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G.I.S. Sistemi Informativi Geografici Introduzione e note preliminari
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G.I.S. Sistemi Informativi Geografici
Introduzione e note preliminari
S I S T E M I I N F O R M A T I V I G E O G R A F I C I
Introduzione e note preliminari
Renzo Carlucci – A&C2000 s.r.l Viale Castello della Magliana, 38 • 00148 Roma
Tel. 06655931 • Fax 0665593261
SommarioDefinizioni Generali_____________________________________________2
Geographic information _______________________________________2
Digital geographic information _________________________________3
Geographic information technologies ____________________________3 Global Positioning System (GPS)_______________________________3 Remote sensing _____________________________________________4 Geographic information system ‚ GIS ___________________________4
Cosa significa GIS?___________________________________________4 Dove è usato il GIS? _________________________________________7
Scienza dell’Informazione Geografica _____________________________10
I problemi della Scienza dell’Informazione Geografica ____________11
Le discipline della GIScience __________________________________13
Introduzione ai GIS ____________________________________________15
I livelli di mappa ____________________________________________17
Database per i GIS __________________________________________18 GIS come rappresentazione della realtà _________________________18 Tipi principali di rappresentazione: Realtà Raster e Vettoriale _______19
La visione raster _________________________________________19 La visione vettoriale ______________________________________19 confronto grafico di sistemi raster e vettoriali __________________20
Organizzare gli attributi dei dati _______________________________21 File semplici e fogli elettronici ______________________________23 Files gerarchici __________________________________________23 Files relazionali__________________________________________24 Comparazione tra file semplici, gerarchici e relazionali __________25
Rappresentazione delle relazioni ______________________________26 Esempio di relazioni topologiche ______________________________27 Database Object-oriented ____________________________________29 Sistemi esperti_____________________________________________31
Analisi dei dati GIS__________________________________________32
Appendice ____________________________________________________35
I Database di interesse generale________________________________35
I N T R O D U Z I O N E
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G.I.S. Sistemi Informativi Geografici Geographic Information Systems
n Sistema Informativo Geografico è un sistema informatico (hardware e software) disegnato per la memorizzazione e il processamento di dati geografici nelle modalità grafica e analitica. Generalmente viene utilizzato da tutti coloro che hanno bisogno di
visualizzare sul territorio qualsiasi tipo di informazione. GIS are simultaneously the telescope, the microscope, the computer, and the xerox machine of regional analysis and synthesis of spatial data. (Abler, 1988)
A system for capturing, storing, checking, integrating, manipulating, analyzing and displaying data which are spatially referenced to the Earth. (Chorley, 1987)
An integrated package for the input, storage, analysis, and output of spatial information... analysis being the most significant. (Gaile and Willmott, 1989)
U
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Definizioni Generali
Geographic information (Informazione geografica)
È informazione sui luoghi nella superficie Terrestre:
q Conoscenza su dove qualcosa si trova
q Conoscenza su cosa c’è in una data locazione
Può essere molto dettagliata, per esempio:
q Informazioni sulla localizzazione di tutti gli edifici in una città.
q Informazioni su singoli alberi in una foresta
Può essere molto estesa, per esempio:
q Clima di una intera nazione
q Densità di popolazione di un intera regione
Negli esempi precedenti è la risoluzione geografica che varia.
Le informazioni geografiche sono spesso relativamente statiche, infatti le caratteristiche naturali e molte caratteristiche di origine umana non cambiano rapidamente. Solo le informazioni statiche possono essere rappresentate su una mappa cartacea statica.
Possono essere molto voluminose:
q Un terabyte di dati è spedito normalmente da un singolo satellite un una giornata
q Gigabytes di dati sono necessari per descrivere il solo network stradale italiano.
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Digital geographic information (Informazione geografica digitale)
q Informazione geografica espressa in forma digitale
q Codificata in un alfabeto che usa solo due caratteri (0 or 1), chiamati bits
q I dati sono rappresentati come una sequenza di bits
Una volta che le informazioni sono digitalizzate esse somigliano a qualsiasi altro pacchetto di bits che rappresenta altri dati.
q Molti tipi di informazioni possono essere trattati con le stesse tecnologie.
q Un disco digitale può memorizzare parole, numeri, mappe, suoni.
q Internet può trasmettere ogni tipo di informazione digitale
Geographic information technologies (Tecnologie per l’Informazione Geografica)
Sono le tecnologie per collezionare e lavorare le informazioni geografiche.
Ce ne sono di tre tipi principali:
Global Positioning System (GPS) q Un sistema di satelliti orbitanti attorno alla Terra che trasmetto segnali
temporizzati ad altissima precisione.
q Un sistema similare è stato sviluppato dalla Federazione Russa ed è chiamato GLONASS (global navigation satellite system)
q I segnali sono ricevuti da un particolare ricevitore elettronico
q Le versioni più piccole sono contenute in una mano e spesso ancora meno.
q Fornisce direttamente misure di posizione sulla superficie terrestre.
q Le coordinate sono espresse in latitudine/longitudine o altri sistemi standard
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Remote sensing (Telerilevamento)
Uso dei satelliti in orbita intorno alla Terra per catturare informazioni sulla superficie terrestre e sulla sua atmosfera.
q I satelliti variano in funzione del dettaglio che può essere rilevato e della parte dell’emissione elettromagnetica a cui sono sensibili..
q I segnali sono trasmessi a stazioni riceventi Terrestri dove vengono trasformati per la diffusione come immagini digitali.
Geographic information system ‚ GIS (Sistemi Informativi Geografici)
q Un sistema per l’introduzione, l’archiviazione, la manipolazione e la stampa di informazioni geografiche.
q Una classe di software
q Una pratica sessione di un GIS combina software con hardware, dati, un utente, etc., per risolvere un problema, supportare una decisione, fornire aiuto a un progetto
Cosa significa GIS?
GIS sta per "geographic information system"
È un tipo speciale di Sistema Informativo.
I sistemi informativi sono utilizzati per manipolare, sintetizzare, interrogare, editare e visualizzare generalmente lavorando con informazioni memorizzate su Basi di dati computerizzate.
Una applicazione comune è il sistema informativo usato dalle compagnie aeree e agenzie di viaggio per effettuare reservations, check in dei passeggeri, etc.
Usa informazioni speciali su cosa c’è dove sulla superficie terrestre.
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Ci sono molti tipi di informazioni usate nei computer
o numeri:
• i computer possono sommare, moltiplicare, dividere, ...
o testo:
• i computer sono usati come word processors per creare, editare, inviare e ricevere testo
o immagini:
• i computer sono usati come image processors
o liste, tabelle
• in fogli elettronici
o suoni
• in sintetizzatori musicali
o mappe ed immagini della superficie Terrestre
• nei GIS
Come si riconosce un “GIS” ?
Il GIS è una applicazione reale, incluso l’hardware, I dati, il software e le persone necessarie per risolvere un problema (una applicazione GIS)
Il GIS è un tipo di software venduto dai produttori di software (come Microsoft Word)
L’hardware del GIS hardware è uguale a quello ogni altro computer, con alcuni componenti extra.
Le mappe occupano molti bits, necessitano di stampanti di grandi dimensioni e di plotter per disegni accurati, necessitano particolarmente di periferiche grandi per l’acquisizione quali scanner o digitizers
Ma non tutti I GIS necessitano di queste particolari periferiche, quello che conta è il tipo di informazione memorizzato:
o informazione su cosa c’è dove
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inoltre un GIS include gli strumenti per utilizzare queste informazioni, funzioni speciali che lavorano su informazioni geografiche per:
o visualizzare sullo schermo
o editare, cambiare, trasformare
o misurare distanze e aree
o combinare mappe della stessa zona insieme
o funzioni semplici, ma altre possono essere più sofisticate:
o mantenere archivi di cosa c’è dove
o gestire proprietà ed infrastrutture
o giudicare sulla sostenibilità di un’area per differenti obiettivi
o aiutare gli utenti nel prendere decisioni sui luoghi, per progettare
o fare predizioni sul futuro
queste funzioni sofisticate richiedono comunque molta esperienza dell’operatore.
Ad ulteriore chiarimento bisogna inoltre notare che:
o Le funzioni che un GIS può realizzare sono parte del suo software.
o Un GIS è un tipo di software
o L’utente combina il software con i suoi dati e realizza varie funzioni.
o Questo tipo di software è stato probabilmente fornito da una software house specializzata in GIS
o Il prezzo di tale software può andare dalle 100.000 a più di 100.000.000 di lire
o Ci sono molti produttori di software GIS, alcuni debitamente specializzati, altri che invece realizzano sistemi GIS e molti altri prodotti in altri mercati.
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Dove è usato il GIS?
q Società di infrastrutture (Utilities companies):
o gas, telefono, elettricità, acqua, TV via cavo, etc.
o una singola società può avere centinaia di migliaia di clienti
o ognuno con una connessione alla rete
o con migliaia di chilometri di cavi, tubi sotterranei, etc.
o con trasformatori, interruttori, poli, etc.
o che rappresentano miliardi di investimento nelle infrastrutture installate
una società di infrastrutture riceve migliaia di chiamate di manutenzione al giorno e quindi ha necessità di:
o tenere traccia di tutte queste attività
o mantenere accurate informazioni di cosa c’è dove
o mantenere registrazioni aggiornate
o effettuare l’assegnazione giornaliera del lavoro ad equipaggi
o fornire informazioni ad altri
o come ad esempio un’altra società che desideri effettuare una scavo per sapere ad esempio cosa evitare di fare.
q Trasporti (Transportation)
Un dipartimento statale dei trasporti ha necessità di:
o Memorizzare informazioni sullo stato della pavimentazione stradale dappertutto sul network autostradale.
o Mantenere un inventario di tutti i segnali stradali
o Analizzare dati sugli incidenti
Un rivenditore in viaggio necessita di: o Un sistema in auto per trovare indirizzi, strade
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Una compagnia di spedizioni, come UPS, necessita di:
o Tenere traccia delle spedizioni, conoscere dove sono
o Pianificare efficienti percorsi stradali
Gli studi e le pianificazioni mostrano un sostanziale risparmio quando i percorsi e le scadenze sono maneggiate con un GIS.
q Agricoltura (Farmers)
o Uso crescente di mappe dettagliate ed immagini delle piantagioni
o Analizzare il raccolto
o Pianificare una efficiente applicazione di fertilizzanti
Queste tecniche sono conosciute negli USA come “precision agriculture”
q Foreste (Forestry)
o Necessità di tenere traccia di quale legno cresce dove
o Necessità di piantare alberi in adeguate zone
o Provvedere alle necessità attuali di legno mantenendo riserve e risorse forestali per il futuro
o Necessità di gestire le foreste per molti scopi, incluso lo spazio ricreativo
Molte sono le definizioni di GIS. Nel campo delle definizioni sotto riportate (in lingua inglese) differenti enfasi sono date ai vari aspetti del GIS Una definizione riportata in William Huxhold's Introduction to Urban Geographic Information Systems. (New York: Oxford University Press, 1991), page 27, da GIS/LIS '88 proceedings: ". . . The purpose of a traditional GIS is first and foremost spatial analysis. Therefore, capabilities may have limited data capture and cartographic output. Capabilities of analyses typically support decision making for specific projects and/or limited geographic areas. The map data-base characteristics (accuracy, continuity, completeness, etc) are typically appropriate for small-scale map output. Vector and raster data interfaces may be available. However, topology is usually the sole underlying data structure for spatial analyses."
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La definizione di C. Dana Tomlin, da Geographic Information Systems and Cartographic Modeling (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall,1990), pag xi: "A geographic information system is a facility for preparing, presenting, and interpreting facts that pertain to the surface of the earth. This is a broad definition . . . a considerably narrower definition, however, is more often employed. In common parlance, a geographic information system or GIS is a configuration of computer hardware and software specifically designed for the acquisition, maintenance, and use of cartographic data."
Da Jeffrey Star e John Estes, in Geographic Information Systems: An Introduction (Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1990), pag 2-3: "A geographic information system (GIS) is an information system that is designed to work with data referenced by spatial or geographic coordinates. In other words, a GIS is both a database system with specific capabilities for spatially-reference data, as well [as] a set of operations for working with data . . . In a sense, a GIS may be thought of as a higher-order map."
E da Understanding GIS: The ARC/INFO Method (Redlands, CA: Environmental System Research Institute, 1990), pag 1.2: A GIS is "an organized collection of computer hardware, software, geographic data, and personnel designed to efficiently capture, store, update, manipulate, analyze, and display all forms of geographically referenced information."
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Scienza dell’Informazione Geografica (Geographic Information Science)
Cosa significa fare GIS?
Potrebbe significare utilizzare gli strumenti dei Sistemi Informativi Geografici per risolvere un problema.
Un progetto GIS potrebbe avere le seguenti fasi:
o Definire il problema
o Acquisire il software (e l’hardware?)
o Acquisire i dati
o Inizializzare il database
o Realizzare le analisi
o Interpretare e presentare i risultati
Oppure potrebbe significare di aiutare a costruire gli strumenti:
o Aggiungendo alle attuali tecnologie dell’informazione geografica
o Aiutando ad inventare o svilupparne di nuove
o O potrebbe significare di studiare le teoria ed i concetti che risiedono dietro i GIS e le altre tecnologie dell’informazione geografica
o perciò GIS = Scienza dell’Informazione Geografica (Geographic Information Sciente)
o un modo differente di decodificare l’acronimo 'GIS'
Forer e Unwin (1997) aggiunsero un’altra variante
o un terzo modo di decodificare 'GIS' = Studi dell’Informazione Geografica (Geographic Information Studies)
o sono studi sul contesto societario dell’informazione geografica
o il contesto legale
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o economia dell’informazione geografica
La Scienza dell’informazione geografica è la scienza che sta dietro la tecnologia, che considera le questioni fondamentale emerse nell’uso dei sistemi e delle tecnologie, che mantiene le tecnologie usate al vertice. E’ un campo multidisciplinare dove contribuiscono per esempio la cartografia, la geodesia, la fotogrammetria, etc., ove oggi dovremmo considerare l’estensione di aree quali la psicologia cognitiva, la statistica spaziale, …
Il termine 'geomatics' (molto usato in Europa e Canada) e 'geoinformatics' (più usato negli USA) hanno significati similari.
Qual’è la differenza tra 'spaziale (spatial)' or 'geografico (geographic)'?
q 'geographic' ha a che vedere con la Terra
o è superficie bidimensionale
o è atmosfera, oceani, sottosuolo, tridimensionale
q 'spatial' ha a che fare con qualsiasi struttura multidimensionale
o immagini mediche referenziate al corpo umano
o progetti di ingegneria referenziati con oggetti meccanici
o disegni di architettura referenziati ad edifici
'geographic' è un sottoinsieme di 'spatial' ma spesso i termini sono usati indifferentemente.
I problemi della Scienza dell’Informazione Geografica
q Problemi di rappresentazione
o La superficie della Terra è estremamente complessa
• Decisioni devono essere prese sul come acquisirla e rappresentarla su un sistema digitale
• Su come e dove campionare
• Su che formato dei dati utilizzare
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o Quali criteri possono essere utilizzati per scegliere una rappresentazione?
• Precisione della rappresentazione
• Precisione delle previsioni, decisioni basate sulla rappresentazione
• Minimizzare il volume dei dati
• Massimizzare la velocità di calcolo
• Compatibilità con altri progetti, utenti, software
• Compatibilità con come la gente attualmente pensa il mondo
q Come stabilire una rappresentazione
o Come misurare la sua accuratezza
o Come misurare le carenze, le incertezze
o Come esprimere questi in termini comprensibili dall’utente
• Come descriverli nella documentazione
• Come visualizzarli
• Come simulare il loro impatto
q Questioni sulla relazione tra rappresentazione ed utenti
o Come pensa la gente, in maniera diversa dalle macchine, il mondo?
o Come possono essere le rappresentazioni più vicine al modo comune di pensare?
o Come ragiona la gente con l’apprendimento e la comunicazione nel mondo geografico?
o Come possono essere più comprensibili gli output dei GIS
• per certi tipi di utenti, come i bambini
• oppure sotto certe situazioni particolari
q Questioni sui modelli di dati e strutture
o Come memorizzare efficientemente una data rappresentazione
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o Come reperire informazioni rapidamente tramite un appropriata indicizzazione
o Come avere interoperabilità tra i sistemi
q Questioni riguardanti la visualizzazione dei dati geografici
o Come i metodi di visualizzazione intervengono sulla interpretazione dei dati geografici?
o Come può la scienza della Cartografia essere estesa per trarre vantaggio dalla forza dell’ambiente digitale?
o Quali proprietà di visualizzazione basilari determinano il suo successo?
q Questioni riguardanti gli strumenti analitici
o Qual’è la natura dell’intuizione spaziale umana e come può essere aumentata dagli strumenti GIS?
o Quali metodi di analisi sono necessari per supportare specifici tipi di decisioni da prendere con i GIS?
o Come possono essere presentati I metodi di analisi cosi ché l’utente può effettivamente decidere tra di loro?
Le discipline della GIScience
Sono le discipline che tradizionalmente hanno effettuato ricerche nelle tecnologie dell’informazione geografica:
o Cartografia, la scienza (e l’arte) della realizzazione di mappe
o Telerilevamento (remote sensing), la scienza dell’osservazione della Terra dallo spazio
o Geodesia, la scienza della misura accurata della Terra
o Topografia (surveying), la scienza della misura accurata delle caratteristiche naturali o realizzate dall’uomo sulla Terra
o Fotogrammetria, la scienza della misura da immagini fotografiche
o Trattamento di immagini (image processing), la scienza della gestione ed analisi dei dati da immagini digitali
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Le discipline che tradizionalmente hanno esplorato le tecniche digitali ed informatiche in genere:
o Informatica (computer science), in particolare.
o Basi di dati (databases)
o Geometria computazionale (computational geometry)
o Trattamento di immagine (image processing, pattern recognition)
o Scienza dell’informazione
Le discipline che tradizionalmente hanno avuto per oggetto lo studio della Terra, la sua superficie e i suoi dintorni, sia sotto l’aspetto fisico che umano
o geologia
o geofisica
o oceanografia
o agricoltura
o biologia, in particolare ecologia, biogeografia
o scienze ambientali
o geografia
o sociologia
o scienze politiche
o antropologia
o e molte altre
queste scienze sono tutte potenziali utenti dei GIS
Le discipline che hanno tradizionalmente studiato la natura della comprensione umana e la sua interazione con le macchine
o psicologia, in particolare psicologia cognitiva, psicologia ambientale
o scienze cognitive
o intelligenza artificiale
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Introduzione ai GIS GIS è uno special-purpose database digitale in cui un univoco sistema di coordinate spaziale è il principale mezzo di riferimento. La esaustiva comprensione dei GIS richiede conoscenze di:
1. Input di dati da mappe, foto aeree, immagini da satelliti, rilievi topografici, …
2. Archiviazione elettronica di dati, richieste e ritrovamento 3. Trasformazione dei Dati, analisi e modellazione, incluso statistica
spaziale 4. Presentazione dei Dati, come mappe, reports e piante
• Tre osservazioni devono essere fatte:
Primo, i GIS sono relazionati ad altre applicazioni di database, ma con una importante differenza. Tutte le informazioni in un GIS sono collegate a un riferimento spaziale. Altri database possono contenere informazioni di localizzazione (come indirizzi o codici postali), ma un database GIS usa la geo-referenziazione come mezzo primario di memorizzazione ed accesso alle informazioni. Secondo, il GIS integra tecnologia. Laddove altre tecnologie possono essere utilizzate solo per analizzare foto aeree e immagini satellitari, per creare modelli statistici, o per disegnare mappe, queste capacità sono offerte tutte insieme all’interno di un GIS. Terzo, il GIS, con il suo gruppo di funzioni, dovrebbe essere visto più come un processo che solo meramente come software o hardware. I GIS sono fatti per prendere decisioni. Il modo in cui i dati sono introdotti, memorizzati ed analizzati all’interno di un GIS, devono rispecchiare il modo in cui le informazioni saranno utilizzate per una specifica ricerca o un supporto alle decisioni. Vedere i GIS solo come software o hardware è perdere il ruolo cruciale che può giocare in un esaustivo sistema di supporto decisionale.
Un tipico sistema GIS incorpora parecchi differenti Databases ed è capace di processare i dati sia in modalità raster che vettoriale. E’ questa possibilità di combinare o dividere in differenti livelli (layer) i dati spaziali o planimetrici (generalmente in formato vettoriale) che da ai GIS potenza e versatilità. Ad esempio un Gis può essere capace di combinare dati geografici ottenuti da mappe convenzionali con dati derivati da telerilevamento satellitare. Il risultato è la combinazione della accuratezza della mappa aggiornata dalla situazione del suolo ottenuta dalla “scena” satellitare. La sovrapposizione ulteriore di dati Catastali può fornire informazioni anche sulla proprietà e sullo stato legale. Il termine LIS (Land Information System) è spesso utilizzato in ambito catastale e urbanistico mentre GIS è più diretto alla funzione geografica di uso e copertura del suolo.
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SIT (Sistema Informativo Territoriale) è un ulteriore termine utilizzato in Italia quale traduzione di LIS. L’uso di cosi tanti acronimi, sinonimi e termini relazionati può causare qualche confusione. Di seguito si riportano alcuni dei termini largamente usati a livello internazionale
• AGIS (Automated Geographic Information System)
• AM/FM (Automated Mapping and Facilities Management): Automated mapping by itself allows storage and manipulation of map information. AM/FM systems add the ability to link stores of information about the features mapped. However, AM/FM is not used for spatial analysis, and it lacks the topological data structures of GIS.
• CAD (Computer-Assisted Drafting): These systems were designed for drafting and design. They handle spatial data as graphics rather than as information. While they can produce high-quality maps, generally they are less able to perform complex spatial analyses.
• CAM (Computer-Assisted Mapping, or Manufacturing)
• Computerized GIS
• Environmental Information System
• GIS (Geographic Information System)
• Geographically Referenced Information System
• Geo-Information System
• Image-Based Information System
• LIS (Land Information System)
• Land Management System
• Land Record System
• Land Resources Information System
• Multipurpose Cadastre: These systems store information about parcels of land. They are used in urban geographic information systems in order to collect and maintain data associated with property. Identifiers assigned to each parcel link information to each plot of land. All information is carefully stored with a geodetic reference frame because
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a high degree of accuracy is necessary in maintaining information about parcel boundaries and ownership. Because information in multipurpose cadastres is also linked to street addresses, these systems can be used for keeping track of such things as emergency response, crime, delivery of municipal services, and tax assessments. All such information can then be integrated and analyzed together.
• Multipurpose Geographic Data System
• Multipurpose Land Record System
• Natural Resources Inventory System
• Natural Resources Management Information System
• Planning Information System
• Resource Information System
• Spatial Data Handling System
• Spatial Database
• Spatial Information System
I livelli di mappa
I vari livelli di mappa nei GIS possono essere sia in rappresentazione raster che vettoriale.
Idrografia, uso del suolo, strade, densità di popolazione, altimetria sono livelli comuni di mappa.
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Una volta che i vari livelli sono digitalizzati, le differenze di scala sono risolte, tutti i dati sono geocodificati nello stesso sistema di riferimento, varie mappe possono essere realizzate sovrapponendo i livelli in qualsiasi combinazione si desideri.
Nota
Layer e Features sono i sinonimi inglesi più usati per definire i livelli di mappa nei software applicativi..
Database per i GIS GIS come rappresentazione della realtà Da alcune parti si propone che forse sarebbe meglio usare l’acronimo gIs piuttosto che GIS per i sistemi informativi geografici. Questi infatti sono realmente sistemi INFORMATIVI geografici. E’ l’informazione che contengono che veramente li valorizza. Il database è importante anche perché la sua realizzazione spesso occupa I tre quarti del tempo e delle risorse devolute nello sviluppo di un sistema informativi geografico. E’ importante tuttavia vedere come questi database GIS sono più che semplici memorizzatori di informazioni. Il database è usato per estrarre specifiche informazioni sulla realtà ed organizzarle in maniera efficiente. Il database dovrebbe essere visto come una rappresentazione o modello del mondo sviluppato per una specifica applicazione. Una delle ragioni per cui esistono così tanti sistemi software e hardware usati per i GIS è perché ogni sistema permette agli utenti di rappresentare e modellare certi tipi di informazioni.
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Tipi principali di rappresentazione: Realtà Raster e Vettoriale Una delle distinzioni principali tra i GIS è il modo in cui i luoghi sono rappresentati in un database, sia in posizione raster che vettoriale.
L A V I S I O N E R A S T E R
Un sistema raster visualizza, localizza e memorizza dati grafici utilizzando una matrice o griglia di celle. Un unico sistema di coordinate rappresenta ogni pixel o all’angolo o al centroide. In cambio ogni cella o pixel ha dadi discreti associati con sé. La risoluzione dei dati raster dipende dalla dimensione del pixel o della cella della griglia e può variare da dimensioni sub-metriche a molti chilometri. Poiché questi dati sono bidimensionali i GIS memorizzano molte informazioni come copertura delle foreste, tipo di terreno, uso del suolo, habitat paludosi o altri dati in differenti layers. I layers sono caratteristiche (features) della mappa funzionalmente relazionati. Generalmente i dati raster richiedono minore processamento dei dati vettoriali, ma consumano molta più memoria di massa. I sistemi di telerilevamento scanner dei satelliti memorizzano i dati in formati raster.
Il GIS raster referenzia i fenomeni su una matrice di celle costruite da una griglia regolare. La cella della griglia è l’unità minima di risoluzione e può variare da pochi centimetri a migliaia di chilometri.
L A V I S I O N E V E T T O R I A LE
Un sistema vettoriale visualizza i dati grafici come punti, linee o curve, o aree con attributi. Le coordinate Cartesiane (cioè x e y) e gli algoritmi di calcolo delle coordinate definiscono i punti in un sistema vettoriale. Linee ed archi sono una serie di punti ordinati. Aree o poligoni sono anch’essi memorizzati
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come liste ordinate di punti, ma con la coincidenza del punto iniziale e quello finale nello stesso nodo si ottiene un’area chiusa e definita. I sistemi vettoriali sono capaci di risoluzione molto alta (anche nell’ordine dei decimi di mm) e l’output grafico è molto simile alle mappe disegnate a mano. Questo tipo di sistema lavora bene con azimut, distanze e punti, ma richiede complesse strutture di dati ed è meno compatibile con dati da telerilevamento. I dati vettoriali richiedono meno memoria di massa e riescono più facilmente a mantenere le relazioni topologiche.
Il GIS vettoriale costruisce un modello del mondo da punti, linee e regioni. I punti sono posizionati in accordo con il sistema di riferimento utilizzato, latitudine-longitudine, UTM, …L’applicazione determina il livello di precisione
C O N F R O N T O G R A F I C O D I S I S T E M I R A S T E R E V E T T O R I A L I
E’ importante sottolineare che ogni dato del mondo reale può essere rappresentata sia in forma vettoriale che raster, la scelta è dell’utente.
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Ognuno di questi sistemi di rappresentazione ha i suoi vantaggi e svantaggi:
Metodo Vantaggi Svantaggi
Raster
• Semplice struttura dei dati
• Compatibilità con dati telerilevati o acquisiti da scanner
• Semplici procedure di analisi spaziale
• Richiede grandi quantità di memoria di massa
• Dipendentemente dalla dimensione del pixel l’output grafico può essere meno gradevole
• Le trasformazioni proiettive sono molto difficili
• Maggiore difficoltà nel rappresentare relazioni topologiche
Vettoriale
• Richiede meno memoria di massa
• Le relazioni topologiche sono prontamente mantenute
• L’output grafico è più simile alle mappe disegnate a mano
• Struttura dei dati più complessa
• Meno compatibilità rispetto ai dati telerilevati
• Software e hardware spesso meno costosi
• Alcune procedure di analisi spaziali possono essere più difficili
• La sovrapposizione di molte mappe vettoriali spesso richiede molto tempo
Va inoltre sottolineato che i dati modellati in un sistema possono essere convertiti in un altro. Cioè i dati raster possono essere vettorizzati e viceversa. Molti sistemi consentono la sovrapposizione di dati vettoriali su raster e viceversa. Organizzare gli attributi dei dati I GIS usano le rappresentazioni raster e vettoriali per descrivere i luoghi, memorizzare informazioni sui fenomeni reali localizzati e gli attributi di questi fenomeni. In altre parole il GIS deve provvedere a realizzare dei collegamenti tra i dati spaziali e i dati non-spaziali. Sono questi collegamenti che fanno il GIS “intelligente” in modo tale che l’utente può memorizzare ed esaminare informazioni su dove qualcosa si trova e cosa è. La relazione può essere esposta come un collegamento tra:
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• Locazione <<< >>> Cosa c’è li • Dati Spaziali <<< >>> Dati Non-Spaziali • Caratteristiche Geografiche <<< >>> Attributi
A livello più astratto, questa è una relazione tra:
• Un simbolo di locazione <<< >>> Il suo significato
In un sistema raster, questo simbolo è la locazione di una cella della griglia di una matrice. In un sistema vettoriale, il simbolo di locazione può essere un punto mono-dimensionale, una linea bi-dimensionale, curva, contorno, o vettore, o un’area tri-dimensionale, una regione o un poligono. Il link tra il simbolo e il suo significato è stabilito dando ad ogni caratteristica geografica almeno un solo mezzo di identificazione, un nome o un numero normalmente chiamato ID. Conseguentemente gli attributi non-spaziali sono memorizzati, generalmente in uno o più files separati, identificati da questo ID. In altre parole, l’informazione di localizzazione è collegata a specifiche informazioni in un database.
E’ importante evidenziare che questi dati non-spaziali possono essere archiviati in files in differenti forme dipendenti da come devono essere usati e utilizzati. Forse il metodo più semplice è un foglio elettronico o un generico file ascii piatto ove ogni caratteristica geografica è relazionata ad una riga di dati.
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F I L E S E M P L I C I E F O G L I E L E T T R O N I C I
Un file ASCII semplice o una tabella di foglio elettronico è un mezzo semplice per memorizzare i dati.
Tutti i record in questo file hanno lo stesso numero di “campi”. I Record hanno dati differenti in ogni campo con uno dei campi utilizzato come chiave di ricerca per localizzare un record particolare. Per esempio il Codice Fiscale può essere la chiave di ricerca (in quanto univoco) del nome, indirizzo, numero di telefono, sesso, cittadinanza, luogo di nascita e così via. Per una persona, o un lotto di terreno, possono esistere centinaia di campi associati nel record. Quando il numero di tali campi diventa grande un semplice file sequenziale da risposte lente nella ricerca. Sebbene questo tipo di database sia di semplice struttura l’espansione nel numero dei campi comporta una completa riprogrammazione. Inoltre, l’aggiunta di nuovi records richiede tempo, particolarmente quando ci sono numerosi campi. Altri metodi offrono più flessibilità e risposta migliore ai GIS.
F I L E S G E R A R C H I C I
I Files Gerarchici memorizzano i dati in più tipi di records differenti. Questo metodo è normalmente descritto come relazione “padre-figlio, uno-a-molti”. Un campo è la chiave a tutti gli altri records, ma i dati in un record possono non essere ripetuti in un altro. I records sono collegati l’un l’altro da un campo chiave in una gerarchia di files. Ogni record, eccetto il master record, ha un livello più alto di record file collegato da un campo chiave “puntatore”. In altre parole, un record può condurre ad un altro e così via in schema relativo ascendente. Un vantaggio è che quando le relazioni sono ben definite e le richieste seguono una routine standard ne risulta una vera struttura efficiente. Il database è adattato al suo uso e necessità. L’accesso a differenti record è prontamente disponibile, o facile da negare ad un utente non autorizzato. Uno degli svantaggi è che bisogna accedere al master record con il campo chiave determinante per collegarsi di seguito agli altri records.
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F I L E S R E L A Z I O N A L I
I file relazionali collegano differenti file o tabelle senza usare puntatori interni o chiavi. Un collegamento di dati comune viene utilizzato per collegare o associare records. Il collegamento non è gerarchico. Una “matrice di tabelle” viene utilizzata per memorizzare le informazioni. Avendo le tabelle un collegamento comune esse possono essere combinate dall’utente per formare nuove richieste o output di dati. Questo è il più flessibile di sistemi ed è particolarmente adattabile a SQL (Structure Query Language). Le richieste non sono limitate dalla gerarchia dei files, invece sono basate su relazioni tra un tipo di record ad un altro stabilite dall’utente. A causa della sua flessibilità questo sistema è il più utilizzato nei GIS.
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C O M P A R A Z I O N E T R A F I LE S E M P L I C I , G E R A R C H IC I E
R E L A Z I O N A L I
Struttura Vantaggi Svantaggi
File Sequenziale
• Semplice recupero dei dati
• Semplice struttura e facilità di programmazione
• Difficoltà di processare valori multipli di un item
• L’aggiunta di nuove categorie di dati richiede riprogrammazione
• Lento recupero di dati in assenza di chiave
Files Gerarchici
• Aggiungere e cancellare record è facile
• Veloce recupero dei dati attraverso livelli più alti
• Associazioni multiple come records in file differenti
• La traiettoria del puntatore restringe l’accesso
• Ogni associazione richiede dati ripetitivi in altri record
• I puntatori richiedono grandi quantità di memoria
Files Relazionali
• Facile accesso e minima preparazione tecnica richiesta agli utenti
• Flessibilità per adeguamento di
• Le nuove relazioni possono richiedere considerabile processamento
• L’accesso sequenziale è
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richieste non previste • Facile modifica o
aggiunta di nuove relazioni, dati o record
• La locazione fisica dei dati può cambiare senza influire sulla relazione tra i record
lento • Il metodo di
memorizzazione sul disco impatta sul tempo di processamento
• Facilità di commettere errori logici dovuti alla flessibilità delle relazioni tra i records
Esempi di utilizzo dei differenti sistemi possono essere: Ambienti e Enti di Ricerca - i file semplici sono usati per la facilità di organizzazione. Amministrazioni ed Enti Governativi – i sistemi gerarchici sono particolarmente adatti. Pianificazione e sviluppo – i sistemi relazioni possono essere giustificati per la flessibilità. Rappresentazione delle relazioni I GIS hanno la possibilità di registrare più della semplice locazione e informazioni sugli attributi. In alcune situazioni, potremmo avere necessità di esaminare relazioni spaziali basate sulla locazione, come pure relazioni logiche e funzionali tra i livelli geografici. Relazioni spaziali
• Locazione relativa e assoluta • Distanza tra le features • Vicinanza delle features • Features nei “confini” di altre features • Direzione e movimento da un post ad un altro • Relazioni booleane di "and," "or," "inside," "outside," "intersecting,"
"non-intersecting," etc.
Relazioni funzionali tra Features Geografiche e loro attributi. Riguarda essenzialmente come le features sono connesse ed interagiscono i termini reali. Una rete stradale può essere classificata funzionalmente dalla autostrada più importante fino alla più isolata strada rurale o vicolo urbano basato sul ruolo attribuito dal sistema dei trasporti. Le strade minori e le strade suburbane “alimentano” le strade più importanti, ma non sono direttamente connesse ad esse. Un altro esempio può essere nell’accertamento di habitats selvaggi, dove le condizioni ambientali interagiscono insieme nel definire le condizioni ottimali per la vita di certe specie.
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Nelle città, la proprietà è una classificazione funzionale di grande importanza come l’uso del suolo e la classificazione a zone. Relazioni logiche tra Features Geografiche e loro attributi. Le relazioni logiche involgono condizioni del tipo "if-then" e "and-or" che devono sussistere tra le features memorizzate nella serie dei dati. Per esempio non è possibile costruire all’interne della fascia di protezione di 300 m dai corsi d’acqua. Il Database può essere disegnato per rappresentare, modellare e archiviare informazioni su relazioni di questo tipo come necessita in particolari applicazioni. Esempio di relazioni topologiche La Topologia è una delle relazioni più utili contenute in molti database spaziali. E’ definita come la matematica della connessione o adiacenza di punti o linee che determinato relazioni spaziali in un GIS. La struttura topologica dei dati determina esattamente come e dove punti e linee si connettono in una mappa attraverso dei nodi (giunzione topologica). L’ordine della connettibilità definisce la forma di un arco o poligono. Il computer memorizza queste informazioni in varie tabelle della struttura del database. Memorizzare informazioni in un ordine logico e relazionale dimenticando informazioni, ad esempio un segmento di un poligono, è subito visibile. Un GIS manipola, analizza, e usa i dati topologici nella determinazione delle relazioni tra i dati. L’analisi di rete usa la modellazione topologica per determinare i percorsi più brevi e le strade alternative. Per esempio, un GIS per l’emissione di messaggistica di servizio di emergenza, può utilizzare modelli topologici per verificare rapidamente strade alternative per mezzi di emergenza. Gli automobilisti pendolari attuano un simile piano mentale quando pensano a percorsi alternativi per evitare il traffico. Nello stesso modo un GIS per il servizio pubblico dell’elettricità potrebbe rapidamente determinare differenti percorsi dei circuiti per portare elettricità in caso di danneggiamento. Per vedere come la topologia è rappresentata o modellata, è utile considerare un esempio per vedere come le connessioni sono codificate all’interno di un database. Questo comporta la memorizzazione di informazioni ulteriori alla locazione assoluta dei punti, linee e regioni. Il primo passo è memorizzare la
locazione di tutti i “nodi”, cioè fine linea e intersezioni di linee e confini. Basati su questi nodi, vengono definiti gli “archi”. Gli archi hanno punti finali e spesso hanno direzioni assegnate con frecce. Il punto di partenza del vettore è riferito come "from node" e la destinazione come "to node." L’orientamento di un vettore dato può essere assegnato in entrambe le
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direzioni così come tale direzione e memorizzata e archiviata nel database.
Tenendo traccia dell’orientamento degli archi è possibile usare quest’informazione per definire percorsi da nodo a nodo o da luogo a luogo. Quindi se vogliamo muoverci dal nodo 3 al nodo 1 possiamo localizzare le connessioni necessarie nel database.
I “poligoni” invece sono definiti dagli archi. Per definire un certo poligono, si può camminare intorno alla sua area in direzione oraria memorizzando gli archi componenti e il loro orientamento. Se un arco deve essere percorso in senso contrario al suo orientamento viene assegnato un segno negativo nel database.
Infine, per ogni arco, si memorizza quale poligono si trova sulla parte destra o sulla parte sinistra rispetto alla direzione del suo orientamento. Se un arco è su un contorno dell’area di studio è delimitato come "universe".
Ora che queste informazioni sono memorizzate nel database, è possibile porre questioni sulla connessione e sulla locazione. Per esempio:
o Quale poligono è adiacente al poligono A? Per trovare la soluzione, dobbiamo cercare prima gli archi che definiscono il poligono A, poi verificare quali altri poligoni sono definiti da questi archi nel loro orientamento negativo.
o Quale è la strada più breve tra il nodo 3 e il nodo 2? Si cercano tutti i percorsi di archi che conducono al nodo 3 e al nodo 2, si
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sommano le lunghezze come distanze tra i nodi e si sceglie il percorso con la minore lunghezza totale.
o Quale poligono è ridossato al poligono B lungo l’arco D? Si ricerca per il poligono che è definito dall’inverso (negativo) dell’arco D.
La topologia arco-nodo è stata sviluppata parecchi anni fa come il miglior modo di conservare informazioni di questo tipo. Un esempio tipico è la struttura dei dati Teleatlas. Database Object-oriented I metodi di organizzazione dei files descritti sopra dipendono dalla descrizione accurata dai fenomeni del mondo reale in termini dei loro attributi, come ad esempio larghezza, altezza, età, etc. Sono questi attributi, che memorizzati nel database insieme provvedono a dare una sorta di descrizione astratta delle caratteristiche del mondo reale. Molta attenzione recentemente è stata focalizzata nel modo in cui organizzare queste informazioni in maniera tale che rappresentino più prontamente le modalità in cui l’utente colleziona ed usa le informazioni che lo circondano. Cioè,l’uomo riconosce gli “oggetti” immediatamente in termini della loro totalità di “completezza”. Case e grattacieli sono riconosciuti immediatamente per la loro forma e funzione. Le differenze possono essere descritte in termini di attributi che sottendono, ma la gente li riconosce dall’esperienza. L’idea di un database “object-oriented” è di organizzare informazioni (cioè gruppi di attributi) nei tipi di “completezza” che la gente riconosce. Invece di decomporre ogni feature in una distinta lista di attributi, più enfasi è data nel “raggruppare” gli attributi di un dato oggetto in una singola unita o modello che può essere memorizzato o recuperato tramite il suo nome naturale. Si consideri la seguente situazione che coinvolge due modi di organizzare le informazioni su edifici zonizzati per usi differenti. Questa informazione può essere decomposta in attributi come segue:
Particella Uso Altezza Minima sup del lotto
Numero massimo di unità abitative
01-4567 Residential 35 m 10,000 M2 1 01-5632 Residential 35 m 7,000 M2 2 04-6781 Residential 40 m 43,560 M2 23 05-3759 Residential 60 m 43,560 M2 54 06-3962 Office 40 m 5,750 M2 0 06-9977 Office 60 m 5,750 M2 0
Per organizzare queste informazioni differentemente, definiamo prima alcuni modelli che riflettono i differenti oggetti che vogliamo includere nel database. M2 Mono familiare Elemento 1= Lotto grande Elemento 3=Duplex
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MF Multi-familiare Elemento 1=Bassa Densità Elemento 5=Alta Densità
LO Ufficio Locale Specificare l’uso predominante
Massima Altezza=40 m Area minima Lotto=5,750
M2
GO Ufficio Generale
Specificare l’uso predominante
Massima Altezza =60 m Area minima Lotto =5,750
M2 Una volta che queste informazioni sono state create possono essere aggiunte al nostro database riferendoci al modello. Il modello mantiene in un posto tutti gli attributi posseduti in comune da una certa classe do oggetti. Possono anche esserci piccole differenze tra oggetti di una data categoria. Queste differenze possono essere memorizzate come “elementi” o attributi addizionali.
Caratteristica Nr Elemento Descrizione
M2-1 1
• Famiglia singola • Altezza=35 m • Grande Lotto
M2-1 3
• Residenza Familiare • Altezza=35 m • Duplex
MF-2 2
• Multi Familiare • Altezza =40m • Bassa Densità
MF-5 5
• Multi Familiare • Altezza=60 m • Alta Densità
LO 40 • Ufficio Locale • Necessità di Periferia
GO 50 • Uffici • Necessità estese alla Città
Sebbene i modelli e gli elementi siano memorizzati in due files diversi, è facile vedere come questo metodo di organizzazione cambia il database. Non è un mero processo di semplificazione. L’uso dei modelli consente all’utente di introdurre e recuperare elementi reali. Una query potrebbe richiedere ad esempio tutte le “Case uni-familiari”.
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I database object-oriented hanno perciò il vantaggio di organizzare informazioni in modo che l’utente si augura di trovare più facile. Il database ha un aspetto più intuitivo perché usa quelle categorie che l’utente utilizza nella vita di tutti i giorni. Per questa ragione i database object-oriented stanno guadagnando sempre più attenzione nei GIS. Sistemi esperti Se un database è stato disegnato per memorizzare informazioni spaziali, funzionali e relazioni logiche, l’utente può porre questioni più complesse sui dati. Cioè, l’utente può programmare il sistema per considerare una varietà di relazioni spaziali, funzionali e logiche nelle query o nell’analisi. Questi tentativi sfociano in quelli che sono definiti sistemi esperti o più avanti in sistemi di intelligenza artificiale. Al livello più semplice i sistemi esperti consentono all’utente di stabilire regole che devono essere seguite quando i dati sono analizzati. Queste regole sono scritte per specchiare il modo in cui un utente esperto potrebbe comparare o esaminare i dati. Nello scrivere regole e regole il sistema diventa più capace o “esperto” nel trovare soluzioni con minor intervento utente. Il punto dei sistemi esperti è di costruire collezioni di regole che riflettono le sorti del confronto e il giudizio che utenti esperti farebbero. Programmando queste regole nel sistema, il più del lavoro dovuto al prendere le decisioni può essere demandato al computer. Tali sistemi sono di interesse nei GIS ad esempio nei campi quali ad esempio la pianificazione territoriale
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Analisi dei dati GIS Il fine prioritario di un GIS è l’analisi di dai geografici; questi dati sono organizzati entro layers o mappe tematiche che possono essere sovrapposti dal sistema.
Inoltre la sua principale utilità è data dal fatto che possono essere realizzate query (richieste) sia in modalità analitica che in modalità grafica con un alto grado di sofisticazione e complessità.
Un importante caratteristica di un sistema di query GIS è che supporta operazioni numeriche o discrete. Ad esempio possono essere realizzate query di questo tipo: “quanti chilometri di strade asfaltate sono comprese nell’area di richiesta?”, oppure “quanti ettari sono piantati a granturco e quanti a grano nella medesima area?”.
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Appendice I Database di interesse generale I Database di interesse generale che sono utilizzati nei GIS possono essere sommariamente raggruppati. Secondo la classificazione del Disegno di Legge n. 364 (Senato) “Coordinamento dei sistemi informativi geografici di interesse generale”
Nell'ambito dei sistemi informativi geografici sono individuati come prioritari:
a) i database geografici di interesse generale, con ciò intendendo i database che comprendono i dati topografici fondamentali e rispondono a specifici requisiti qualitativi sotto il profilo geometrico e dell'organizzazione dei dati, funzionali sia alla rappresentazione grafica che all'elaborazione in logica di sistema informativo;
b) i database geologici, comprendenti le informazioni geologiche di base e le principali cartografie derivate in scala 1:50.000 e maggiore;
c) i database pedologici, comprendenti le informazioni di base sui suoli e le cartografie derivate in scala 1:250.000 e 1:50.000;
d) i database delle coperture aerofotografiche o da satellite aggiornate del territorio;
e) i database della cartografia dell'uso del suolo, forestale e vegetazionale;
f) i database degli strumenti di pianificazione esistenti;
g) i database della cartografia storica di primaria importanza per la lettura delle tram2ormazioni del territorio e del paesaggio.
I database geografici di interesse generale, costituiscono il riferimento primario per la realizzazione e gestione dei database geografici "specializzati"; in rapporto a ciò sono individuati come database di interesse prioritario:
a) i database in scala 1:1000/1:2000 di preminente interesse di comuni, catasto e aziende di gestione di pubblici servizi;
b) i database in scala 1:5.000/1:10.000 di preminente interesse comunale, provinciale e regionale, nonché nazionale ai fini della derivazione del database in scala 1:25.000;
c) i database in scala 1:25.000/1:50.000 di preminente interesse provinciale, regionale e nazionale;
d) il database in scala 1:250.000 di preminente interesse regionale e nazionale.
Sono individuati quali enti di riferimento per la costituzione e l'aggiornamento dei database geografici di interesse generale:
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a) i comuni, in raccordo con il catasto, le comunità montane, le aziende di gestione di pubblici servizi e le regioni per i database geografici a grande scala (1:1.000, 1:2.000); il coordinamento dei database a grande scala é organizzato, in raccordo con le rappresentanze degli enti citati, dal catasto su scala nazionale e dalle regioni e province autonome su base regionale;
b) le regioni e le province autonome in raccordo con le province, l'Istituto geografico militare (IGMI), l'Istituto idrografico della marina (IIM) ed il Centro informazioni geotopografiche aeronautiche (CIGA), per i database geografici in scala 1:5.000 e 1:10.000 e per il coordinamento dei database geografici a grande scala ai fini della derivazione da questi, ove esistenti, del database in scala 1:5/10.000;
c) l'IGM e, per la parte di competenza, l'IIM e il CIGA, in raccordo con le regioni, per la formazione del database geografico di interesse generale in scala 1:25.000, per il riscontro della congruità rispetto alle specifiche comuni dei dati dei database standard in scala 1:25.000, nonché per la formazione del database geografico 1:250.000 congruente con il database 1:25.000.
d) il Servizio geologico nazionale (SGN), in raccordo con le regioni, per la carta geologica 1:50.000, le regioni e province autonome, in raccordo con le province ed il Servizio geologico nazionale per i database geologici a scala maggiore e la cartografia derivata;
e) le regioni e province autonome, in raccordo con le province e le amministrazioni centrali interessate, per i database con contenuti informativi corrispondenti alle scale da 1:10.000 a 1:250.000 comprese.
