Introduzione al GIS (Geographic Information System)

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1 Introduzione al GIS (Geographic Information System)

2 Sommario 1. COS E IL GIS? CARATTERISTICHE DI UN GIS COMPONENTI DI UN GIS CONTENUTI DI UN GIS FASI OPERATIVE CARATTERIZZANTI UN GIS LA STRUTTURA DEL GIS POTENZIALITA E CAMPI DI UTILIZZO DIFFERENZE TRA GIS E ALTRI SISTEMI INFORMATIVI... 11

3 1. COS E IL GIS? Il GIS (Geographic Information System) è uno strumento usato per analizzare le proprietà spaziali e le potenziali relazioni tra oggetti ed eventi. In sostanza, si tratta di un insieme di funzioni per "mappare" e analizzare le cose che accadono nello spazio e nel tempo. L analisi delle informazioni territoriali non è un concetto nuovo. Studiosi con un elevata esperienza in campo matematico, geografico, cartografico e altre discipline simili sono stati in grado di creare carte e analizzare le relazioni spaziali nei secoli passati. Questi tipi di analisi possono essere considerate una forma di GIS analogico come per esempio la base cartografica cartacea e una serie di lucidi tematici sovrapposti. a qualsiasi scala. Con l avvento della tecnologia informatica, il GIS digitale ha sviluppato queste tematiche in modo più rapido e migliore rispetto ai vecchi metodi manuali. Grazie al GIS digitale, ognuno può utilizzare informazioni digitali per prendere decisioni e risolvere problemi complessi. La tecnologia GIS unisce i meccanismi e le operazioni dei comuni database con l analisi geografica e la possibilità di visualizzazione sulla mappa. Quest unico sistema informativo è un valido strumento per analizzare gli eventi, prevedere le finalità e programmare le strategie. I sistemi informativi territoriali sono stati utilizzati in campi diversi. Con l accrescimento del benessere e dei servizi delle diverse nazioni dipendenti le une dalle altre, ci si è trovati di fronte a frequenti problemi dovuti alle superfici geografiche associate alla necessità di gestire l' economia in modo globale. Problemi come il sovrappopolamento, l inquinamento, la deforestazione, i disastri naturali, la povertà, le epidemie e il reperimento di risorse naturali necessitano di analisi geografiche. 2. CARATTERISTICHE DI UN GIS Lo sviluppo del GIS è strettamente connesso con innovazioni avvenute in diverse discipline. Hanno effettivamente contribuito la geografia, la cartografia, la fotogrammetria, il rilevamento, la geodesia, l ingegneria civile, la statistica, il computer, l IE, e altre branche delle scienze sociali, delle scienze naturali e dell ingegneria. I sistemi GIS sono relazionati alle altre applicazioni database, ma con un importante differenza. Tutte le informazioni immesse in un GIS sono accomunate da riferimenti spaziali. Altri database possono contenere informazioni riferite all ubicazione (come gli indirizzi) ma un database GIS usa la georeferenziazione come principale dato di immagazzinamento e di gestione delle informazioni. Mentre altre tecnologie possono essere utilizzate per analizzare fotografie aeree o immagini da satellite, per creare modelli statistici, o per disegnare mappe, tutte queste capacità possono essere gestite da un unico software GIS, la cui tecnologia integrata garantisce risultati ottimali per ogni progetto semplice o complesso. Il GIS, con il suo insieme di funzioni, può essere visto come una vera e propria metodologia e non solo come un complesso di hardware e software. Il GIS può essere utilizzato per prendere delle decisioni. Con la metodologia di immissione, immagazzinamento e analisi dei dati. Grazie al GIS, questi possono essere utilizzati per una ricerca specifica o per prendere decisioni. Se si considera il GIS come un mero sistema di software e hardware si perdono di vista le potenzialità e le caratteristiche principali che permettono al GIS di rientrare in un processo decisionale.

4 3. COMPONENTI DI UN GIS Un sistema informativo territoriale ben costruito consiste nei componenti chiave: hardware, software, dati, metodi e personale. Hardware L hardware è l'elaboratore sul quale il GIS opera. Può essere solo un PC workstation oppure un sistema distribuito costituito da client e server. Il software GIS è supportato da una grossa varietà di sistemi operativi e piattaforme, e dunque questa componente non genera grossi problemi. Software Il software GIS consiste negli strumenti e nelle estensioni necessarie a immagazzinare, analizzare e visualizzare le informazioni geografiche. Sebbene in commercio esistano numerosi applicazioni che sono in grado di visualizzare dati geografici, le applicazioni GIS devono essenzialmente avere le seguenti features: Strumenti per l immissione e il trattamento dei dati spaziali; Un sistema per il trattamento dei database (DBMS); Strumenti che supportino la visualizzazione, l analisi e l interrogazione geografica. Dati In un sistema informativo territoriale la raccolta e il trattamento dei dati è uno degli aspetti più importanti, essendo inoltre più soggetto a manutenzione ed in generale il componente più costoso. I dati tematici e quelli spaziali sono le due tipologie di dati di base associate al GIS. Il dato spaziale specifica l ubicazione di un particolare oggetto o evento mentre il dato tematico fornisce una dettagliata descrizione del fenomeno. La metodologia di reperimento dei dati geografici ricade in due possibili categorie (primaria o secondaria). La raccolta primaria di dati è rappresentata dalla progettazione e l dall'implementazione di una metodologia ad hoc e il successivo inserimento del risultato in un GIS o in un DBMS (database management system). Il dato secondario consiste nel reperimento di informazioni già elaborate. Il dato secondario può essere acquisito da diverse risorse, incluse le amministrazioni pubbliche, gli istituti universitari e le imprese private. Metodo Le metodologie utilizzate sono specifiche per ogni singolo problema. In altre parole, non esistono due analisi identiche. Lo sviluppo e l implementazione di un GIS di successo è un processo ad hoc. Il sistema informativo territoriale deve essere progettato, sviluppato e gestito in accordo con un piano ben determinato. Personale Ogni sistema informativo territoriale è praticamente inutilizzabile senza le persone che gestiscono il sistema e sviluppano piani per l utilizzo del GIS per risolvere i problemi reali. Utilizzatori GIS Analisti - usano saltuariamente il GIS per creare mappe e presentare rapporti. Tecnici - lavorano sulla struttura e la manutenzione del sistema. Queste persone sono responsabili dell amministrazione del sistema e della manutenzione dei database. Specialisti - sviluppano e personalizzano le applicazioni per i committenti tecnologici. Lavorano a contatto con personale non-gis. Oltre al GIS e all analisi spaziale, gli specialisti hanno elevate conoscenze in altri campi e discipline (ingegneria, biologia, geologia, ecologia, marketing, ecc.).

5 4. CONTENUTI DI UN GIS Un GIS contiene informazioni geografiche (e non, o meglio, georeferenziate) registrate secondo due diversi formati: spaziale e tematico. Il dato spaziale descrive il posizionamento di un oggetto nello spazio preso in considerazione o di un evento. Il posizionamento può essere descritto con coordinate xy, un indirizzo di posta, il nome di un edificio ecc.. Un processo automatizzato chiamato geocoding è utilizzato per creare esplicite referenze geografiche (coordinate x, y) da referenze implicite (indirizzi di posta, numeri civici, etc.).questi riferimenti geografici permettono di posizionare gli oggetti sulla superficie terrestre per analizzarle successivamente. RASTER e VETTORIALE Il sistema informativo territoriale lavora utilizzando essenzialmente due differenti tipologie di modelli geografici (o spaziali): il modello raster e quello vettoriale. Il modello raster è composto da una serie di celle della stessa dimensione, organizzate in righe e colonne (del tutto simili a quelle di un foglio elettronico ad espansione). Questo modello è la migliore scelta per rappresentare le superfici che cambiano continuamente nel tempo e nello spazio. In altre parole, oggetti le cui caratteristiche evolvono costantemente mentre ci si sposta da un punto all altro della mappa. Un buon esempio di questo tipo di dati e l altezza. Quando si cammina lungo un percorso si può facilmente notare che un luogo si trova ad una quota più elevata (o meno) rispetto ad un altro. Occorre sottolineare anche che la differenza di quota cambia gradualmente tra due punti relativi posti a notevole distanza. Improvvise variazioni di quota causano delle discontinuità superficiali (che per esempio rendono una strada pericolosa per il traffico automobilistico). Il modello vettoriale è il miglior modello progettato per rapportare oggetti con limiti distinti e ben definiti visto che utilizza le coordinate vettoriali per creare punti, linee e poligoni. Esempio di elementi reali che hanno distinti confini sono i confini regionali, le isole, le strade e i laghi. Il dato tematico descrive le caratteristiche di un oggetto o di un evento. Ci può dire di che colore è l edificio, la velocità di un automobile, ecc. La combinazione di questi due tipi di dati crea il database conosciuto come tema. Inoltre, numerosi temi possono essere uniti e analizzati anche in modo complesso, grazie alle comuni caratteristiche geografiche.

6 5. FASI OPERATIVE CARATTERIZZANTI UN GIS Ci sono essenzialmente sei processi associati ad un GIS (analogico o digitale). Tutti i software GIS in commercio possono soddisfare tali processi, ma alcuni lo fanno in modo più efficiente di altri. Alcune applicazioni sono in grado di gestire i dati in maniera molto efficiente, mentre altri dispongono di molte più funzioni analitiche per elaborare i dati. Il software scelto per il proprio progetto deve essere in grado di soddisfare le specifiche necessità (sia immediate che a lungo termine). INPUT Prima di essere utilizzabile in un GIS, un dato deve essere convertito in un formato digitale compatibile (raster e vettoriale). Bisognerebbe avere a disposizione una lista di indirizzi o un tabulato relativo ad una mappa che si vuole includere nella propria analisi. Per poter utilizzare le informazioni innanzi tutto bisogna creare un file digitale contenente le informazioni compatibilmente alle esigenze dell hardware. I dati alfanumerici possono essere generati in un foglio elettronico ad espansione (Microsoft Excel) e salvato come testo a tabulazione limitata. La mappa cartacea può essere scandita e salvata in formato TIFF. Il file prodotto sarà pronto per essere integrato in un GIS. ELABORAZIONE Nella maggior parte dei casi, la forma digitale creata nella fase di input non è al 100% compatibile con il progetto GIS. Per esempio una strada o un indirizzo deve essere geocodificato e l immagine georeferenziata rispetto al sistema di coordinate (Gauss-Boaga, UTM, etc.) specifico del progetto. Il software GIS può aiutare ad effettuare tali trasformazioni relativamente ai propri dati e integrare le informazioni nel proprio sistema GIS. TRATTAMENTO Anche se le informazioni geografiche possono essere immagazzinate come una serie di file con una tipica struttura a directory, quando il numero dei dati diventa ingestibile e soprattutto utilizzato da più persone contemporaneamente, la miglior cosa da fare è utilizzare un DBMS (database management system) per immagazzinare, organizzare e trattare i dati. Ci sono diversi tipi concettuali per il trattamento dei dati, ma nel sistema GIS quello più largamente utilizzato è il relazionale. Utilizzando il modello di database relazionale, i dati vengono immagazzinati come una collezione di tabelle con campi comuni alcuni dei quali collegati tra loro. Si può considerare una tabella contenente una lista di insegnanti che lavora in una particolare scuola e un altra tabella contenente una lista di studenti della stessa scuola. Un potenziale filo comune tra le due tabelle può essere il nome della scuola stessa. INTERROGAZIONI Una volta che sono state immagazzinate le informazioni geografiche grazie ad un GIS, questo può essere interrogato per avere risposte a domande del tipo: Chi è il proprietario della terra vicino alla discarica? A che distanza si trova casa mia rispetto al panettiere? Quanta superficie e stata coinvolta nell incendio? ANALISI Oltre a poter effettuare interrogazioni di dati contenuti nel GIS, esiste la possibilità di analizzare le informazioni per scoprire le eventuali relazioni ed evidenziarle visivamente in modo più semplice (a volte è l'unico modo possibile) rispetto a quello che si può ottenere

7 analizzando le sole tabelle o i documenti cartacei. Grazie alla capacità analitica del GIS, si può determinare: Quanti supermercati ci sono nel raggio di 50 Kilometri? Quanto la torbidità influisce sulla crescita delle piante acquatiche in prossimità degli estuari? Quanti possibili clienti vivono nell intorno di 5 minuti dal mio negozio? VISUALIZZAZIONE Mentre i cartografi hanno disegnato mappe per centinaia di anni, il GIS fornisce un modo nuovo e di sicuro impatto ed immediato utilizzo al fine di comunicare le informazioni geografiche utilizzando immagini tridimensionali, immagini fotografiche, filmati video e file audio. In altre parole, mente una mappa cartacea fornisce un numero limitato di informazioni, il GIS digitale può fornire una serie infinita di possibilità. 6. LA STRUTTURA DEL GIS Il GIS mette a disposizione potenti strumenti per la localizzazione geografica e la risoluzione di problemi ambientali. L immagine che appare da un GIS è in grado di aiutarci a analizzare le informazioni su una data regione o una città sotto forma di un gruppo di mappe sovrapposte, ognuna delle quali rappresenta una singolare caratteristica relativa alla stessa area considerata. Nel caso in figura, il gruppo di mappe aiuta per determinare e il piano dei trasporti urbani. Ognuna delle carte tematiche separate è riferita come un layer, livello o copertura. Tutti i livelli sono giustamente sovrapposti agli altri, così che ogni punto combaci con il suo corrispondente su un altro livello. Il livello più basso di un GIS è quello più importante, rappresentato da una griglia sulla quale sono impostate le coordinate geografiche (come per esempio longitudine e latitudine) sul quale tutte le mappe sono georeferenziate.

8 Una volta che le mappe sono state georeferenziate, grazie ad un sistema di coordinate prestabilito (Gauss-Boaga, UTM), le informazioni visualizzate sui differenti livelli possono essere comparate e analizzate. Nel caso in figura le vie di traffico possono essere comparate con l ubicazione dei centri commerciali, la densità demografica con le zone industriali. In più, località puntuali o aree possono essere separate dalle località circostanti, come nel diagramma sottostante, semplicemente tagliando tutti i livelli nella posizione desiderata dal resto della mappa. Inoltre non per tutte le analisi è necessario usare simultaneamente tutti i livelli. In alcuni casi, un ricercatore può utilizzare le informazioni selettivamente considerando le relazioni tra livelli specifici. Così anche informazioni ricavate da due o più livelli possono essere sommate e poi trasformate in un nuovo livello utilizzabile in una successiva analisi. Questo processo che permette di combinare e trasformare informazioni con differenti livelli viene chiamato map algebra dal momento che comporta l addizione e la sottrazione di informazioni. Se, per esempio, si vogliono considerare gli effetti prodotti dall allargamento di una strada, occorre cominciare con il livello delle strade, allargare una strada e con la sua nuova larghezza produrre un nuovo livello, dopo di che questa nuova mappa dovrà essere sovrapposta al livello che rappresenta l uso del suolo.

9 7.POTENZIALITA E CAMPI DI UTILIZZO Il potenziale del GIS è realmente vasto. Il GIS è un sistema nel quale dozzine di migliaia di mappe su livelli diversi sono sovrapposte per visualizzare informazioni di varia natura, quali, ad esempio informazioni sulla rete dei trasporti, idrografia, caratteristiche delle popolazioni, attività economiche, giurisdizione politica e altre caratteristiche dell ambiente sociale e naturale. Un sistema utilizzabile in varie situazioni diverse tra loro: - pianificazione urbanistica, - gestione delle risorse ambientali, - previsione dei trasporti, - pianificazione in situazioni di emergenza e cosi via. La capacità di separare le informazioni su livelli e la possibilità di combinarle con quelle appartenenti ad altri livelli (layer) è la ragione per cui il GIS rivela un enorme potenziale sia nel campo della ricerca che nella programmazione di strategie decisionali. Attualmente il GIS è utilizzato sia in ambiti di commercio che nella ricerca riferita ad un ampio raggio di attività tra le quali l analisi delle risorse ambientali, la pianificazione e l' utilizzo del suolo, la valutazione delle imposte, la progettazione delle infrastrutture, l' analisi demografica e di mercato, gli studi sull ambiente e le analisi archeologiche. Una delle maggiori aree di applicazione è la gestione delle risorse naturali, ivi inclusi: Habitat naturale

10 Fiumi Aree alluvionate Desertificazione Terreni agricoli Acquiferi Foreste Un'altra area importante per le applicazioni GIS è la gestione delle reti tecnologiche, per esempio per: Ubicazione in sotterraneo di tubature e cavi Bilanciamento dei carichi nelle linee elettriche Pianificazione della manutenzione delle attrezzature Tracciati di utilizzo energetico Province, Regioni e Stato hanno trovato il GIS particolarmente utile nella gestione e uso del suolo: Suddivisione catastale Compravendita di terreni Controllo e valutazione impatto ambientale Gestione della qualità delle acque Gestione delle proprietà Un utilizzo più recente e innovativo del GIS è basato sull utilizzo di informazioni sulle rete viaria. Il GIS si è rivelato particolarmente utile per: "Mappare" la rete autostradale Progettare e sviluppare di piani di evacuazione Il range delle applicazioni del GIS continua ad espandersi in relazione al fatto che i sistemi diventano più efficienti, più diffusi e meno costosi.

11 8.DIFFERENZE TRA GIS E ALTRI SISTEMI INFORMATIVI I sistemi informativi territoriali sono strettamente connessi con tecnologie per sistemi informativi come: computer aided design (CAD), global positioning systems (GPS) e database management systems (DBMS). Anche se non esistono regole precise per definire i differenti sistemi informativi, si può effettuare una differenziazione sulla base delle informazioni immagazzinate attraverso i vari sistemi nominati. CAD I sistemi CAD sono stati sviluppati per creare disegni e piattaforme per la costruzione di edifici e oggetti manifatturieri. Sebbene alcuni di questi sistemi siano stati estesi per poter lavorare con mappe e dati geografici di base, gli strumenti CAD non possiedono le capacità analitiche del GIS. Inoltre, hanno capacità molto limitate nell utilizzo di una grossa quantità di dati geografici. I sistemi CAD sono ampliamente utilizzati in diversi campi, soprattutto in architettura, ingegneria civile e edile. La maggior parte dei software GIS permette di importare il disegno CAD come layer. GPS Il sistema di posizionamento globale è un interessante tecnologia per il mondo degli utenti GIS. Prima di poter utilizzare il GPS, i tecnici necessitano di attrezzature particolari per il posizionamento globale in fase di rilevamento. Questa operazione comporta un grosso investimento soprattutto in termini di tempo e di risorse e richiede un alta specializzazione nei metodi di rilevamento di cui la maggior parte dei tecnici non dispone. DBMS I Database Management Systems sono specializzati nell immagazzinamento di qualsiasi tipo di dati (compresi quelli geografici). Anche se non hanno le capacità di analisi e di visualizzazione di un GIS, questi strumenti rappresentano una parte integrante e essenziale di qualsiasi sistema a grande scala ovviamente per la semplicità nel trattamento e nella gestione dei dati.