informazione geografica tridimensionale: costruzione...

fabio.lucchesi_04.2005

informazione geografica tridimensionale: costruzione, visualizzazione, analisi

1. formati di registrazione dell’informazione tridimensionale2. i modelli tridimensionali del terreno3. il modello vettoriale della superficie del suolo: TIN4. TIN e analisi spaziale5. visualizzazione della TIN


(i) formati di registrazione dell’informazione tridimensionale


l’estensione 3DAnalyst

L’ambiente ArcGis gestisce le operazioni di costruzione, gestione e analisi dell’informazione tridimensionale attraversol’estensione 3D Analyst, che deve essere disponibile e caricata

per caricare l’estensione 3D Analystin ArcCatalog o in ArcMap, lanciare il comando Tools/Extensions/ eaggiungere un segno di spunta alla voce 3D Analyst


geometrie tridimensionali nel formato shapefile

Il formato shapefile permette di gestireinformazione tridimensionaleattraverso due modalità distinte

archiviando informazione geometrica propriamente tridimensionale (3dfeature)

si noti che i valori del campo Shape dellatabella degli attributi di 3d featurerivelano la natura tridimensionale dell’informazione geometrica attraversoil suffisso Z

associando a una geometria bidimensionale (2D feature) un attributotabellare che esprime una dimensione altimetrica


geometrie tridimensionali nei formati CAD

Nei formati CAD l’informazione relativa alla dimensione Z ,quando disponibile, è intrinsecamente connessa alla codifica geometrica degli oggetti descritti

si ricordi che la CTR Toscana è fornita in due edizioniedizione vestita e priva di dimensione Z , tipicamente rilasciata in formato .dwgedizione non vestita e quotata (ossia i cui elementi sono associati a dimensione Z ), tipicamente rilasciata in formato .dxf


costruire shapefile di 3D feature a partire da informazione geometrica quotata

A partire dalla informazione geometrica quotata contenuta nelle coperture CAD è possibile ottenere shapefilecontenenti 3d features, ossia dataset dotati di informazione geometrica tridimensionale

per costruire un dataset 3d a partire dalla CTR Toscananell’edizione quotata

caricare la feature class (points, polyline, polygon) desiderata(p.e. points per i punti quotati) della copertura CADattraverso una definition query selezionare la classe di oggetti richiesti (p.e. layer = ‘0804’)esportare il risultato come nuovo shapefile attraverso il comando Export Data disponibile dopo un click destro sul nome del layer nella TOC


visualizzazione dell’informazione tridimensionale in ArcCatalog (1/2)

Dopo aver caricato, se necessario, l’estensione 3D Analyst con il comando Tools/Extensions/3D Analyst,nella finestra di preview di ArcCatalog si rende disponibile l’opzione 3D View

si noti che ArcCatalog è in grado di visualizzare shapefilecontenenti 3d featurerispettando la natura tridimensionale dei datisi noti che ArcCatalog non è in grado di visualizzare oggetti tridimensionali a partire dalla attribuzione di valori altimetrici presenti in qualche campo tabellare


visualizzazione dell’informazione tridimensionale in ArcCatalog (2/2)

Il comando View/Toolbars/3D Toolscarica la barra degli strumenti di visualizzazione 3D attraverso i quali è possibile esplorare il datasettridimensionale

NavigateZoom In/Out

si noti che il comando Zoom In/Out èdisponibile anche attraverso un click destro mentre si usa Navigate

Center on TargetZoom to targetSet observer…Pan

si noti che il comando Pan èdisponibile anche attraverso un click destro/sinistro contemporaneomentre si usa Navigate


(ii) i modelli tridimensionali del terreno


modelli tridimensionali del terreno: definizioni

Esistono numerosi acronimi che si riferiscono ai modellidigitali dedicati alla descrizione della morfologia del suolo

DTM (Digital Terrain Model, Modello Digitale del Terreno)TIN (Triangulated Irregular Network, Rete Irregolare di Triangolazioni)DEM (Digital Elevation Model, Modello Digitale di Elevazione)

DHM (Digital Height Model, Modello Digitale delle Altezze)DGM (Digital Ground Model, Modello Digitale del Suolo)DTED (Digital Terrain Elevation Data, Dati Digitali di Elevazione del Terreno)…

In senso generale è possibile definire questi modelli come rappresentazioni statistiche di una superficie continua del terreno attraverso un numero elevato di punti noti nelle coordinate x, y, z relative a un sistema di riferimento


modelli raster VS modelli vettoriali

Possono distinguersi due tipi fondamentali di modelli del terreno

Modelli vettoriali (TIN)Modelli raster (DEM, DTM, … )

si consideri che per essere costruiti ed elaborati i modelli vettoriali richiedono più risorse dei modelli raster a causa della loro struttura più complessasi consideri che è possibile convertire un modello vettoriale in un modello raster e viceversa


le fonti dell’informazione altimetrica

I modelli digitali del terreno sono costruiti attraverso processi di interpolazione di rilevazioni altimetricheLa informazione altimetrica è disponibile attraverso fonti diverseIl carattere essenziale che distingue le diverse fonti di informazione disponibili è definibile densità e può essere espresso come rapporto tra numero di rilevazioni e superficie del suolo

informazioni a bassa densità (ca. 1 rilevazione / 10000 mq)per la Toscana sono p.e. disponibili

rilevazioni satellitarimodello digitale regionale

informazioni a media densità (ca. 1 rilevazione / 100 mq)per la Toscana sono p.e. disponibili

Carta Tecnica Regionale 10k (curve di livello equidistanza 10 metri e punti quotati)Copertura “orografia” del SIT Toscano (curve di livello equidistanza 5 metri)

informazioni ad alta densità (ca. 1 rilevazione / 10 mq)per la Toscana è p.e. (parzialmente) disponibile

Carta Tecnica Regionale 2k (curve di livello equidistanza 2 metri e punti quotati)


(iii) il modello vettoriale della superficie del suolo: TIN


TIN (Triangulated Irregular Network)

Una TIN è una approssimazione della superficie del suolo ottenuta attraverso la giustapposizione di una serie di triangoli non sovrappostiUna TIN consiste di nodi che contengono la coordinata z,connessi da segmenti cheformano facce triangolari contigueUna TIN può essere ottenuta da fonti diverse, purché dotate di informazione altimetrica; le piùcomuni sono:

curve di livelloinsiemi di punti quotati


caratteristiche di una TIN

Il numero di triangoli che compongono una TIN varia aseconda della complessità della superficie, del numero edella densità delle rilevazioniUna TIN è spesso costituita da molte migliaia di triangoli;ciò rallenta i tempi di elaborazione e di visualizzazioneLe TIN sono tipicamente usate per modellazioni di alta precisione di piccole aree; in queste situazioni sono particolarmente utili per la possibilità di calcolare l’estensione superficiale reale (non proiettata) e il volumeLa TIN consente di modellare superfici eterogeneeincludendo un maggior numero di punti dove la superficie èpiù variabile e un minor numero di punti dove la superficie èmeno variabile


limiti strutturali del processo di costruzione della TIN

Il processo di costruzionedi una TIN,sostanzialmente, avviene attraverso un processo di interpolazione lineare dei dati disponibiliIl risultato della elaborazione può risultare insoddisfacente se mancainformazione utile a definire particolari configurazioni morfologiche (p.e. crinali)


la costruzione di una TIN a partire da dati vettoriali

È possibile creare una TIN a partire dalla disponibilità di uno o più tipi di dati vettorialiÈ possibile modificare una TIN utilizzando in aggiunta dati vettoriali di cui si valutasse la necessità, o che si rendessero disponibili in un secondo momentoLe TIN possono essere costruite utilizzando tre tipi di informazioni vettoriali

rilevazioni di quota (mass points)

linee di interruzione di continuità della superficie (breaklines)poligoni di interruzione di continuità della superficie (polygonsurfaces)


Mass Points

I mass points costituiscono evidentemente la informazioneprimaria e necessaria nella costruzione di una TIN: i punti diventano i nodi della TINÈ possibile utilizzare come fonti di mass points

coperture vettoriali puntuali che abbiano un attributo tabellare o una proprietà geometrica (feature Z value) che registra il loro valorealtimetrico

p.e. nella CTR Toscanai dataset xxxxxxpq.shp, relativi ai punti quotatigli oggetti aventi codice 0804 (punto quotato) contenuti nella edizione CAD quotata

coperture vettoriali lineari che abbiano un attributo tabellare o una proprietà geometrica (feature Z value) che registra il loro valorealtimetrico

p.e. nella CTR Toscanai dataset xxxxxxcu.shp, relativi alle curve di livellogli oggetti aventi codice 0801 (curva di livello principale) e codice 0802 (curva di livello secondaria) contenuti nella edizione CAD quotata

coperture vettoriali poligonali che abbiano un attributo tabellare o una proprietà geometrica (feature Z value) che registra il loro valorealtimetrico

p.e. nella CTR Toscanagli oggetti aventi codice 0322 (area idrica) contenuti nella edizione CAD quotata


Breaklines

Le breaklines sono elementi vettoriali lineari, dotati o meno di informazione altimetrica, che diventano lati di uno o piùtriangoli costituenti la TINTipicamente le breaklines sono utilizzate per rappresentare sia elementi naturali (scarpate, corsi d’acqua …) sia elementi artificiali (sedi stradali o ferroviarie, edifici …) checostituiscono delle discontinuità rispetto all’andamento della superficie del suolo; in altri casi si utilizzano breaklines per evidenziare linee utili all’analisiSi distinguono due tipi di breaklines

Hard breaklines, che rappresentano una discontinuitàmarcata nella pendenza della superficie (corsi d’acqua, sedi autostradali, …)

Soft breaklines, che permettono di evidenziare delle lineenotevoli sul suolo che non interrompono la pendenza locale della superficie (p.e. confini di proprietà, limiti di area indagine, …)


Polygon Surfaces

Si distinguono quattro tipi diversi di poligoni utili nella costruzione di una TIN

Poligoni di ritaglio (clip polygons), che individuano i limiti di costruzione della TIN rispetto all’estensione spaziale delle informazioni disponibiliPoligoni di esclusione (erase polygons) definiscono dei limitiinterni alla estensione complessiva della TIN, entro i quali la TIN non viene costruitaPoligoni di sostituzione (replace polygons) definiscono delle aree interne alla TIN per le quali viene utilizzato un valore altimetrico costante (si utilizza p.e. per includere nella TIN la superficie di un lago)Poligoni attributo (fill polygons) permettono di assegnare un valore attributo costante ai triangoli della TIN compresi in ciascun poligono senza alterare l’andamento altimetrico della superficie


l’informazione altimetrica nella CTR Toscana 10k in formato shapefile

Il campo tabellare associato a ogni shapefile puntuale xxxxxxpq.shp(punti quotati) comprende un campoVALORE che contiene la rilevazionedi quota (approssimata al centimetro) relativa a ciascun puntoIl campo tabellare associato a ogni shapefile lineare xxxxxxcu.shp(curve di livello) comprende un campo VALORE che contiene la quota (equidistanza 10 metri)relativa a ciascuna curva


la barra dei comandi di 3D Analyst

In ArcMap le operazioni di costruzione e di modifica di una TIN sono gestite attraverso la barra degli strumenti 3D Analyst che èrichiamabile dal comando View/Toolbars/3D Analyst,oppure con un click destro nella zona della barra dei comandi


la costruzione di una TIN a partire da curve di livello e punti quotati della CTR Toscana 10k 1/2

Dopo aver caricato nella TOC le coperture utili (p.e. curve di livello e punti quotati) è possibile costruire una TIN attraverso il comando Create/Modify TIN/Create TIN FromFeatures che è disponibile nella barra dei comandi 3D AnalystDopo aver lanciato il comando apparirà la finestra di dialogo Create TIN From Features, che èorganizzata in tre sezioni

in alto a sinistra è possibile indicare, tra i temi contenuti nella TOC, quali coperture si vogliono utilizzare per la costruzione della TINin alto a destra è possibile indicare il campo tabellare che contiene l’informazione altimetrica e il modocon cui la copertura è utilizzata nella costruzione della TIN (mass points,breaklines, polygons)in basso è possibile indicare il nome eil percorso di salvataggio della TIN


la costruzione di una TIN a partire da curve di livello e punti quotati della CTR Toscana 10k 2/2

Quando per la costruzione della TIN si utilizzano le coperture di curve di livello e di punti quotati della CTR Toscana è opportuno attenersi alle indicazioni seguenti

per la copertura xxxxxxpq.shputilizzare i seguenti parametri

Height source : VALORETriangulate as : mass points

Per la copertura xxxxxxcu.shputilizzare i seguenti parametri

Height source : VALORETriangulate as : mass points


come migliorare la TIN utilizzando i corsi d’acqua come breaklines (1/4)

La carta tecnica contiene informazione topografica che permette di migliorarela verosimiglianza della TINUn esempio: come migliorare la modellazione delle vallecole strette solcate da torrenti chesenza correzione assumono un innaturale aspetto “terrazzato”



È necessario aggiungere alla TIN delle hard breaklines cheimpongano delle interruzioni di continuità della pendenza in corrispondenza dei corsi d’acquaÈ possibile utilizzare a questo scopo gli elementi aventi codice 0301 e 0302 contenuti nella edizione quotata della CTR

si consideri che non è opportuno utilizzare a questo scopo gli elementi aventi codice 301 e 302 (corsi d’acqua principali e secondari) contenuti nello shapefilexxxxxxel.shp della CTR, poiché tali elementi non sono dotati di informazione altimetrica



Per estrarre dalla CTR quotata le geometrie tridimensionali utili per la correzione della TIN

caricare la feature class polylinedella copertura xxxxxx.dxfattraverso una definition queryestrarre gli elementi aventi valore ‘0301’ OR ‘0302’ nel campo “Layer” dalla feature class polyline della CTR quotataesportare il risultato attraverso il comando Export Data: il risultato sarà uno shapefile composto di polyline Z



Occorre condizionare la TIN attraverso gli elementi 3D appena creati; a questo scopo

aggiungere lo shapefile 3D dei corsi d’acqua alla TIN attraverso il comando 3DAnalyst/Create Modify TIN/AddFeatures to TINutilizzare i seguenti parametri:

Height source : Feature Z ValuesTriangulate As : hard line

dopo aver salvato una nuova TIN è possibile verificare le differenze intorno ai corsi d’acqua


Come limitare l’estensione della TIN attraverso un poligono di ritaglio (Clip Polygons)

Attraverso l’aggiunta di un poligono di ritaglio (clip) èpossibile limitarel’estensione della TINIl poligono di ritaglio può essere aggiunto secondo due modalità

Hard Clip : le geometriedel poligono verranno utilizzate nel modelloaltimetrico

si consideri che per utilizzare la modalitàhard clip il poligono deve essere dotato di informazione altimetrica

Soft Clip : le geometrie del poligono non verranno utilizzate nel modelloaltimetrico


come etichettare i triangoli della TIN attraverso poligoni attributo (FillPolygons)

I nodi e i triangoli della TIN possono essere etichettati attraverso valori che permettono di aggiungere informazione ulteriore Questi valori possono essere derivati da campi numerici presenti in temi ausiliari utilizzati per la costruzione della TINla differenza tra hard fillpolygon e soft fill polygonriguarda l’uso delle geometrie dei poligoni nella costruzione del modello del suolo

si consideri dunque che tale differenza è ininfluente nel caso in cui ai poligono non sia associato alcun valore di quota


(iv) TIN e analisi spaziale


TIN e analisi di superficie (Surface Analysis)

La disponibilità di una TIN rende possibili alcune analisi relative alla natura tridimensionale della superficie rappresentata

Creazione di curve di livello (Contour)Derivazione di tematismi raster

Clivometria (Slope)Esposizione (Aspect)Illuminazione solare relativa (Hillshade)Intervisibilità (Viewshed)Calcolo di Cut/Fill

Calcolo di area e volume


3D Analyst/Surface Analysis/Contour

A partire dalla TIN è possibile costruireun tema vettoriale che ricostruisca delle isolinee descrittive delle soglie altimetriche descritte nel modello del suoloÈ possibile determinare a piacimento il range di valori (min/max) che si vuole descrivere attraverso le isolinee, nonché la loro equidistanza (intervallo metrico tra una isolinea e la successiva)

si noti come questa operazione sia sostanzialmente insensata quando la costruzione della TIN sia stata ottenuta precisamente a partire da curve di livello


applicazioni della TIN: calcolo della pendenza (Slope) (1/2)

La pendenza di una superficie esprime l’angolo di giacitura di ciascun triangolo della TIN rispetto al piano orizzontaleLa pendenza può esprimersi in gradi o in percentuale


3D Analyst/Surface Analysis/Slope

A partire dalla TIN è possibile costruire una copertura rasterche ricostruisca l’andamento della pendenza (slope) nel modello del suolo descritto dalla TINÈ possibile determinare a piacimento l’unità di misura della pendenza, in gradi (Degree) o in percentuale (Percent) nonché la dimensione della cella della copertura raster (Outputcellsize)La griglia di output può essere salvata in una directorytemporanea (Temporary) o in una collocazione stabilita


applicazioni della TIN: calcolo della esposizione (Aspect)

La esposizione di una superficie esprime l’angoloformato dal piano normale alla superficie e la direzione del nord; esprime, in altri termini, l’orientamento dei versanti rispetto ai punti cardinaliL’esposizione si misura in gradi (0°/360°)Il calcolo della esposizione nonha significato per le superfici parallele al piano orizzontale(Flat)


3D Analyst/Surface Analysis/Aspect

A partire dalla TIN è possibile costruire una copertura raster chericostruisca l’andamento della esposizione dei versanti (aspect)nel modello del suolo descritto dalla TINÈ possibile determinare a piacimento la dimensione della cella della copertura raster (Outputcell size)La griglia di output può essere salvata in una directorytemporanea (Temporary) o in una collocazione stabilita


3D Analyst/Surface Analysis/Hillshade

A partire dalla TIN è possibile costruireuna copertura raster che ricostruisca l’andamento della quantità di illuminazione riflessa dato il modello del suolo e la posizione di una sorgente di illuminazione (hillshade)

È possibile determinare a piacimentola posizione del sole (espressa attraverso i parametri Azimuth e Altitude)un, eventuale, fattore di moltiplicazione dei valori altimetrici (Z factor, o, anche, vertical exaggeration)La dimensione della cella della copertura raster (Output cell size)

La griglia di output può essere salvata inuna directory temporanea (Temporary)o in una collocazione stabilita


3D Analyst/Surface Analysis/Viewshed

Una viewshed identifica le celledi una copertura raster che possono essere viste da uno (o più) punti di osservazione

nel caso di un viewshed ottenutoa partire da un punto di osservazione, a ciascuna cella che può essere vista da quel punto viene attribuito il valore 1; alle altre celle (che non possono essere viste da quel punto) vieneattribuito il valore 0nel caso di un viewshed ottenutoa partire da più punti di osservazione, ciascuna cellanella copertura raster derivata riceve un valore che indica quanti punti possono vedere quella cella


3D Analyst/Surface Analysis/Cut_Fill

La funzione cut/fill calcola le aree e i volumi di variazione tra due superfici aventi la stessa estensione spaziale ma che sono state modificateattraverso addizioni o rimozioni di materiale di superficieIl risultato di una operazione di cut/fill tra due superfici che descrivono la superficie del suolo in due diversi periodi produce un tema rasterdifferenziato in tre valori

superficie non modificatasuperficie minore per erosione (cut)superficie maggiore per deposito (fill)


statistiche di area e volume

È possibile indagarestatisticamente sulle superfici e sui volumi descritti dalla TINrelativamente ai seguenti aspetti

superficie proiettata sul piano cartografico bidimensionale (2D area)superficie reale del suolo (Surfacearea)volume (Volume)

È possibile indicare i seguenti parametri di riferimento

altezza del piano di riferimento (Heightof plane: per default corrisponde alla quota minima registrata nella TIN)direzione del calcolo, rispettivamente sopra (above) o sotto (below) il piano di riferimentoeventuale fattore di verticalexaggeration (Z factor)

La statistica può (eventualmente) essere salvata in un file di testo


(v) visualizzazione della TIN


visualizzazione della TIN: classi altimetriche

Per default la TIN viene visualizzata attraverso una vestizione classificata per classi altimetriche,utilizzando uno spettro cromatico standardAgendo nella finestra di dialogo LayerProperties/Simbology dellaTIN è possibile modificarenumero delle classi, metododi classificazione e spettrocromatico (Color Ramp)


visualizzazione della TIN: ombreggiatura

Per l’impostazione di default, lefacce della TIN sono ombreggiate

l’ombreggiatura può essere esclusa intervenendo sulla opzione Show hillshadeillumination effect in 2D display

I parametri di illuminazionesono gestiti dalla finestra di dialogo Data Frame Properties

è possibile modificare la posizione della sorgente luminosa rispetto ai punti cardinali (Azimuth), l’angolo tra la direzione dell’illuminazione e il piano orizzontale (Altitude),nonché il contrasto della illuminazione (Contrast)


Hillshade illumination: variazioni

Azimuth 315°, Altitude 30°





individuare i parametri di illuminazione riferiti a momenti determinati dell’anno

È possibile impostare parametri di posizionamento del sole relativi a momenti determinati dell’anno; tali parametri vanno calcolati a partire dai seguenti input:

latitudinedataorap.e. su Empoli (lat 43°43’ Nord, long 10°57’ Est), alle 17:00 di lunedì 2 maggio 2005, il sole ha la posizione (nel sistema di riferimento utilizzato da ArcGis)

azimuth 278° 76’altitude 21° 28’

si consideri che è possibile utilizzare in rete alcuni semplici strumenti di calcolo, p.e.

Sunpath all’indirizzohttp://www.susdesign.com/sunpath/index.htmlSunposition all’indirizzohttp://www.susdesign.com/sunposition/


visualizzare la TIN secondo i valori di pendenza (1/2)

Attraverso il comando AddRenderer disponibile nella finestra di dialogo LayerProperties, è possibile impostareuna visualizzazione delle facce triangolari secondo valori di pendenza espressi in gradi (Faceslope with graduated color ramp)Dopo aver selezionato il RendererSlope, sarà possibile intervenire sui metodi di classificazione e sulla gradazione cromatica di vestizione


visualizzare la TIN secondo i valori di pendenza (1/2)


Visualizzare la TIN secondo i valori di esposizione (1/2)

Attraverso il comando AddRenderer disponibile nella finestra di dialogo Layer Properties, èpossibile impostare una visualizzazione delle facce triangolari secondo valori di esposizione espressi in gradi(Face aspect with graduated color ramp)Dopo aver selezionato il RendererAspect, sarà possibile intervenire sui metodi di classificazione e sulla gradazione cromatica di vestizione


Visualizzare la TIN secondo i valori di esposizione (2/2)


altre opzioni di visualizzazione

Oltre ai Renderer di altimetria, pendenza e esposizione sono disponibili

Nodes with the same symbolevidenzia solo i nodi della TIN senzadifferenziarliNode elevation with graduated color rampevidenzia solo i nodi della TINdifferenziandoli in funzione del loro valore altimetricoNode tag value grouped with unique symbolè disponibile solo se i nodi hanno una etichettaEdge type grouped with unique symbolevidenzia solo i bordi delle facce della TINdifferenziandoli in funzione del loro ruologeometrico nella costruzione della TINEdges with the same symbolevidenzia i bordi delle facce della TIN senzadifferenziarliFaces with the same symbolevidenzia solo le facce della TIN senzadifferenziarleFace tag value grouped with unique symbolè disponibile solo se le facce hanno una etichetta


Esercizio

Creare due shapefile di 3Dfeature che chiamerete 804_3d_274040 e 302_3d_274040 che rappresentano rispettivamente i punti quotati e l’idrografia del quadrante 274040, partendo dall’informazione geometrica quotata, ovvero dal file 274040.dxf contenuto nella cartella “tut_10_3d_ArcScene”

Creare una TIN che chiamerete 274040_tin partendo dalle due coperture 274040PQ e 274040CU che trovate nella cartella “tut_10_3d_ArcScene”

Migliorate la stessa TIN ,che chiamerete 274040_tin_corretta,utilizzando come breaklines i corsi d’acqua che avete precedentemente estrapolato dalla CTR quotata302_3d_274040


Esercizio

Creare le curve di livello della sfera (contour) in una directory temporanea, partendo dalla tin della sfera (che si trova nella cartella Sfera, all’interno della cartella “tut_10_3d_ArcScene”)

Creare in una directory temporanea le carte dellaPENDENZA e dell’ESPOSIZIONE della tin_274040_correttache avevate creato precedentemente

Visualizzare la tin_274040_corretta prima secondo i valori di pendenza, poi secondo i valori di esposizione

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