Introduzione ai Sistemi Informativi Geografici ASL 2017 · Il Sistema elabora dati su questi punti,...

Augusto Frascatani

Introduzione ai Sistemi Informativi

Geografici – ASL 2017

COSA S’INTENDE PER GIS

• Geographic Information System (GIS) è un

sistema progettato per ricevere, immagazzinare,

elaborare, analizzare, gestire e rappresentare dati

di tipo geografico

Introduzione ai Sistemi Informativi Geografici – Augusto Frascatani - ASL 2017 – Lez. 1 Pagina 2


• Sistema Informativo Territoriale (SIT) è la

traduzione italiana di GIS che meglio si avvicina al

concetto del GIS

La traduzione non è proprio esatta: territorium

(latino) artefatto sociale derivato dai processi umani

di territorializzazione – antropizzazione.

Il termine inglese Geographic è più completo



• Un potente strumento per archiviare ed elaborare a

piacere trasformare e visualizzare dati spaziali dal

mondo reale per particolari finalità

(Peter Alan Burrough, 1986)


Burrough: laurea chimica organica Oxford, appassionato di pedologia, critica metodo per

sondaggi terreno senza riferimento quantitativo, diventa docente di geografia, trasferito in

Olanda inizia studi di frattali, geostatistica, propagazione errori, logica fuzzy.1984 diventa

professore Università Utrecht in geografia fisica e sistemi informazione geografica


• Un tipo di sistema informativo dove il database

consiste di osservazioni su dati spaziali distribuiti,

attività od eventi che sono definiti nello spazio

secondo punti, linee o aree.

Il Sistema elabora dati su questi punti, linee o aree

per recuperare dati per interrogazioni ed analisi

dedicate (Duecker K.J., 1979);



• Un modello spaziale di archiviazione ed

elaborazione di dati,

eventi ed attività spaziali,

finalizzato all’interpretazione del paesaggio,

dal sito al territorio,

dal costruito all’insediato,

dalla microscala alla macroscala

(Forte M., 2002);



• GIS = sistema automatizzato per dati spaziali per


ACQUISIRE

RAPPRESENTAREIMMAGAZZINARE

RECUPERARE

ANALIZZARE

Dati spaziali: posizione, forma, dimensioni, proprietà topologiche

Dati non spaziali: dati descrittivi associati alla componente spaziale


• E’ un sistema hardware e software che gestisce

tabelle di dati ed elementi grafici consentendo di

catturare, manipolare, conservare dati che hanno

riferimenti geografici o spaziali.




Marble, 1990

GEOREFERENZIARE

• Requisito fondamentale per applicare tutte le

funzioni GIS :

tutti i layers siano perfettamente sovrapposti in

un’unica ed univoca locazione geografica

-> tutti i dati devono essere georeferenziati

ovvero devono essere dotati di coordinate


GEOREFERENZIARE

Dati georeferenziati:

attribuire ad ogni elemento il

SISTEMA DI COORDINATE spaziali reali


GEOREFERENZIARE

Sistema di coordinate:

sferoide di riferimento,

datum,

proiezione e unità di misura


Datum: sistema geodetico di riferimento che consente di definire in termini matematici la posizione di punti sulla superficie della Terra

GEOREFERENZIARE

• 2 Sistemi di coordinate:

1. Geografiche:

sistema di riferimento: coordinate sferiche ->

longitudine e latitudine

2. Piane:

dati geografici proiettati in sistema di coordinate

piane o cartesiane -> è difficile fare misurazioni in

coordinate sferiche


Proiezioni e sistemi di coordinate


Argomento sviluppato tra qualche slides

LA STRUTTURA DEL GIS

• Nel GIS può essere inserito e rappresentato ogni

elemento spazialmente identificabile e codificabile,

come:

1. Territori -> area

2. Città -> punti o aree

3. Strade, fiumi -> linee

4. POI -> punti


POI: point of interest


• Il GIS viene solitamente rappresentato come una

struttura a più livelli di tematismi cartografici, o

come si è soliti dire un sandwich a più strati

sovrapponibili nello stesso sistema spaziale.



• Gli strati sono trasparenti e modificabili e

comprendono qualunque tipo di informazione

spaziale:

foto aeree,

dati geofisici e da satellite,

tematismi cartografici, database e qualunque tipo di

informazione rappresentabile in coordinate spaziali




Fonte:ESRI

COME LAVORA UN GIS

• Collega elementi cartografici a tabelle attributo ->

proprietà fondamentale del metodo di lavoro di un GIS

• Localizza elementi dalla mappa o dagli attributi

• Gestisce insiemi di elementi e attributi come layers ->

insieme di elementi geografici della stessa tipologia

logica e geometrica, collegati ai loro attributi


COMPONENTI DEI DATI GEOGRAFICI IN UN GIS


• Tre componenti generali per le informazioni

geografiche

Geometria Attributi Regole

Dati spaziali -> componente

geometrica della realtà

geografica. Descrivono

univocamente la posizione degli

oggetti in un sistema di

riferimento

Informazioni associate ad

ogni elemento

I monumenti

importanti

stanno nel

Centro Storico

della città

Regole precostituite

di gestione degli

elementi geografici

COME LAVORA UN GISCollega elementi cartografici a tabelle attributo ->


Attributi:

informazioni

che

descrivono

gli elementi

cartografici

ad essi

associate.

Registrate in

un db

Elementi:

oggetti sulle

mappe.

Hanno

posizione,

forma

rappresentativa

e simbolo

COME LAVORA UN GISLocalizza elementi dalla mappa o dagli attributi


COME LAVORA UN GISGestisce insiemi di elementi e attributi come layers -> insieme di elementi

geografici della stessa tipologia logica e geometrica, collegati ai loro attributi


LE TIPOLOGIE DI DATI GIS

• I dati, all’interno di un GIS sono memorizzati

tipicamente secondo:

1. Database alfanumerici

2. Dati raster

3. Dati vettoriali

4. Dati testuali

5. Dati ASCII (dati testuali codificati in tabelle)

• A queste classi storiche dell’evoluzione del GIS, si

affiancano progressivamente anche dati di tipo

multimediale, come filmati, panorami virtuali ottenuti

da fotografie, documenti e immagini.



Database alfanumerici


Entità geografiche: 4 caratteristiche

1) Identificatore (ID)

2) Localizzazione

3) Dimensione

4) Attributo

I dati sono in forma tabellare:

- ogni riga (record) è una entità

- ogni colonna (field) è una caratteristica

LE TIPOLOGIE DI DATI GISDatabase alfanumerici


Esempio: Comune di Roma




Identificatore

Localizzazione

Dimensione

Attributo




shp: shape (forma) include parte grafica e cartografica

dbf: memorizza gli attributi dello shape

shx: collega ogni shape agli attributi




I dati possono essere contenuti su più tabelle ma

tutte le tabelle devo riferirsi alla stessa entità

uso degli identificatori o elementi comuni in cui ci

sia almeno un FIELD riconosciuto




Quando una tabella base fa riferimento ad una

tabella ‘esterna’, nella tabella base vi sono

generalmente i riferimenti geografici, nella tabella

‘esterna’ vi sono generalmente gli attributi.

Le relazioni tra le due tabelle (una geografica e una

attributi) possono essere 1 a 1 o 1 a molti




Relazione 1 a 1: (corrispondenza biunivoca – unica tabella)

Studente1 = matricola1

Relazione 1 a molti o molti a 1:

Studente1

Studente2

….

Studente (n)

Facoltà

DATI RASTER

• I dati Raster sono memorizzati mediante la creazione

di una griglia regolare, in cui ad ogni cella (coordinate

X,Y), ossia un pixel (picture element), viene attribuito

un valore da 0 a 255


DATI RASTER

• Valore del pixel: grado di intensità luminosa (per foto

aeree o da satellite) che riflette una regione della

superficie terrestre o si riferisce a fenomeni come le

informazioni sull’uso del suolo o l’elevazione del

terreno.

• Si possono rappresentare aree secondo insiemi di

celle adiacenti con lo stesso valore (celle con lo stesso

colore).


DATI RASTER


DATI RASTER


• Esistono tre elementi importanti che caratterizzano i

dati raster:

• A) la risoluzione

• B) la compressione

• C) la registrazione

DATI RASTER


Risoluzione:

dipende dalla fonte dei dati

(immagine satellitare, foto aerea, scansione, griglia

per analisi territoriale, ecc.)

DATI RASTER


Compressione:

• capacità di comprimere i dati raster:

• memorizzare il numero dei pixel uguali

• ES: considerata una figura in bianco (B) e nero (N),

piuttosto che rappresentare la prima riga di un

foglio con NBBNNBBBBNNBNBB, questa è,

appunto, compressa memorizzandola come

1N2B2N4B2N1B1N2B

• La memoria necessaria a gestire un’immagine sarà

ridotto di più della metà

DATI RASTER


Compressione:

1N2B2N4B2N1B1N2B

DATI RASTER


Registrazione:

Tecnica necessaria per georeferenziare e raddrizzare

(ortogonalizzare)

DATI VETTORIALI


• I dati vettoriali sono costituiti da elementi semplici

quali punti, linee e poligoni, codificati e memorizzati

sulla base delle loro coordinate

• Un punto viene individuato in un sistema

informativo geografico attraverso le sue coordinate

reali (x1, y1);

una linea o un poligono attraverso la posizione dei

suoi nodi (x1, y1; x2, y2; ...). A ciascun elemento è

associato un record del database informativo che

contiene tutti gli attributi dell'oggetto rappresentato

DATI VETTORIALI


Sequenza delle coordinate dei punti

DATI VETTORIALI


• I dati vettoriali provengono da digitalizzazione di

cartografie, mappe di scavo, rilievi topografici

ottenuti tramite CAD e GPS

RASTER E VETTORIALE


• Raster e vector: entrambe le piattaforme possono

trattare e importare qualunque classe di dati.

• La differenza sostanziale risiede nelle modalità

operative

RASTER E VETTORIALE


• Formato raster gestisce bene dati tematici. Questi

sistemi necessitano di maggiore potenza hardware

e di calcolo, in quanto registrano le informazioni in

base alle celle della griglia. Sono prevalentemente

orientati all’analisi e all’elaborazione.

• Formato vettoriale per strutture complesse di

relazioni fra le informazioni descrittive legate agli

oggetti rappresentativi del territorio. Ideali per la

gestione cartografica e dei database, con grandi

potenzialità di interrogazione, gestione e

visualizzazione di dati georeferenziati

DATI RASTER E DATI VETTORIALI


MONDO REALE



MONDO REALE E VETTORIALE



VETTORIALE



GRIGLIA



GRIGLIA - RASTER - VETTORIALE



SOLO RASTER



RASTER VETTORIALE

MONDO

REALE

SCALA DELLA MAPPA


• Per rappresentare una parte di superficie terrestre

su di una mappa, l’area deve essere ridotta. La

misura di questa riduzione è espressa come

rapporto -> “scala della mappa” -> rapporto di una

distanza sulla mappa con la distanza reale

• Grande scala: piccole aree, alta precisione spaziale

maggiore dettaglio

• Piccola scala: grandi aree, bassa precisione

spaziale, minore dettaglio

SCALA DELLA MAPPA


CENNI DI CARTOGRAFIA


• La rappresentazione cartografica consente di

riprodurre le caratteristiche del territorio (reale) su

un supporto gestibile (mappe)

• Il territorio, in qualunque scala lo si voglia

rappresentare, è comunque ‘tondo’ e la carta è

bidimensionale

• Da superficie tonda a superficie piana si generano

deformazioni

• Sulla base di ciò che si intende visualizzare è

possibile minimizzare le deformazioni



Se la Terra

fosse una

sfera ….



Geoide, elissoide e

superficie topografica



• Il geoide è la forma geometrica che tiene conto

dello sferoide (superficie tridimensionale ottenuta

per rotazione di un'ellisse attorno ad uno dei suoi

assi principali) e delle variazioni di gravità

• E’ la superficie equipotenziale del campo

gravitazionale passante per il livello medio dei mari

• La superficie del geoide è sempre perpendicolare al

‘filo a piombo’



1 - Oceano

2 - Elissoide

3 - filo a piombo

4 - Continente5 - Geoide



•



Differenza tra il geoide e l’ellissoide



• L’ellissoide approssima la superficie e la forma della

Terra

• Non è unico …!

Bessel(1841) Clarke(1880) Helmert(1906)

Hayford(1909) Krassovsky(1942) WGS84 (1984)

• Può anche essere locale (consente precisione

massima in ambito locale), purché sia fissato un

punto di origine e di orientazione

• Ovviamente lo stesso punto avrà coordinate

differenti

• Necessità di un unico datum mondiale con origine

centro Terra: WGS84



• La verticale geometrica all’ellissoide può non

coincidere con la verticale (filo a piombo) al geoide.

L’angolo formato è la deflessione



• Il DATUM è un tipo di ellissoide con le sue

caratteristiche e la sua posizione rispetto al geoide

• Il Datum deve coincidere per un’area circoscritta

con il geoide in un particolare punto detto punto di

emanazione e si stabilisce la ‘direzione di

emanazione’ per fissare il sistema di riferimento

dell’ellissoide

• Un ellissoide così orientato approssima molto bene

la superficie terrestre per un intorno molto vasto

delle dimensioni di una regione o uno Stato



Due tipi di datum:

• Datum locali: accostano l’ellissoide di riferimento

alla superficie terrestre in un punto particolare per

migliorare localmente l’accuratezza del modello

• Datum globali, che sono orientati al centro della

Terra e sono utilizzati per funzionare globalmente



• WGS84 (Datum globale)

World GeodeticSystem 84 usa un proprio ellissoide (WGS84); è

usato dalla rete di rilevamento satellitare GPS

• ED50 (Datum locale)

European Datum1950 (ED50) usa l’ellissoide internazionale 1924

(Hayford), è orientato a Postdam(Germania) ed è stato creato per

l’uso in Europa; è il datum utilizzato nella produzione cartografica

IGM recente

• ROMA40 (Datum locale)

Roma 1940 usa l’ellissoide internazionale di Hayforded è

orientato a Monte Mario (Roma); è il datum utilizzato nella

produzione cartografica IGM fino alla fine degli anni ’80, e ancora

in uso nella Cartografia Tecnica Regionale



• Le coordinate geografiche si misurano in

longitudine e latitudine, cioè angoli misurati in gradi,

dal centro della Terra ad un punto della superficie

dell’ellissoide.

Gli assi del sistema di riferimento sono l’equatore e

il meridiano fondamentale



• Le coordinate cartesiane si basano su un sistema

di due assi ortogonali (x, y)

La localizzazione di un punto è dato

dall’intersezione dei due valori.

Gli assi di riferimento sono l’equatore e un

meridiano fondamentale



• Le coordinate geografiche (λ, φ) e quelle cartesiane

(x, y) sono misurate sulla superficie dell’ellissoide di

riferimento

La quota (h o z) (altimetria) è misurata a partire

dalla superficie del geoide (livello medio marino)



• Paralleli

Linee di intersezione con la superficie terrestre di piani

perpendicolari all’asse terrestre

Linee che uniscono punti con identico valore di

latitudine

• Meridiani

Linee di intersezione con la superficie terrestre di piani

contenenti l’asse terrestre e passanti per i poli

Linee che uniscono punti con identico valore di

longitudine



• Le coordinate geografiche sono coordinate

ellissoidiche, perciò “sferiche” perché designano la

posizione dei punti su una superficie ellissoidica.

Latitudine e longitudine vengono misurate in gradi e

frazioni di grado (gradi sessagesimali g°m’s’’o

decimali g.ms)

Tutti i punti che si trovano sull’Equatore hanno

latitudine 0, mentre il valore massimo possibile per

la latitudine nord o sud è 90 ai poli

Tutti i punti del meridiano iniziale hanno longitudine

0°ed il valore massimo possibile si ha

sull’antimeridiano corrispondente che ha longitudine

180°



• La latitudine geografica è la distanza angolare di

un punto (P) dall'equatore misurata lungo il

meridiano che passa per quel punto (angolo sotteso

dall’arco di meridiano che unisce il punto

all’equatore).

Si misura verso nord o verso sud, da 0°a 90

• La longitudine geografica di un luogo (P) è

l'angolo tra il meridiano del luogo e il meridiano

fondamentale (Greenwich-UTM) (angolo sotteso

dall’arco di parallelo che unisce il punto al

meridiano fondamentale).

Si misura verso est o verso ovest, da 0 a 180°



• I meridiani ed i paralleli non sono linee rette

equidistanti né formano un reticolo

È necessario un reticolato ortogonale ed

equidistante: il sistema di coordinate piane.

Il sistema di coordinate piane oggi maggiormente

utilizzato è il reticolato chilometrico che si riferisce

alla proiezione universale trasversa di Mercatore

(UTM).

Il reticolato italiano si riferisce alla proiezione di

Gauss-Boaga, ellissoide internazionale, anche se in

molte carte topografiche italiane alla scala 1:25.000

sono indicati entrambi i tipi di reticolato (UTM e

Gauss-Boaga)



I principali tipi di proiezione sono:

a: cilindrica; b: conica; c: zenitale o azimutale



Queste proiezioni mantengono forma e scala costante

solo sul punto (o lungo la linea) di tangenza

in a l'equatore,

in b è un parallelo,

in c è un polo

allontanandosi aumenta la distorsione

a: cilindrica; b: conica; c: zenitale o azimutale



• Una tipo di proiezione importante è la proiezione

cilindrica trasversa in cui cilindro di proiezione è

tangente ad una coppia di meridiani invece che

all'equatore in tal modo mantiene forma e scala

lungo il meridiano di tangenza



• Questa proiezione è alla base del sistema UTM (Universale

Trasversa di Mercatore):

sistema di 60 proiezioni cilindriche trasverse lungo meridiani a

distanza di 6 gradi di longitudine

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