Introduzione corso "GIS e ult.elem.inf."

Geographic Information Systemse ulteriori abilità informatiche

• Università degli Studi di Firenze – Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali• Corso di Laurea in Scienze Geologiche• Insegnamento di “GIS e ulteriori abilità informatiche”

Filippo CataniDipartimento di Scienze della Terra – Via La Pira, 4 50121 FirenzeTel. 055 2756223 – Fax. 055 2756296 email: [email protected]

PROGRAMMA DEL CORSO

Sistemi informativi territoriali (Geographic Information Systems - GIS), introduzione generale ecaratteristiche, modelli di rappresentazione dei dati geografici (modello vettoriale e modello discreto), modellidi rappresentazione dei dati descrittivi (databases e modello entità-relazione), analisi funzionale dei GIS.Analisi dell’informazione geografica (G.I.A.). Concetti generali, analisi di entità puntuali, lineari, areali. Analisidi campi di variazioe discreta e continua. Basi di cartografia e sistemi di riferimento.Progettazione e costruzione di archivi GIS per cartografia tematica, elaborazione vettoriale dei dati,elaborazione raster dei dati. Elaborazione grafica e stampa degli elaborati cartografici.Analisi di dati geologici con l’ausilio dei GIS, tecniche di integrazione di dati multimediali, applicazione deiGIS alle problematiche geologiche di base. Esercitazioni su esempi reali.

Corso basato su lezioni frontali ed esercitazioni di laboratorio informatico.

Esame: prova scritta (più eventuale prova pratica)


Filippo CataniDipartimento di Scienze della Terra – Via La Pira, 4 50121 Firenze

Tel. 055 2756223 – Fax. 055 2756296 email: [email protected]


Scopo della lezione

• Introdurre l’utilizzo operativo dei G.I.S. in tutte le fasi della conoscenza e gestione del territorio nel quadro dell’analisi dei rischi geologico-ambientali

• A questo scopo ci soffermeremo su:• Definizione ed analisi generale dei GIS come strumenti di nuova

tecnologia• Esempi applicativi nell’ambito della geologia e geomorfologia

applicate, dell’analisi dei rischi e della protezione civile• Possibilità reali di utilizzo dei GIS da parte di tutti, problemi attuali

e possibili soluzioni


Componenti generiche di un sistema G.I.S.

Risorse Umane

Hardware

Software

Dati

G.I.S.

InternetHTMLo altri

Dati descrittiviDati descrittivio alfanumericio alfanumerici

Immagini, filmatiImmagini, filmatied altri dati ed altri dati

Dati geograficiDati geograficie spazialie spaziali

Concetti e Metodi diConcetti e Metodi di

Analisi delle Informazioni GeograficheAnalisi delle Informazioni Geografiche

G.I.A.

Scambio eScambio eAggiornamentoAggiornamento

DatiDati


Differenze rispetto ad altri sistemi

• CAD e disegno: non hanno la gestione integrata delle coordinate cartografiche, il concetto di topologia, la gestione integrata di un database relazionale, funzioni territoriali specifiche

• Programmi per Cartografia: a volte non posseggono topologia, spesso non hanno database alfanumerico, possibilità di multimediali e di connessione a Internet per condivisione dati

• Databases Relazionali: non hanno nessuna capacità grafica, tanto meno quelle connesse alla posizione geografica degli oggetti sulla superficie terrestre.


PoligoniPoligoni(es. formazioni geologiche)(es. formazioni geologiche)

ArchiArchi(es. fiumi, faglie)(es. fiumi, faglie)

PuntiPunti(es. pozzi, campioni)(es. pozzi, campioni)

TOPOLOGIATOPOLOGIARelazioni geometriche tra gli oggetti nello spazio geograficoRelazioni geometriche tra gli oggetti nello spazio geografico

(es. contenimento, adiacenza, connessione, sovrapposizione etc.)(es. contenimento, adiacenza, connessione, sovrapposizione etc.)

Modello Vettoriale Geo-RelazionalePrimitive di rappresentazione


Rappresentazione della Geometria

Le primitive vettoriali vengono rappresentate dal punto di vista geometrico tramite tabelle che ne elencano i vertici.I punti hanno dimensione nulla e sono raprpesentati da un’unica coppia di coordinate x,yGli archi (o linee) hanno invece un numero di vertici n>1. Per ogni vertice viene memorizzata una coppia x,yI poligoni infine hanno numero di vertici n>2 e nella lista delle coordinate possono (chiusura esplicita) o meno (chiusura implicita) avere un vertice ripetuto

In molti sistemi GIS la coordinata z viene memorizzata come attributo dell’oggetto e non come attributo del singolo vertice. Questo vuol dire che una vera rappresentazione 3D non è possibile. Altri sistemi prevedono la coordinata z in modo esplicito nella geometria dei vertici ma non utilizzano la terza dimensione per l’applicazione delle operazioni di geoprocessing (ad es.: incrocio, somma, sottrazione, unione di poligoni)


Topologia Arco-NodoMemorizza tramite tabelle geo-relazionali le connessioni tra archi. Ogni arco ha due nodi (inizio e fine), un senso di percorrenza, n vertici (che ne definiscono la geometria). La tabella arco-nodo elenca, per ogni arco, il nodo di inizio (from-node) e quello di fine (to-node). In questo modo per il sistema la ricerca di connessioni tra archi diviene un semplice problema di ricerca in tabella, invece di un problema di geometria analitica (ad es. risoluzione di sistemi di equazioni per la ricerca del punto di intersezione).Per verificare se un arco a qualsiasi è connesso direttamente con un altro arco b è sufficiente controllare nella tabella se tra di essi c’è un nodo in comune.


Topologia Poligono-ArcoMemorizza tramite tabelle geo-relazionali le relazioni tra poligoni e archi che li compongono. In questo modo definisce i poligoni stessi evitando per esempio che i confini siano memorizzato due volte (una per ogni poligono di appartenenza). Nella tabella, per ogni poligono, vengono memorizzati tutti gli archi che lo compongono. Due pligoni sono adiacenti se hanno un arco in comune. Isole (poligoni entro altri poligoni) possono venir rappresentate indicando un codice particolare all’interno dell’elenco archi del poligono “contenitore” (ad es. uno zero che precede l’elenco degli archi isola) e riportando nella lista del poligono isola stesso un solo arco. Nella figura il poligono E è un isola (composta dal solo arco 7) all’interno del poligono F.


Topologia Destra-SinistraMemorizza tramite tabelle geo-relazionali le relazioni tra archi e poligoni. In questo modo definisce i rapporti tra archi e tra archi e poligoni in base al senso di percorrenza. Per ogni arco è possibile conoscere quali sono i poligoni che definisce e quali altri archi gli sono connessi nel senso di percorrenza del vettore.Se due archi hanno poligoni in comune nella lista vuol dire che sono direttamente o indirettamente connessi. Ad es. nella figura gli archi 3, 4, 5 e 10 costituiscono un cammino che definisce anche il poligono D.


Conversione Vettoriale Conversione Vettoriale --> Raster> Raster

Un raster a celle rettangolari, comunemente chiamato anche grid, è contraddistinto dalla seguenti proprietà fondamentali:

• Dimensione della cella (o risoluzione)• Coordinate x,y di uno dei vertici del raster• Numero di colonne• Numero di righe• Tipologia dei valori associati ad ogni cella• Valore corrispondente a no-data (mancanza di informazione)

CELLE PIÙ PICCOLE -> MAGGIORE RISOLUZIONE -> MAGGIORE OCCUPAZIONE

DI MEMORIA

Modello Raster (o discreto)


Dati descrittivi delle entità (database relazionale non geografico)

235

236

237

238

COD X Y

004004 125.5 340.7

N° Proprietario

236

237

Rossi Paolo

Bianchi Anna

005 104.4 299.0

005

Ogni entità vettoriale, ma anche più in generale ogni entità qualsiasi in in GIS, può avere informazioni associate che non hanno una intrinseca posizione geografica.Ad es. i dati anagrafici dei proprietari delle particelle catastali nella figura. Ed anche i proprietari stessi.Per i dati connessi alle entità geografiche si utilizzano tabelle di database relazionali, nelle quali possono essere implementate strutture dati molto complesse. Ad esempio per ogni particella di possono essere più proprietari ma anche ogni persona può essere proprietaria di più particelle.

I data base relazionali si basano su regole molto precise quali quelle dei livelli di normalizzazione e quelle di Codd.

Esempio di relazioneEsempio di relazioneunouno--aa--molti tra molti tra codice litologico e codice litologico e legenda: per ogni legenda: per ogni formazione in formazione in legenda ci sono da 1 legenda ci sono da 1 a n poligoni nei quali a n poligoni nei quali la formazione affiorala formazione affioraLa relazione è risolta La relazione è risolta collegando la tabella collegando la tabella poligoni con la poligoni con la tabella formazioni tabella formazioni tramite un campo in tramite un campo in comune comune (nell’esempio quello (nell’esempio quello chiamato dxfchiamato dxf--layer) layer) che sia univoco e che sia univoco e chiave per la seconda chiave per la seconda tabellatabella


Area Perimetro Cover# Cover-id Dxf-layer 361,351,570.67 327,062.64 7.00 29.00 14 732,572.86 22,726.83 8.00 429.00 4 154,740.09 1,910.10 9.00 340.00 4 70,704,501.01 208,684.93 10.00 430.00 4 597,734.01 5,784.44 11.00 359.00 14 963,721.08 4,442.87 12.00 431.00 11 446,360.10 3,754.67 13.00 1,073.00 11

Dxf-layer Sigla Denominazione Litotecnica 18 pF arenarie calcaree e a 2 17 mn arenarie e marne 2 15 maM marne con arenarie 2 14 maA arenarie con marne 2 13 mPL p.p, mV p.p., marne 2 11 al calcari marnosi 2 10 cP, cC calcari della serie ofi 2

Tabella Poligoni

Tabella Formazioni

Campo chiave o indice(univoco nella tabella)

1

n

Esempio di relazione 1-n tra tabelle


• Quanti pozzi ho all’interno di questa particolare litologia?• Qual è il percorso idraulico più breve da un lago artificiale al fondovalle in

caso di rottura della diga?• Che particelle catastali sono coinvolte nella costruzione di una nuova strada? E

chi sono i relativi proprietari?• Come posso realizzare una carta inventario delle frane che comprenda anche

informazioni classificative dettagliate sul fenomeno?• Come posso creare automaticamente fasce di rispetto relative a fiumi, pozzi o

altri oggetti?• Come posso realizzare carte della probabilità di amplificazione sismica per

effetti topografici?• etc.

Domande tipiche per un GIS


Esempi di carte tematiche e applicazione di GIS


Curve di livelloCurve di livello(rappresentazione vettoriale)(rappresentazione vettoriale)

DTM con pixel 25 mDTM con pixel 25 m(rappresentazione raster)(rappresentazione raster)

Esempi di rappresentazione dell’orografia


Esempi di rappresentazione dell’orografia


Esempi di carte tematiche: geologia I


Esempi di carte tematiche: geologia II

N

EW

S

LegendaA1A2C1C2C3C4C5S1S2SUBSTRATOT1T2T3

2 0 2 4 km


Esempi di carte tematiche: geologia – vista prospettica 3D


Esempi di carte tematiche: geomorfologia


Esempi di carte tematiche: pericolosità idrogeologica


Esempi di carte tematiche derivate: carta delle pendenze


Esempi di carte tematiche derivate: carta della orientazione dei versanti


Esempi di carte tematiche derivate: carta della accumulazione di flusso


Esempi di applicazione di modelli da GIS: analisi di stabilità di frana (modello di Montgomery & Dietrich, 1994)

Determinazione speditiva delle Determinazione speditiva delle variabili direttamente da dati GISvariabili direttamente da dati GISDTM = modello digitale del terreno DTM = modello digitale del terreno da cui derivano pendenza da cui derivano pendenza θθ e area e area drenata drenata aa..Le restanti variabili di natura Le restanti variabili di natura geologica possono essere geologica possono essere comunque estratte dalle tabelle comunque estratte dalle tabelle GIS relative alla geologia, al clima GIS relative alla geologia, al clima etc.etc.L’analisi di stabilità viene applicata L’analisi di stabilità viene applicata pixel per pixel calcolando pixel per pixel calcolando l’equazione in modo l’equazione in modo distribuitodistribuito..Anche lo spessore del suolo può Anche lo spessore del suolo può essere interpolato utilizzando essere interpolato utilizzando modelli opportuni basati sulle modelli opportuni basati sulle caratteristiche topografiche e caratteristiche topografiche e geologiche, ancora una volta geologiche, ancora una volta attraverso gli strumenti GIS.attraverso gli strumenti GIS.

θφθ

γγ

φθγsen

qT

zc

ba

w⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+≥

tantan1

tancos2

'

dal DTM

dalla Geologia


Esempi di applicazione di modelli da GIS: analisi di stabilità di frana II (modello di Montgomery & Dietrich, 1994)

θφθ

γγ

φθγsen

qT

zc

ba

w⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+≥

tantan1

tancos2

'

Stabile

Instabile

Condizion. Stabile

Condiz. Instabile


Esempi di dati derivati: carta della curvatura dei versanti

Da mappe della curvatura dei versanti Da mappe della curvatura dei versanti possono essere individuate zone con:possono essere individuate zone con:

•• accelerazioni e decelerazioni del flussoaccelerazioni e decelerazioni del flusso

•• convergenza e divergenza del flussoconvergenza e divergenza del flusso

•• creste e orli di terrazzo o altre creste e orli di terrazzo o altre caratteristiche topografiche tali da poter caratteristiche topografiche tali da poter generare effetti di amplificazione sismicagenerare effetti di amplificazione sismica

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