Tecnologie dell Informazione e della Comunicazione per la Protezione Civile Sistemi Informativi Territoriali Gianpaolo Cugola Dip. di Elettronica e Informazione http://www.elet.polimi.it/people/cugola Sommario Dai sistemi informativi ai sistemi informativi territoriali: Analogie e differenze Rappresentare l informazione georeferenziata Sistemi di coordinate e problematiche relative alla creazione di mappe Modelli di dati georeferenziati Rappresentazione raster e vettoriale L inserimento dei dati La digitalizzazione e altri processi La manipolazione dei dati Le possibilità offerte dall analisi spaziale dei dati G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 2 Informazione georeferenziata Definiamo informazione georeferenziata ogni informazione che possa essere messa in relazione con una porzione o una posizione di territorio La distribuzione degli abitanti sul territorio La portata di un fiume in ogni punto L ubicazione delle farmacie in una città... Si ritiene che circa il 70% dell informazione trattata da un sistema informativo sia, di fatto, informazione georeferenziata Sistemi Informativi Territoriali Si definisce Sistema Informativo Territoriale - SIT (Geographic Information System - GIS) un sistema preposto all'acquisizione, archiviazione, gestione, trasformazione, analisi e visualizzazione di dati georeferenziati Altre definizioni: Burrough, 1986: a powerful set of tools for collecting, storing, retrieving at will, transforming and displaying spatial data from the real world Cowen, 1988: a decision support system involving the integration of spatially referenced data in a problem solving environment Aronoff, 1989: any manual or computer based set of procedures used to store and manipulate geographically referenced data G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 3 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 4 1
S.I. vs S.I.T. Il costo del complesso di attività per la formazione delle banche dati è preponderante rispetto ai costi di gestione, sia per l'impiego di personale specializzato sia per il costo delle strumentazioni di rilevamento e di prima elaborazione dei dati grezzi rilevati L'informazione territoriale presenta una dualità strutturale tra georeferenziazione e contenuto; entrambi gli aspetti possono richiedere metodi di rilievo e misura complessi, che occorre documentare in modo esauriente (metadati) per permettere nel tempo la corretta interpretazione ed elaborazione del dato territoriale Poiché i dati provengono da operazioni di misura, più o meno sofisticate, è palese che non si tratta di dati esatti, (come può essere il Nome e Cognome di una persona che si chiama esattamente così), ma è insito nel dato territoriale il concetto di grado di precisione, ovvero di qualità. Nei SIT il dato, la posizione territoriale del dato (georeferenziazione) e la documentazione sul processo di acquisizione del dato (metadati), costituiscono un unico insieme che definisce l'informazione territoriale stessa Il dato a sua volta è di tipo complesso in quanto può comprendere una componente grafica, geometrica e topologica, oltre agli usuali attributi alfanumerici trattati nei sistemi informativi di tipo tradizionale Gli elementi di un SIT 1. La base dati 2. I record 3. Gli attributi 4. L informazione geografica 5. Uno strumento per analizzare le informazioni (un calcolatore) G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 5 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 6 La base dati di un SIT La base dati di un SIT conserva dati, le relazioni tra questi dati, e le informazioni spaziali associate a tali dati (es. latitudine e longitudine oppure zona di superficie associata a un certo dato) I dati gestiti da un SIT sono generalmente associati a unità di misura SIT = Dati + Riferimenti spaziali Il SIT incrocia i dati contenuti nella base dati con i dati spaziali e le mappe permettendo ricerche e analisi basate su informazioni posizionali Record G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 7 Campi G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 8 2
Cartografia e SIT Una mappa è la rappresentazione di tutto o parte del territorio terrestre o di altri fenomeni geografici attraverso l uso di immagini e simboli a una certa scala La cartografia è la scienza che tratta i meccanismi e gli strumenti alla base della costruzione e dell uso di mappe Il concetto di scala Frazione rappresentativa Scala 1:25000 Scala verbale 1 cm = 250 m Scala grafica Un SIT memorizza i suoi dati con riferimenti assoluti (non in scala, es. latitudine e longitudine) in maniera da poter generare mappe a qualsiasi scala desiderata G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 9 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 10 Scala e livello di dettaglio Cartografia tradizionale Cartografia digitale I modelli della superfice terrestre Sfera Rappresentazione semplicistica Ellissoide Rappresentazione mediamente realistica e di facile gestione Geoide Figura che rappresenta al megli le variazioni gravitazionali in ogni punto (altezza media e integrata ) della superfice terrestre Di complessa gestione A A B B A = B A > B G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 11 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 12 3
I modelli della superfice terrestre Sistemi di coordinate: Sistema cartesiano Altitudine Topografia Asse Y 7 Asse Y 2 7 Livello del mare Geoide Ellissoide Sfera (7,4) Asse X 4 (2,2) b (7,4) Asse X a 4 2 Distanza(a, b)= ((X2-X1) 2 +(Y2-Y1) 2 ) G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 13 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 14 Sistemi di coordinate: Latitudine e longitudine Proiezioni Per creare una mappa dobbiamo proiettare la superfice terrestre tridimensionale su una superfice piana (bidimensionale) o su una superfice che possa essere resa piana per taglio (es. un cilindro o un cono) Proprietà delle proiezioni Una proiezione si dice conforme se preserva le forme Una proiezione si dice equivalente se preserva le aree Nessuna proiezione della superfice terrestre può essere contemporaneamente conforme ed equivalente Di norma si hanno dei compromessi che non sono nè conformi nè equivalenti Per confrontare o sovrapporre due mappe in un SIT queste devono adottare la medesima proiezione G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 15 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 16 4
International Date Line Prime Meridian Arctic Circle Tropic of Cancer Equator Tropic of Capricorn Antarctic Circle Diversi proiezioni Proiezioni cilindriche Meridiani e paralleli risultano retti e si intersecano a 90 Rispettano l area I meridiani risultano equispaziati i paralalleli no Distorsioni di forma e scala via via che ci si allontana dall equatore Prime Meridian International Date Line G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 17 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 18 Proiezioni coniche e azimutali Tropic of Capricorn Tropic of Cancer Arcti c Circle Equator Tropic of Capricorn Tropic of Capricorn International Date Line Tropic of Cancer Arctic Circle Prime Meridian Equator Modelli dei dati I dati mantenuti in un SIT soddisfano un certo modello Analogo ai modelli dei dati dei DBMS tradizionali Due modelli principali: Raster Vettoriale Di norma un SIT adotta uno dei due modelli come modello nativo ma permette di inserire e manipolare informazioni secondo entrambi i modelli G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 19 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 20 5
Modelli dei dati spaziali: modello raster Utile per rappresentare una grandezza distribuita nello spazio senza soluzioni di continuità Formato: matrice di r x c celle (pixel), solitamente quadrate, di lato l (risoluzione spaziale) Georeferenziazione di un solo vertice per cella Informazione: valore (media, mediana, prevalenza) proprio di ciascuna cella Topologia: adiacenza tra pixel Realtà Punto Colonna Riga Griglia G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 21 Raster Area Linea Valori = 0 = 1 = 2 = 3 Modelli dei dati spaziali: modello vettoriale Utili per rappresentare mediante punti, linee o poligoni informazioni discrete Formato: coppia di coordinate (punti), elenco di punti (linee), o elenco di linee (poligoni) Informazione: forma e posizione nello spazio Esempi Punti: piccoli oggetti*, alberi, piloni... Linee: strade, fiumi... Poligoni: perimetro bagnato di un lago, confini amministrativi... Topologia: distanza, direzione, relazioni di adiacenza e di prossimità (X,Y) (X2,Y2) Poligono (X5,Y5) Punto (X3,Y3) (X,Y) (X,Y) (X4,Y4) (X4,Y4) Linea (X5,Y5) (X2,Y2) (X3,Y3) G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 22 Il caso ArcView Modello ibrido: file per la memorizzazione delle entità geografiche + db relazionale per i dati relativi alle varie entità geografiche Adotta un modello vettoriale per le entità geografiche Supporta entità geografiche 2d e 3d Main file (*.shp) Index file (*.shx) a b c d dbase table (*.dbf) G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 23 L inserimento dei dati Inserire i dati in un SIT significa estrarre, a partire da mappe, i dati geografici significativi per lo specifico problema e inserirli nella base dati del SIT in formato digitale Processo analogo deve essere fatto per i dati aspaziali (es. densità di popolazione per area) che bisogna poi georeferenziare Il processo che popola con tali informazioni la base di dati territoriali è molto costoso Impiega circa il 75% dei costi e dello sforzo nell operatività di un SIT Per la parte di dati più prettamente geografici si adottano tecnologie diverse Digitalizzazione manuale (adatta a dati vettoriali) Scansione digitale (adatta per dati raster) Rilievo diretto sul campo Telerilevamento Per i dati aspaziali associati alle entità geografiche si adottano di norma campagne di censimento o ci si avvale di tecniche di campionamento G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 24 6
Digitalizzazione manuale Si catturano gli elementi significativi di una mappa usando il mouse o, più spesso, una apposita tavoletta grafica Il risultato è una successione di punti, linee e poligoni secondo il modello vettoriale A tali elementi si associano poi i dati aspaziali associati alle diverse entità Scansione digitale Si utilizza uno scanner per ottenere un file raster a partire da una mappa cartacea La risoluzione dello scanner impiegato è un parametro fondamentale I file generati sono spesso molto grandi e richiedono successive rielaborazioni per essere proficuamente utilizzati G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 25 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 26 Rilievo diretto sul campo Si usano strumenti diversi, dal GPS agli strumenti di rilievo topografico, per collezionare i dati direttamente sul campo Si ottiene un elenco di posizioni assolute con i relativi dati aspaziali associati a tali posizioni Telerilevamento Si utilizzano foto aeree o digitali Di norma già in formato digitale La mole di dati può essere enorme Un satellite può produrre degine di gigabyte di dati l ora G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 27 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 28 7
Editing e razionalizzazione Tutte le tecniche di inserimento dati viste necessitano di norma di una fase di editing Per rimuovere errori Es. poligoni non chiusi, linee non terminate, file raster con il livello di dettaglio errato Per razionalizzare e uniformare i dati In funzione degli specifici obiettivi del SIT L analisi dei dati spaziali Uno dei principali obiettivi di un SIT è permettere sofisticate analisi di dati georeferenziati che permettano di risolvere problemi di vario tipo Tipico esempio lo studio di Snow del 1854 che portò all individuazione della fonte d acqua infettata dal colera che imperava in città Più in generale un SIT permette di ricercare dati georeferenziati e analizzarli (mettendo in relazione informazioni diverse) G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 29 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 30 Funzionalità di analisi Reperimento dei dati Manipolazione di mappe Buffering Sovrapposizioni (overlay) Misure Reperimento dei dati Browsing (pan, zoom in & out) Ricerca Di dati aspaziali (query sql like) Di dati spaziali Basata su prossimità, adiacenza o semplice copertura Appartenenza a una determinata classe Dist. di ricerca Raggio di ricerca copertura con una linea Adiacenza G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 31 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 32 8
Manipolazione di mappe Rotazioni, cambi di scala, distorsioni, cambio di proiezione Calcolo del centroide di aree Conversioni raster vector Generazione di contorni (da mappe raster) Riclassificazione delle aree Classificazione: L importanza delle classi Numero di classi Criterio di classificazione G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 33 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 34 Buffering Estrazione di informazioni riguardanti una zona che circonda un determinato elemento spaziale Utile per analisi di prossimità Sovrapposizione E possibile sovrapporre informazioni diverse per ottenere nuove mappe Analogo al join di un DBMS tradizionale E possibile usare operatori diversi and, or, max, min,... G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 35 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 36 9
Misure Somma di punti all interno di un area Calcolo di distanze o aree Calcolo di relazioni di prossimità, adiacenza, connettività Calcolo di intersezione/unione di aree/disgiunzione 6 4.5 7.5 5 1 2 3 4 5 6 G. Cugola - Tecnologie dell'informazione e della comunicazione per la protezione civile 37 10