GeographicGeographicInformationInformationSystemSystem

GGIISS

Cos’e un GIS

Informazioni spaziali

èIl mondo in cui viviamo ha una dimensione spaziale e temporale; Decisioni che prendiamo hanno un riferimento spaziale;è80% dei dati ha un riferimento spaziale

èGI e GIS;

èDefinizione di GIS;

èDati e database

GI e GIS (1)èGI = Geographic Information:

è Informazioni riguardo a luoghi sulla superficie terrestre;

èConoscenza di dove si trova qualcosa;èConoscenza di cosa si trova in un

determinato posto;è Può essere molto dettagliata:èPosizione di tutti gli edifici di una città;

è Può essere molto imprecisa:èClima di una regione molto vasta.

GI e GIS (2)èGI = Geographic Information:

è Può essere relativamente statica:èelementi naturali e di origine umana non

cambiano rapidamente;èsolo informazioni statiche possono essere

rappresentate su di una mappa cartacea.

è Può essere molto voluminosa:èUn terabyte (1012 bytes) di dati viene inviato in

un giorno da un satellite;èGigabytes (109 bytes) di dati sono necessari

per descrivere le rete stradale USA.

GI e GIS (3)

èGI Tecnolgies:è Sono tecnologie per la raccolta e la

gestione della Geographic Information:è Possono essere di tre tipi:èGPS;èRemote Sensing;èGIS.

GI e GIS (4)èGPS = Global Positioning System:

è Costellazione di satelliti orbitanti attorno alla terra che trasmettono un segnale relativo alla loro posizione;

è Un minimo di quattro satelliti possono fornire le coordinate di un punto sulla superficie della terra tramite appositi ricevitori (anche palmari).

èRemote Sensing:è Uso di satelliti orbitanti attorno alla terra per

raccogliere informazioni riguardanti l’atmosfera e la superficie terrestri;

è I segnali vengono trasmessi alle stazioni riceventi a terra dove vengono trasformati in immagini digitali.

Definizioni di GIS

w Un insieme di procedure utilizzate per archiviare e modificare dati geograficamente georeferenziati - ARONOFF

w Un potente insieme di strumenti per raccogliere, archiviare, reperire, trasformare e visualizzare dati spaziali dal mondo reale. BURROUGH

w Un sistema di supporto alle decisioni che integra dati spazialmentereferenziati in un ambiente problem-solving. COWEN

w Una tecnologia informatica che salva, analizza e visualizza dati spaziali e non. PARKER

w Una banca dati nella quale la maggior parte dei dati sono spazialmenteindicizzati e sulla quale operano una serie di procedure che rispondono ad interrogazioni sulle entità spaziali contenute nella banca dati stessa. (SMITH)

w Un’estensione del pensiero analitico di ognuno. Uno strumento per pensare. EASTMAN

Definizione operativa di GIS

Un sistema informativo geografico è una serie di strumenti hardware e software che assistono nell’applicazione di

metodologie per la gestione e la manipolazione dei dati digitalispaziali (geografici) e dei relativi attributi.

.. .. . Una definizione concettuale. Una definizione concettuale

Mondo Mondo realereale

Mondo Mondo realereale

AstrazioneAstrazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

Mondo realeMondo reale

RappresentazioneRappresentazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

AstrazioneAstrazione

ConversioneConversione

Modello Modello digitaledigitale

Mondo realeMondo reale

RappresentazioneRappresentazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

AstrazioneAstrazione

PresentazionePresentazione

ConversioneConversione

Modello Modello digitaledigitale

Mondo realeMondo reale

RappresentazioneRappresentazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

AstrazioneAstrazione

AnalisiAnalisiPresentazionePresentazione

ConversioneConversione

Modello Modello digitaledigitale

Mondo realeMondo reale

RappresentazioneRappresentazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

AstrazioneAstrazione

AzioneAzione

AnalisiAnalisiPresentazionePresentazione

ConversioneConversione

Modello Modello digitaledigitale

Mondo realeMondo reale

RappresentazioneRappresentazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

AstrazioneAstrazione

AzioneAzione

AnalisiAnalisiPresentazionePresentazione

ConversioneConversione

Modello Modello digitaledigitale

Mondo realeMondo reale

RappresentazioneRappresentazione

Mappe Mappe cartaceecartacee

AstrazioneAstrazione

.. .. . Una definizione operativa. Una definizione operativa

Il dato geografico

Chris Buhi 1757 Millbrook Ln 28226 Y 2Christian Carlson 1761 Millbrook Ln 28226 Y 1Chris McGuire 1765 Millbrook Ln 28226 Y 2Dale Loberger 1776 Millbrook Ln 28226 N 6Donna Buccini 1780 Millbrook Ln 28226 Y 2Doug Ruppel 1537 Sandberry Dr 28226 Y 1Gary Waters 1541 Sandberry Dr 28226 Y 3Holly Williams 1200 Yamasee Dr 28210 Y 4Jim Wojcik 980 Harrowfield Rd 28226 N 1Jo-Ann Brown 1812 Millbrook Ln 28226 N 2Joe Rubisch 1090 Overhill Dr 28112 Y 4Larry Young 1108 Kings Canyon Dr 28226 Y 3Lee Ross 1605 Bosham Ln 28226 Y 2Marcia Austin 1429 Quail Wood Dr 28226 Y 2Mary Jo Fraley 1432 Quail Wood Dr 28226 Y 1Mike Dyer 1430 Quail Wood Dr 28226 Y 3Mike Rhoades 1332 Cameron Forest Dr 28173 Y 3Mike Sweeney 1327 Red Hickory Ln 28173 Y 2Paul Gallimore 1429 Buckeye Ct 28173 Y 2

Il dato di attributo

L’informazione geografica

Christian Carlson1761 Millbrook LnY1

Jo-Ann Bro1812 MillbrY2

Chris McGuire1765 Millbrook LnY

Donna Buccini1780 Millbrook LnY2

N6

MillbrookLane

.anca

ster

.anca

ster

POLIGONOPOLIGONO

PUNTIPUNTI

NODINODITESTOTESTO

LINEELINEE

Rappresentazioni spaziali

MillbrookLane

Database (1)

èDati devono essere raccolti in modo che il sistema li possa gestire e poi inseriti nel sistema informativo;èUn database geografico fornisce la

funzionalità di banca dati di un GIS;èUn database di immagini non fornisce

dati sulla relazione esistente sulla struttura delle relazioni interne degli elementi rappresentati.

Database (2)

èGeneralmente in un GIS i dati assumono la seguente suddivisione:èElementi grafici (Punti, Archi, Aree);è Immagini (aeree, da satellite, da scanner);èDati tabulari (associati agli elementi

precedenti).

DatiSalvati in un computer come bits (serie di 0 e 1) e in bytes (serie di 8 bits). Ogni byte rappresenta un carattere (codice ASCII);Dati spaziali sono tradizionalmente divisi in due grandi classi: raster e vector;Sono possibili passaggi da formato raster a formato vector (vettorializzazione);Sono possibili passaggi da formato vector a formato raster (rasterizzazione);Primi pacchetti GIS erano specializzati nella gestione di uno dei due formati.

DATIGEOGRAFICI

possono provenire da svariate fonti e la loro produzione è legata all’utilizzo di strumenti tecnici di vario genere.scannerizzazionedigitalizzazioneinput da tastiera e mouse telerilevamentofotografia aerea

DATI ATTRIBUTO

possono provenire da svariate fonti (censimenti, anagrafe, campagne di rilevamento, indagini di settore, ricerche, archivi di vario genere, ecc.). Si tratta in prevalenza di datinumerici e alfanumericimemorizzati sotto forma di tabelle ma possono essere anche documenti complessi che prevedono l’integrazione di immagini e suoni.

RAPPRESENTAZIONE GRAFICA

DEGLI ELEMENTI GEOGRAFICI

CARTOGRAFIA NUMERICA

MONDO REALE

RASTER VECTOR

MODELLI GEOMETRICI SPAZIALI

Vector

èUn vettore è un segmento lineare finito definito dai suoi punti di inizio e di fine.

èLa posizione dei punti di inizio e fine è data rispettivamente a un sistema di coordinate del piano o spazio a più numerose dimensioni.

èDati Vector sono uno strumento di rappresentazione appropriato per una gran varietà di dati spaziali. Quindi, un punto è dato semplicemente dalle sue coordinate (LatLong, X, Y, ecc.).

èUn arco è definito come una sequenza di segmenti composti da linee diritte, ognuna rappresentata da un vettore, e un’area è definita in termini dei suoi confini (o contorni), rappresentati da un insieme di vettori.

PUNTO: entità definita da una coppia di coordinate

NODO: entità situata all’intersezione di due linee

ANNOTATION: elemento grafico e stringa di testo descrittiva posizionata sulla mappa

Rappresentazioni geografiche

POLIGONO: area chiusa formata da una o piu’linee (eg. parcelle, tipi di suolo, confini politici, aree urbanizzate, ..)

LINEA: entità definita connettendo una serie di coordinate o attraverso una descrizione geometrica (es. fiumi, mezzerie strade, rilievi catastali, acquedotti, gasdotti,..)

Rappresentazioni geografiche

Rappresentazioni Geografiche

Point Line Polygon Node Anno

Rappresentazionigeografiche

Point Line Polygon Node

Vector

Anno

Ciascuna di queste rappresentazioni puo’essere raggruppata nella categoria di dati VETTORIALI

Queste entità sono inoltre collegate a tabelle di attributi definite dall’utente

Rappresentazionigeografiche

Point Line Polygon Node

PointAttribute

Table

LineAttribute

Table

PolygonAttribute

Table

NodeAttribute

Table

Vector

Anno

TextAttribute

Table

Relazioni fra tabelle

2641

2642

273212

37

41

24

33

107

125

432 433

434

435

478

477

438

480

AREA PERIM PARCEL# PARCEL-ID PIN-8654365 96432.5 1 0 065567.54 75343.2 2 2641 53627443576.22 46512.9 3 2642 541280 46533.71 50264.2 4 2643 539291

PIN OWNER ADDRESS536274 Christian Carlson 1761 Mi541280 Chris Mguire 1765 Mi539291 Dale Loberger 1767 Mi

w Mantiene una rappresentazione geografica

accurata delle entità cartografate

w Gestisce punti, linee, poligoni e nodi come

entità discrete

w Consente la combinazione di tematismi senza

perdere l’accuratezza di rappresentazione

PerchèPerchè VectorVector??

RasterèDati raster sono strutturati come una griglia di celle (o

pixels). èOgni cella in un raster è caratterizzata dalla sua posizione

nella griglia (numero di riga e di colonna);èIl formato raster consente di rappresentare un grande

ammontare di oggetti spaziali computabili. Un punto può essere rappresentato da una singola cella, un arco da una sequenza di celle vicine e un’area (connessa) da un’insieme di celle contigue;

èI computer gestiscono ‘naturalmente’ dati salvati sotto forma di griglie (righe e colonne), ma spesso la gestione di tali dati (se non compressi) può essere pesante (un’area omogenea è composta da celle contenti tutte lo stesso valore.

Rappresentazioni discrete Rappresentazioni discrete rasterraster

CELLECELLE

DATO VETTORIALE DI ORIGINEDATO VETTORIALE DI ORIGINE

Value Count Pavement Cost0 1751 29 Y 125

Rappresentazioni discrete Rappresentazioni discrete rasterraster

CELLECELLE

PUNTI DI CAMPIONAMENTOPUNTI DI CAMPIONAMENTOORIGINALEORIGINALE

Rappresentazioni continue Rappresentazioni continue rasterraster

NESSUNA TABELLA ASSOCIATA CONDATI RASTER CONTINUI

Rappresentazioni continue Rappresentazioni continue rasterraster

CELLE: rappresentazione di dati geografici basata su matrici di righe e colonne (es. dati di superfici continue quali altitudine, temperatura, concentrazione oppure dati tematici)

PIXEL: un singolo elemento di una griglia o raster

Rappresentazioni geografiche

Rappresentazionigeografiche

Point Line Polygon Node Cell Pixel

PointAttribute

Table

LineAttribute

Table

PolygonAttribute

Table

NodeAttribute

Table

Vector

Anno

TextAttribute

Table

Rappresentazionigeografiche

Point Line Polygon Node Cell Pixel

PointAttribute

Table

LineAttribute

Table

PolygonAttribute

Table

NodeAttribute

Table

Vector

Anno

TextAttribute

Table

Una struttura regolare di righe e colonne forma un dato RASTER

Raster

Attributi sono associabili solo a raggruppamenti categoriali di celle

Rappresentazionigeografiche

Point Line Polygon Node Cell Pixel

Raster

PointAttribute

Table

LineAttribute

Table

PolygonAttribute

Table

NodeAttribute

Table

Vector

Continuo Discreto

ValueAttribute

Table

Anno

TextAttribute

Table

w Consente di visualizzare immaginiw Permette rapide combinazioni di layers

(Map algebra)w Adatto all’analisi di dati continui o

nell’interazione di dati discreti con superfici continue (esempi: modelli idrologici, Analisi di vicinanza, superfici di frizione)

PerchèPerchè Raster?Raster?

Esempi:

w Vector w Raster

.

Aree

Segmenti

Punti

RASTER matrice di pixel

VECTORpunti e linee

digitalizzazionelettura di coordinate da fileconversione da dati rasterrisultato di elaborazioni GIS

scannerizzazionetelerilevamento e aerofotoconversione da dati vectorrisultato di elaborazioni GIS

ELEMENTI GEOGRAFICI DI TIPO LINEARE

strade, corsi d’acqua, linee elettriche, ecc.

raster vector

ELEMENTI GEOGRAFICI DI TIPO PUNTUALE

pozzi, edifici, oggetti di arredo urbano, ecc.

raster vector

ELEMENTI GEOGRAFICI DI TIPO POLIGONALE

bacini acquei, particelle catastali, edifici, ecc.

raster vector

LA RAPPRESENTAZIONE DEL TERRITORIO: LA CARTOGRAFIA

La cartografia è la disciplina che, utilizzando strumenti e tecniche propri del disegno e delle geometria, è in grado di rappresentare in forma visibile gli elementi reali appartenenti a porzioni più o meno estese del territorio

RAPPRESENTAZIONE

Una carta geografica (mappa) non riproduce fedelmente le caratteristiche degli oggetti del mondo reale, ma ne riporta una rappresentazione

ridotta (scala)

simbolica (segni)

approssimata (proiezione)

SCALA

Indica il fattore di riduzione della rappresentazione cartografica rispetto alla realtà rappresentata, ed è definita dal rapporto fra una distanza misurata tra due punti sulla carta e la corrispondente distanza misurata sul terreno.

Grande scala 1:10001:10000…….

1:100000Piccola scala 1:1000000

MAPPE o PIANTEscala maggiore di 1:10000

1 cm = 5000 cm (50 m)

molto dettagliate e precise

piccole porzioni di territorio, con edifici, alberature, toponomastica della

viabilità, …

carte tecniche, catastali

CARTE TOPOGRAFICHEscala compresa tra 1:10000 e 1:100000

1 cm = 10000 cm (100 m)

1 cm = 100000 cm (1 km)

dettagliate e precise

porzioni abbastanza contenute del territorio con rilievi, idrografia, centri

abitati, orografia, ...

tavolette IGMI

CARTE COROGRAFICHEscala compresa tra 1:50000 e 1:1000000

1 cm = 1000000 cm (10 km)

abbastanza dettagliate

porzioni rilevanti del territorio (intere regioni o nazioni) con buona ricchezza

di particolari

carte stradali

CARTE GEOGRAFICHEscala minore di 1:1000000

1 cm = 5000000 cm (50 km)

poco dettagliate

tutta la superficie terrestre o parti molto estese (continenti o gruppi di nazioni) e

minor ricchezza di particolari

planisferi

SEGNI

Sono i simboli grafici ed i colori che vengono utilizzati per rappresentare gli oggetti reali (alberature, monumenti, strade, fiumi, boschi, ...) in cartografia. La simbologia utilizzata varia a seconda del tipo di oggetti che si vogliono rappresentare e della scala prescelta per la rappresentazione.

PROIEZIONI

Le mappe vengono disegnate su un piano per rappresentare porzioni della superficie del globo terrestre che, nella realtà, sono curve. Le superfici piane hanno solo due dimensioni mentre le posizioni su una superficie curva hanno bisogno di tre dimensioni per essere definite.Per esprimere uno spazio tridimensionale attraverso una rappresentazione bidimensionale, si deve introdurre il concetto di proiezione, ovvero uno strumento che consenta di associare in maniera biunivoca la localizzazione di un punto della superficie terrestre ad un punto sulla superficie piana della mappa.

SISTEMI DI RIFERIMENTO

Coordinate geografiche

longitudine - latitudine

SISTEMI DI RIFERIMENTO

Coordinate cartesiane

x - y

PROIEZIONE DELLA MAPPA(MAP PROJECTION)

E’ la trasformazione, basata su formule matematiche, che consente la conversione delle coordinate dal sistema di riferimento geografico a quello piano.

PROPRIETA’ DELLE PROIEZIONI

Forma - Area - Distanza - DirezioneQualsiasi rappresentazione planare della superficie terrestre produce distorsioni nella forma, nell’area, nelle distanze o nella direzione degli oggetti rappresentati. Una proiezione è in grado di preservare al massimo la correttezza di una sola delle proprietà a discapito delle altre Ogni proiezione ha caratteristiche proprie ed è più adatta ad essere utilizzata per certi tipi di rappresentazione e applicazioneDiversi tipi di proiezione producono distorsioni differenti

Piano di proiezione

superficie terrestre

superficie della mappa

TIPI DI PROIEZIONI

In base alle proprietà di di forma, area, distanza e direzione, si distinguono altrettanti tipi di proiezione:

Conforme (conformal) mantiene inalterata la forma

Equivalente (equal area) mantiene inalterata l’area

Equidistante (equidistant) mantiene inalterate le distanze

Azimutale (true direction) mantiene inalterata la direzione individuata dalla linea più breve che congiunge due punti

TIPI DI PROIEZIONI

Data la planarità delle mappe, le proiezioni sono normalmente effettuate su forme geometriche le cui superfici possono essere sviluppate completamente su un piano senza distorsioni. Il primo passo nel processo di proiezione da una superficie ad un’altra è quello di creare uno o più punti (o linee) di contatto (punti di tangenza). Questi punti o linee hanno distorsione nulla e nel caso di linee, vengono definite linee standard o a scala reale. Distinguiamo tra:

PROIEZIONI CONICHE

PROIEZIONI CILINDRICHE

PROIEZIONI PLANARI

La topologia è un procedimento matematico utilizzato per definire esplicitamenteproprietà spaziali di singoli elementi e relazioni essi, in modo tale da poter cogliereulteriori importanti informazioni.

In ARC/INFO vengono definiti tre modelli topologici:

• ARCO-NODO connettività• POLIGONO-ARCO definizione di area• SINISTRA-DESTRA contiguità

relazioni spaziali proprietà spaziali

ogni arco inizia e termina con un nodo lunghezza e direzione dell'arco

gli archi sono connessi ad altri architramite un nodo

connessione tra archi

archi connessi perimetrano un poligono perimetro e area del poligono

ciascun arco ha un poligono alla suadestra ed uno alla sua sinistra

adiacenza o contiguità

TOPOLOGIA

Relazioni e proprietà spaziali degli elementi del formato vettoriale topologico

Questo tipo di organizzazione dei dati geografici consente di mettere in relazione i datispaziali con i dati attributo.

• dati spaziali dove si trovano gli elementi;

• dati attributo cosa sono gli elementi;

• dati topologici dove e come gli elementi sono in relazione con altri.

Categorie di elementi Elemento Forma di rappresentazione

PUNTO singola coordinata x,y

PUNTUALINODO singola coordinata x,y che

indentifica l'intersezione di archi

LINEARIARCO insieme di coordinate x,y unite

da tratti lineari

ROUTE-SYSTEM serie di archi che identificanopercorsi

AREALI POLIGONO archi che si uniscono a formareuna poligonale chiusa

TESTO ANNOTAZIONE testi descrittivi associati adelementi spaziali

IL FORMATO VETTORIALE TOPOLOGICO

Elementi del formato vettoriale-topologico(modello dati ARC/INFO)

TOPOLOGIA ARCO-NODOper gli archi sono definite le proprietàdirezione - lunghezza - connessione

Un arco inizia e termina con un nodo

Due archi sono connessi se condividono un nodo

OVERLAY TOPOLOGICO

determina un nuovo livello come combinazione spaziale di altri livelli

OVERLAY TOPOLOGICO

unione

identità

intersezione

INTEGRAZIONE TRA DATI SPAZIALI E DATI ATTRIBUTO

Modelli digitali del terreno

Digital Terrain Model (DTM)Modelli spaziali

• E’ una rappresentazione digitale di una porzione della superficieterrestre e spesso una delle costituenti fondamentali nei processi di analisi e visualizzazione dell’informazione geografica digitale.

• Assiste nella modellazione, nell’analisi e nella visualizzazione deifenomeni legati alla superficie topografica o a superfici simili

• Prevede un unico valore (z) su x e y (considerando rari picchi o scogliere sporgenti). Estensioni a complete funzionalità 3d vengonofornite da software specifici.

Digital Terrain Model (DTM)

Modelli spaziali

Creazione di un DTMcampionamento di dati di altitudine• mediante rilievi in campo (per piccole aree)• mediante interpretazione stereoscopica (manuale od automatica) di

foto aeree o immagini da da satellite (SPOT, IKONOS)• mediante punti quotati o isolinee digitalizzati da mappe

Costruzione del modellomediante:Rete triangolare irregolare - TIN (triangular irregular network)

composta da elementi triangolari con i vertici nei punti di campionamento delle altezze

• risparmia spazio di archiviazione sugli hard disk• riflette adeguatamente la densità dei punti di campionamento• difficile da gestire

Creazione di un TIN

Modelli spaziali

Digital Terrain Model (DTM)

Modelli spaziali

DTM raster (o LATTICE)• campionamento di dati di altitudine come un TIN• struttura raster: matrice bidimensionale di altitudini• necessita di molto spazio disco (punti regolarmente spaziati)• facile da gestire, permette l’applicazione di potenti algoritmi di calcolo

per la derivazione di nuova informazione (geo-)morfologica

interpretazione di un DTM

Modelli spaziali

analisi ed estrazione di informazione da un DTM mediante:

• semplice visualizzazione - viste 3d della superficie sovrapposte damappe di attributi

• analisi quantitativa del modello digitale del terreno producendo altremappe correlate:

• slope-pendenza (inclinazione in una cella)• aspect-esposizione (direzione della pendenza in una cella)• ombreggiatura• drenaggio potenziale• allagamento potenziale• …………

interpretazione di un DTM

Modelli spaziali

DTM

Slope

Hillshade

Aspect

JDJD--UC97 MISC#2UC97 MISC#2--JRJR 77