone è quello di indagare la possibilità di definire la cartografia numerica più specificatamente per uso GIS, in relazione alla strutturazione ed al tipo di informazione archiviata, con l ulteriore scopo di estrarre informazioni per la visualizzazione 3D e l utilizzo su software CAD, ovvero di poter disporre di cartografia appositamente progettata per GIS e LBS. Bibliografia AA. VV. (2004). Implementazione di un database geografico secondo le Specifiche di contenuto per la realizzazione dei Data Base Topografici di interesse generale - Versione Aerofotogrammetrica ed analisi delle problematiche legate alla convivenza nello stesso DataBase di dati acquisiti con precisioni diverse (DB multiscala). AA. VV. (2004). Open GIS specifications, AA. VV. (2004). Specifiche tecniche, AA. VV. (1999). Norme tecniche per la realizzazione di cartografia numerica alle scale nominali 1:1000 e 1:2000, Milano. Atzeni P., Ceri S., Paraboschi S., Torlone R. (1999). Basi di dati. McGraw-Hill, Milano. ArcGIS - ArcEditor (2004). ArcGIS - ArcMap (2004). Commissione Geodetica Italiana (1973). Norme proposte per la formazione di carte tecniche alle scale 1:5000 e 1: Firenze. Commissione Geodetica Italiana. La formazione di cartografie generali a grande scala (1:2000 e 1:1000). Le strade, Milano. ESRI (2004). Open Published Data Format, Bollettino SIFET 1/2005