Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio A.A. 2014-2015 Telerilevamento e GIS Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci Architettura e funzionalità di una piattaforma GIS
Componenti di una piattaforma GIS unità di calcolo (elaboratore elettronico) hardware software acquisizione e restituzione di dati di tipo grafico collegamento in rete di base: sistema operativo, di rete gestione di dati territoriali (sw GIS) gestione di database banche dati modelli, strutture e formati dei dati acquisizione, aggiornamento, elaborazione e restituzione dati procedure applicative gestione archivi modelli di simulazione e rappresentazione interfacce utente componente umana gestori del sistema, informatici, applicativi utenti generici e decisori
Architettura hardware/software di una piattaforma GIS (esempio) Client Applicazione GIS Web Dati Esterni Applicazione GIS Web Dati preesistenti WEB Server Browser Web Browser Web SQL ASCII DOC PDF Browser Web DF DWG TIFF JPG Browser Web Browser Web SHP NTF Applicazione GIS desktop Database SIT Rete LAN Applicazione esterna per modelli Applicativi esterni avanzati di calcolo idraulico GIS Desktop Client 1 Server di calcolo GIS Desktop Client 2 PROCEDURA IMPORT GIS Server GIS Desktop Client 3 Database di supporto + Dati rilevati sul campo Form elettronici di registrazione dati
Diagrammi di deployment Mostrano l'allocazione dei componenti sw nei sistemi informatici utilizzando specifiche notazioni simboliche (UML Unified Modeling Language) Sistema Hardware Sistema Software Componente Sistema Software Componente
GIS Client Desktop Esempio di architettura Operating System (diagramma di deployment) Desktop Gis Application Gis Application «uses» Gis Plugins Web Server GIS Server Operating System Database Server Server SQL Web Gis Application GIS SQL Extensions Web Server Stored Procedure Application Server Gis Extensions Application Web Map Render GIS Analysis System Web Application Operating System
TECNOLOGIE Esempio di diagramma di deployment di una piattaforma desktopgis/webgis
Funzionalità di una piattaforma GIS acquisizione/editing dati geografici da banche dati, da rilievi in campagna, da cartografia generazione dati geografici da rilievi e da immagini satellitari conversione fra strutture di dati (raster-vector) pre-elaborazione georeferenziazione, cambio sistema di riferimento, controllo errori, generalizzazioni e riduzioni connessioni con DBMS relazionali, controllo e priorità accessi gestione banche dati strutturazione DB geografici, estrazione e inserimento dati storia dati e accessi analisi spaziale riclassificazioni e aggregazioni sovrapposizioni e integrazioni (overlay mapping) analisi di rete (percorsi ottimali), aree di rispetto (buffer) analisi raster (classificazione, percorsi minimi,..), analisi DEM (pendenza, esposizione,..) generazione prodotti interfacce interattive a menu ed icone, multifinestre carte tematiche, report statistici, diagrammi, grafici,..
Editing di dati (geo)grafici (1): inserimento, creazione, elaborazione e verifica I supporti informativi disponibili per le applicazioni GIS non sono sempre in formato digitale; ne consegue che è necessario costruire nuovi database geografici o convertire in formato digitale quelli disponibili. Un software GIS fornisce procedure per generare e trasformare formati grafici digitali (raster e vector). Integra le funzioni di editing più comuni e strumenti di verifica che consentono, anche in modalità automatica (a livello DBMS) eliminazione di errori che possono essere generati durante la fase di editing e codifica dei dati (spaziali e non). (1) Dati grafici di interesse sono in genere i dati spaziali, quali mappe cartacee, cartografie numeriche, fotografie aeree, immagini satellitari, listati di misure topografiche puntuali, sequenze di coordinate GPS,.
Errori sui dati Incompletezza dei dati spaziali (mancano punti, linee, ecc.) Errori nella posizione (errori di digitalizzazione, scarsa qualità del dato iniziale,..) Distorsioni dei dati spaziali (cartografia di base a scala non corretta, foto aeree, documenti cartacei,..) Collegamenti errati tra attributi e dati spaziali (assegnazione errata degli identificatori univoci) Attributi errati o incompleti
Operazioni sui dati geografici Trasformazione del sistema di riferimento e conversione di coordinate (1), al fine di ricondurre tutti i dati ad un unico sistema di riferimento geografico. Trasformazione di scala Classificazione e simbolizzazione dei dati GEOREFERENZIAZIONE: insieme di azioni che mirano al corretto posizionamento spaziale degli elementi geografici nel sistema di riferimento cartografico utilizzato. Si distinguono procedure differenti per i tematismi vettoriali (cambio del sistema di riferimento e riproiezione) e per i tematismi raster (scalatura e ricampionamento) (1)
Gestione dei dati (DBMS) Gestione (inserimento, aggiornamento, modifica) dei dati geometrici e degli attributi associati al generico elemento del tematismo (funzionalità proprie di un DBMS - DataBase Management System). In genere, i software dispongono di un proprio modulo interno per la gestione di database e prevedono funzionalità di collegamento con DBMS esterni. In ogni caso un sw GIS deve offrire tools per le seguenti operazioni: creazione di tabelle di dati; modifica dei dati inseriti e visualizzazione sulla mappa operazioni di join tra tabelle acquisizione di dati da database esterni al GIS import/export di tabelle in vari formati (testuale e binario) creazione di grafici sulla base dei valori di uno o più campi
Selezione ed analisi spaziale dei dati Le funzioni di selezione e analisi spaziale dei dati rappresentano gli strumenti principali attraverso i quali un GIS è in grado di generare nuovi livelli informativi individuando o sfruttando le relazioni tra i diversi aspetti della realtà. L operazione di selezione permette di estrarre una o più entità dal data base geografico, di evidenziare il risultato sulla mappa e di memorizzare le entità in una struttura temporanea per eventuali elaborazioni.
Selezione di dati Selezione tramite puntamento L oggetto di interesse viene selezionato sul video con il mouse, dopo avere attivato la specifica funzione di selezione (singolo oggetto); si possono selezionare più oggetti attivando la selezione mediante poligono, cerchio o contorno a mano libera (QGIS). Selezione tramite condizione sugli attributi Si possono selezionare gli oggetti che posseggono determinate proprietà, ponendo una o più condizioni sugli attributi. Selezione tramite condizione spaziale La selezione si basa su proprietà geometriche, topologiche, insiemistiche e geografiche degli oggetti. In ogni caso, il sistema evidenzia sul video gli oggetti selezionati e fornisce la relativa tabella di attributi. La selezione può essere salvata per successive elaborazioni.
Selezione tramite condizione sugli attributi
Selezioni complesse Query: la selezione avviene formulando una serie di condizioni sugli attributi delle entità di un tematismo; è possibile utilizzare operatori di diversa natura (di confronto, logici, matematici, ) anche in combinazione tra loro. Esempio: strade con larghezza <6m e pendenza 6%. Tutti gli elementi che posseggono i requisiti richiesti vengono evidenziati sulla mappa (view) ed anche all'interno della tabella attributi associata, rendendo i dati disponibili per eventuali elaborazioni. QUERY BUILDER Select by expression (QGIS 2.6.0)
QUERY BUILDER
Operatori logici (o booleani) A B A B A B AND (intersezione) NOT (esclusione) OR (inclusione) A AND B A NOT B A OR B sia A che B A ma NON B o A o B, indifferentemente
Analisi dei dati a riferimento spaziale Funzioni di Geostatistica (spatial statistic): elaborazioni ed analisi di dati correlati ad un contesto spaziale. Campi di impiego Predittivo: Interpolazione (determinazione approssimata dei valori di una grandezza a partire da un certo numero di valori noti); Estrapolazione (estensione dei valori di una grandezza al di fuori del dominio in cui sono stati rilevati). Descrittivo: Identificazione di aree geografiche omogenee; Identificazione e analisi di correlazioni spaziali; Aggregazioni in base a caratteristiche spaziali;
Analisi dei dati Analisi di rete (network analysis): data una rete (insieme di elementi lineari interconnessi e strutturati logicamente in modo da costituire un grafo secondo un modello arco-nodo), è possibile svolgere tre tipologie di analisi: - carico di rete (esempio: portate nelle aste di un bacino idrografico soggetto ad eventi piovosi eccezionali); - ottimizzazione dei percorsi (esempio: itinerario migliore per spostarsi da un nodo A ad un nodo N della rete); - allocazione di risorse (esempio: verifica della capacità di una rete stradale di soddisfare la domanda di spostamenti da e per una data struttura).
Analisi dei dati Map algebra: estensione dell'algebra matriciale ai dati raster, si basa su un insieme di operatori che consentono di eseguire complesse analisi spaziali. Prerequisito: le mappe raster su cui si opera devono essere ugualmente georeferenziate ed avere lo stesso numero di righe e di colonne, la stessa scala e uguale risoluzione geometrica, devono cioè essere SOVRAPPONIBILI. Partendo da due o più raster sovrapponibili è possibile produrre un raster in cui il contenuto radiometrico di ogni pixel è funzione dei valori radiometrici dei corrispondenti pixel dei raster di partenza.
Funzioni di geoprocessing Buffering: permette di creare, intorno ad un oggetto geografico puntuale, lineare o poligonale, un area poligonale con i punti del perimetro esterno tutti equidistanti dall'oggetto; intorno ad un punto genererà un cerchio; intorno ad una linea un'area che avrà il perimetro parallelo alla linea stessa; intorno ad un poligono un area compresa tra il poligono stesso e un perimetro esterno parallelo al poligono stesso. E possibile dare una risposta a quesiti del tipo: - quali abitazioni sono coinvolte dalla costruzione di una strada? - qual e' il numero di residenti entro 10 chilometri da un centro commerciale? quali edifici si trovano entro 50 metri dalla condotta del gas? Asse stradale
Funzioni di geoprocessing Incrocio: Incrocio è l operazione che più di ogni altra esalta le caratteristiche dei GIS come strumenti per l'integrazione di dati e la creazione di nuova informazione. La funzione di incrocio opera su due diversi tematismi e ne combina le informazioni creando un nuovo strato informativo. Dato un set di tematismi, l operazione di incrocio può essere effettuata tra il primo e il secondo set; il risultato, a sua volta, potrà incrociato con un altro set e così via; alcuni software permettono di effettuare tale operazione direttamente su un numero di strati maggiore di due. L operazione di incrocio tra elementi vettoriali può essere realizzata in varie forme: unione (union) taglio (clip) intersezione (intersect) dissolvenza (dissolve) collegamento (merge)
GEOPROCESSING UNIONE (UNION) L'operatore sovrappone un tematismo di overlay ad un tematismo dato e produce uno strato informativo che possiede estensione e contenuto di entrambi i tematismi. input theme overlay theme + strade statali output theme = territorio provinciale Strade statali e territorio provinciale
GEOPROCESSING INTERSEZIONE (INTERSECT) L'operatore interseca un tematismo assegnato (input theme) con gli elementi di un altro tematismo (overlay theme). Il risultato è uno strato informativo che contiene gli elementi intersecati. La tabella associata contiene id e attributi delle entità intersecate (input theme) e del poligono di intersezione (overlay theme). input theme + strade statali output theme overlay theme = territorio provinciale strade statali intersecate dal territorio provinciale
GEOPROCESSING TAGLIO (CLIP) L'operatore seleziona, all'interno di un dato tematismo (input theme), gli elementi compresi all'interno di un tematismo di taglio (clip theme) senza alterare gli attributi del tematismo dato. La tabella associata contiene soltanto id e attributi delle entità intersecate (input theme). input theme clip theme + strade statali output theme = territorio provinciale strade statali interne al territorio provinciale
GEOPROCESSING DIFFERENZA (DIFERENCE) L'operatore sottrae al tematismo di input la porzione intersecata dal tematismo di incrocio (difference theme) senza alterare gli attributi del tematismo dato. difference theme input theme + riserva naturale output theme = territorio provinciale Territorio prov. non interessato dalla riserva
GEOPROCESSING DISSOLVENZA (DISSOLVE) Territori comunali L'operatore aggrega gli elementi del tematismo (features) in relazione al valore di un attributo comune. Territori provinciali
Selezione ed analisi dei dati Considerazioni conclusive La tecnologia GIS consente di eseguire non solo semplici ricerche di natura grafica e alfanumerica, ma, soprattutto, sofisticate analisi spaziali (implementazione di modelli, individuazione di tendenze, predisposizione di scenari,.) nell'elaborazione delle quali dimostra tutte le sue potenzialità (generalmente su tematismi in formato GRID). Esempi di applicazioni: selezione/localizzazione in base alle relazioni spaziali ed agli attributi degli oggetti geografici; analisi temporale; modellazione di fenomeni, mediante implementazione di relazioni matematiche tra elementi e attributi; valutazioni di idoneità: rispondenza di soluzioni ad obiettivi prefissati; valutazione di scenari e soluzioni, anche con procedimenti iterativi di modellazione e analisi di idoneità; analisi di reti, ad esempio per la ricerca del percorso ottimo da un'origine ad una destinazione o la ricerca della risorsa più vicina.
Output (mappe e report) Produrre output grafici e testuali di alta qualità per comunicare i risultati delle elaborazioni: cartografie e mappe tematiche; modelli 3D grafici e report alfanumerici (tabelle, documenti standard, ecc.). Il GIS rende la cartografia dinamica, in quanto consente di spostarsi sulla carta, cambiare la scala di visualizzazione, cambiare la simbologia, mostrare allo stesso tempo più strati informativi, aprire i contenuti di repository anche multimediali associati alle features,..
TIPOLOGIE DI UTENTI E PRIVILEGI DI ACCESSO Il valore di una banca dati e la sensibilità dei dati, richiedono la definizione delle tipologie di utenti che possono utilizzare la piattaforma e i rispettivi privilegi di accesso. Un esempio, con riferimento all'uso di una piattaforma Desktop GIS: SIT-USER: utente con privilegi limitati di consultazione e limiti di accesso, anche a voci di menù, al quale è consentito effettuare alcune interrogazioni direttamente nell ambiente SIT nonché estrarre e stampare tematismi; OPERATOR: utente con privilegi di inserimento/modifica e consultazione all interno dell ambiente SIT; SYSMAN: amministratore del sistema con privilegi di gestione dell intero sistema; l amministratore del sistema, oltre all inserimento, la modifica e la consultazione, ha la facoltà di definire e modificare la struttura della base dati, di definire e modificare l ambiente di lavoro degli operatori, di definire e modificare le password di accesso, nonché l'assegnazione dei privilegi di accesso agli utenti.
UTENTI FUNZIONALITA'/CASI D USO SIT-USER OPERATOR SYSMAN Editing Importazione mappe e dati INTERFACCIA DESKTOP Login Interrogazioni Gestione progetti e layer Navigazione mappa Stampa di mappe Esportazione di mappe e dati Generazione di report statistici e riassuntivi predefiniti INTERFACCIA DBMS Gestione banca dati Gestione utenti
FUNZIONALITA' E CASI D'USO Esempi di schematizzazioni progettuali
Gestione progetti e layer: casi d'uso Interfaccia Desktop Gestione progetti e layer «extends» OPERATOR «extends» SIT- USER «include» «include» Gestione progetti Gestione layer APPLICATIVO DESKTOP Crea progetto Creazione layer vettoriale Apri progetto Aggiungi layer vettoriale esistente SYSMAN «include» Apri progetti recenti Aggiungi layer «include» raster esistente Salva progetti Elimina layer Imposta proprietà progetto Gestione gruppi layer Salva progetto con nome Visualizza layer Modifica Proprietà layer
FUNZIONALITA' E CASI D'USO Interfaccia Desktop Funzionalità Interfaccia Desktop Interfaccia Desktop Editing «extends» SYSMAN Importazioni mappe e dati OPERATOR Login Interrogazioni «extends» Generare report statistici e riassuntivi Gestione progetti e layer Viste altrimetriche SIT- USER Navigazione mappa Stampa di mappe Esportazione di mappe e dati APPLICATIVO DESKTOP
Navigazione mappa: casi d'uso Interfaccia Desktop «extends» Navigazione mappa OPERATOR «extends» SIT- USER APPLICATIVO DESKTOP Zoom alla massima estensione Zoom su layer Zoom in zoom su selezione Zoom out SYSMAN Misura aree Ricarica mappa «include» Vista precedente Pan Misura distanze Navigazione panoramica Gestione segnalibri «include» Mostra segnalibri «include» Aggiungi segnalibro
Interrogazioni: casi d'uso Interfaccia Desktop «extends» «include» OPERATOR SIT- USER Interrogazioni su mappa Interrogazioni «include» «include» «extends» Interrogazioni predefinite SYSMAN «include» Interrogazioni per attributo Operazioni topologiche APPLICATIVO DESKTOP
Stampa di mappe: casi d'uso Interfaccia Desktop «extends» Stampa di mappe OPERATOR «extends» SIT- USER Individuazione area da stampare Composizione del layout di stampa Stampa in scala SYSMAN Stampa su formati prescelti APPLICATIVO DESKTOP «include»