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Master in ingegneria dell’Emergenza

GIS e cartografia numericaMattia Giovanni Crespi-

Valerio Baiocchi

GIS e cartografia numerica - M.Crespi, V. Baiocchi -Area Topografia DITS

Superficie fisica e superficie di riferimento


Definizione geoide

• Il geoide “coinciderebbe con la superficie dei mari opportunamente prolungata sotto le terre emerse, qualora l’acqua dei mari avesse la stessa temperatura, la stessa densità e non esistessero le perturbazioni dovute alle correnti, ai venti ed alle maree. (G. Inghilleri)

• Si può anche pensare come la superficie equipotenziale del campo gravitazionale passante per il livello medio dei mari.


Orientamento degli ellissoidi


Quota ortometrica e quota ellissoidica


Ondulazione del Geoide (N)


Coordinate geodetiche e coordinate cartografiche

• Una volta stabilito il Datum si può istituire un sistema di coordinate geodetiche (latitudine e longitudine)

• Successivamente si può decidere di utilizzare una determinata equazione di rappresentazione cartografica sia per rappresentare sul piano gli oggetti da rappresentare sia per ottenere un nuovo sistema di coordinate piane (solitamente nord ed est)


Schemi di proiezione

Ortografica Scenografica

Stereografica Gnomonica


Proiezioni su cilindro (UTM) e su cono (Lambert)


Schemi di proiezione con superfici secanti


Trasformate piane di meridiani e paralleli per la proiezione di Gauss


Sistema UTM in Italia


Sistema Gauss-Boaga


Sistemi di coordinate utilizzati in Italia

EquatoreEquatoreEquatoreRiferimento latitudine

GreenwichGreenwichMonte MarioMeridiano di riferimento longitudine

Coordinate cartografiche

WGS84HayfordHayfordEllissoide

WGS84ED50Roma40Datum

32, 33 e parte nel 349°, 15° e 21° E GreenwichSempre 500 Km.K=0.9996

32, 33 e parte nel 349°, 15° e 21° E GreenwichSempre 500 Km.K=0.9996

Ovest ed Est9° e 15° E Greenwich1500 e 2520 Km.K=0.9996

Fusi, meridiani centrali, false origini, fattore di contrazione

Coordinate geografiche

GeocentricoMedio EuropeoMonte MarioOrientamento


Cartografia IGM serie “vecchia”

5’ x 7.5’1:25000Tavolette

10’ x 15’1:50000Quadranti

20’ x 30’1:100000Fogli


Cartografia IGM serie “nuova”

6’ x 12’1:25.000Sezioni

12’ x 20’1:50.000Fogli


Stato della produzione nuova cartografia


Cartografia numerica

• Nasce dalla trasposizione delle cartografie tradizionale su supporto digitale presentando alcuni aspetti nuovi tra i quali:– Scala nominale– Georeferenziazione


Scala nominale

• Agli oggetti rappresentati vengono associate le loro coordinate reali quindi il concetto di scala delle cartografie tradizionali viene sostituito dalla scala nominale che è la scala di una cartografia tradizionale avente il medesimo contenuto di precisione.


Georeferenziazione

-Riferire ciò che è rappresentato sulla cartografia numerica alla sua posizione nello spazio fisico. Il procedimento presentaaspetti diversi a seconda del formato di rappresentazione della cartografia: raster o vettoriale.


Formati raster o vettoriali

• Le cartografie possono essere rappresentate in formato raster o vettoriale

• Il raster è il tipo di file che si ottiene acquisendo la cartografia mediante scanner

• Il vettoriale è il formato di disegno che gestiscono i programmi di cad o che si ottiene acquisendo una carta mediante “digitizer”


Elementi fondamentali dei file raster e vettoriali

• I raster sono composti di celle generalmente quadrate che sono detti pixel (da picture element)

• I vettoriali sono composti di primitive vettoriali quali punti, linee, polilinee etc.


Files raster• Il raster è una sorta di fotocopia digitale:

riproduce tutto ma non ha cognizione di cosa riproduce


Raster 2


Raster 3


Vettoriale


Vettoriale 2


“Entities” and “fields”- Secondo Burroughs (1999), ciò che può essere rappresentato su una cartografia digitale può essere suddiviso in due grandi categorie: “entities” (entità) e “fields” (campi)

- Le “entities” sono oggetti che hanno una precisa collocazione ed estensione e possono essere rappresentati in forma vettoriale (es. fabbricati o vie di comunicazione)

- I “fields” sono grandezze che variano il loro valore a seconda della posizione che andiamo ad investigare all’interno dell’area in studio e possono essere rappresentati in formato raster (permeabilità del terreno, densità di popolazione)


Vantaggi e svantaggi dei due formatiRaster

• Vantaggi:– Rapidità d’acquisizione– Viene acquisito tutto

indipendentemente dall’interpretazione

• Svantaggi:– Il software non

“capisce” la differenza tra i vari oggetti rappresentati

– File “pesanti”

Vettoriale• Vantaggi:

– Acquisendo per oggetti il software può distinguerli ed associare informazioni

– File leggeri (rispetto ai raster)

• Svantaggi:– Acquisizione onerosa – Interpretazione

dell’operatore


Trasformazioni raster vettoriali


Georeferenziazione di raster• Questa operazione si compone di due fasi:

1)Georeferenziazione propriamente detta ovvero assegnazione al singolo pixel delle coordinate nel sistema di riferimento utilizzato.

2)Operazione di “rectify” si tratta di un ricampionamento dell’immagine per modificarne la geometria in modo che abbia la stessa forma di quella del sistema di riferimento.

• Alcuni software (Mapinfo 5.0) eseguono solo la 1 non cambiano la geometria dell’immagine anche se è deformata, altri le eseguono entrambe contestualmente (Geomedia, MGE), altri le eseguono in due fasi (“register” e “rectify”) di Arcinfo e Arcgis


Algoritmi di georeferenziazione

• Helmert: semplice rototraslazione con una variazione di scala

• Proiettiva: utilizzata per correggere le immagini da aereo e da satellite.

• Polinomiale o Affine di n° grado: famiglia di trasformazione di complessità crescente (la più semplice (primo grado) opera una rototraslazione con due variazioni di scala sui due assi ed eventuale rotazione di un asse rispetto all’altro


Sperimentazione sulla calibrazione dei raster

Avendo queste possibilità si è avviata una sperimentazione per cercare di rispondere principalmente a due domande:

- E’ sempre meglio utilizzare le trasformazioni più complesse, o il maggior tempo necessario per elaborare la trasformazione non viene ripagato da un sensibile miglioramento dell’affidabilità metrica?

- E’ possibile stimare, anche grossolanamente, un numero minimo di punti di controllo che ci possa garantire un risultato soddisfacente? In altre parole esiste un numero limite di punti di controllo, superato il quale non si ha un miglioramento significativo del risultato?


Helmert


Polinomiale di 5° ordine


Quale algoritmo scegliere?

Affin

e5°

Affin

e4°

Affin

e3°

Affin

e2°

Proi

ettiv

a

Affin

e1°

Hel

mer

t

4 vertici4 incroci UTM

8 incroci UTM14 incroci UTM

47 incroci UTM93 incroci UTM

0

2

4

6

8

10

12

14

4 vertici4 incroci UTM8 incroci UTM14 incroci UTM47 incroci UTM93 incroci UTM


Effetti delle polinomiali di grado elevato


Georeferenziazione dei vettoriali

• I file vettoriali sono generalmente già georiferiti ma può essere necessario georiferirli se sono stati riferiti in un sistema locale o se si deve cambiare sistema di riferimento.

• Alcuni software permettono di georiferire i vettoriali con le stesse modalità dei raster, alcuni software permettono la georeferenziazione vettoriale tridimensionale (generalmente una Bursa-Wolf equivalente ad una Helmertin 3d), utile ad esempio quando si debba inquadrare in un sistema di riferimento globale un rilievo topografico locale.


Definizioni di GIS

• Le definizioni di Sistema informativo geografico proposte dai vari autori sono innumerevoli, tanto che uno dei maggiori autori in materia (Burrough) le classifica in tre generi: le definizioni di GIS come set di strumenti, come database o come organizzazione di dati.


Burrough

• ”Un potente insieme di strumenti per raccogliere, archiviare, richiamare a richiesta, trasformare e mostrare dati spaziali (rilevati) dal mondo reale”


Aronoff

• “Ogni insieme di procedure manuali o assistite dal computer usate per archiviare e manipolare dati geograficamente riferiti”

• In questo senso un GIS è una qualunque banca dati (anche su supporto cartaceo) i cui dati sono riferiti alla loro posizione nello spazio.


Struttura schematica di un GIS


Features ed attributi

• Features: sono le caratteristiche con cui viene visualizzata (colore, spessore, etc.) un determinato tipo di oggetto (come una strada, una ferrovia, un’asta fluviale etc.) equivale alla simbologia della cartografia tradizionale.

• Attributi:Iidati alfanumerici collegati ad una determinata entità sulla cartografia e che quindi sono relativi all’oggetto reale che l’entitàcartografica rappresenta, (es. per una particella catastale il nome del proprietario, l’estensione, l’uso).


Acquisizione di dati per un GIS

• Le acquisizioni di dati per un GIS possono essere:– Primaria: i dati vengono rilevati appositamente

per la costruzione del database, il database puòessere costruito direttamente in campagna (GPS dedicati)

– Secondaria: i dati vengono estratti da cartografie e database già esistenti in forma cartacea o alfanumerica


Acquisizione secondaria

• L’acquisizione di dati da cartografie esistenti si articola nei seguenti passi:– calibrazione e la georeferenziazione della cartografia

esistente secondo le metodologiè già accennate.– Acquisizione in formato vettoriale dei tematismi di

interesse secondo varie modalità come la vettorializzazione semiautomatica già esposta

– Successivamente o contemporaneamente alle singole primitive vengono associati i rispettivi attributi.


Esempio di acquisizione secondaria

• Un classico esempio di acquisizione secondaria è l’estrazione di un modello digitale del terreno (DTM) da cartografie esistenti; infatti le cartografie classiche contengono tutte le informazioni sull’altimetria sotto forma di curve di livello, punti quotati, linee di drenaggio e scarpate.


Definizione di DTM

• Un DTM è un modello digitale del terreno (digitalterrain model), spesso viene utilizzato il termine DEM (digital elevation model) come sinonimo, ma secondo alcuni autori DEM è solo un modello digitale delle elevazioni (quindi delle quote) mentre DTM è più genericamente un modello digitale di una caratteristica del terreno che generalmente è la quota, ma può anche essere la pendenza, l’esposizione o ad esempio la densità di popolazione.


Grid e TIN

• I DTM sono principalmente di due tipi:– Grid model: sono modelli che rappresentano le quote di

punti distribuiti lungo una maglia regolare generalmente quadrata (ma può anche essere rettangolare o, nel caso di coordinate geodetiche, trapezoidale); concettualmente molto simile al file raster, per questo alcuni autori si riferiscono ad entrambi questi tipi di file come “grid file”

– TIN model: (triangular irregular network) modello a maglia triangolare irregolare tutti i punti a quota nota vengono uniti mediante triangoli di forma irregolare.


Esempio di grid


Esempio di TIN


Esempio di rappresentazione Voxel


Caratteristiche di grid e TINGrid

• Vantaggi:– Maglia regolare permette

facile elaborazione per derivare altre informazioni

• Svantaggi:– La maglia ha una

dimensione costante qualunque sia la morfologia e può essere inadeguata

– File molto “pesanti” – Le quote dei nodi sono tutte

interpolate

TIN• Vantaggi:

– Le dimensioni e la forma della maglia possono variare in funzione della densità dei punti e della morfologia del terreno

– Le quote dei nodi non sono interpolate ma il dato originale

• Svantaggi:– Maggiore complessità per la

realizzazione di software che derivi informazioni dal modello


Realizzazione di DEM da cartografia tradizionale

-Calibrazione e georeferenziazione della cartografia originale acquisita mediante scanner

-Vettorializzazione in modalità manuale automatica o semiautomatica.

-Tridimensionalizzazione delle polilinee vettoriali che rappresentano le curve di livello è, in pratica, un associazione di informazioni alfanumeriche alla primitiva vettoriale corrispondente


Tridimensionalizzazione

• Può avvenire:– Contestualmente alla

vettorializzazione (man mano che si vettorializza una curva di livello le si associa la quota corrispondente)

• Tutte le curve insieme in un secondo momento (vedi figura)


Esempio impiego GIS per gestione

emergenza (Campania

1998)


Modello previsione pericolosità solo morfologia


Modello previsione pericolosità con DEM a minore risoluzione


Carta geologica SGN


Carta pericolosità con geolitologia da SGN


Carta rischio


Acquisizione primaria

-Rilievi appositamente progettati e realizzati per l’inserimento in un GIS

- Mediante i moderni metodi GPS/GIS integrati è possibile costruire il database direttamente in campagna

Rilievo mediante strumenti terrestri


Teodolite


Livello


Sistema Gps


Differenze di fase

Convegno ASITA 2001GIS e cartografia numerica - M.Crespi, V. Baiocchi -Area Topografia DITS 68

Fasi di costruzione di una ortofotocarta da satellite per paesi in

via di sviluppo (Tangeri)

• La realizzazione si articola generalmente nei seguenti passi:1. Ricerca bibliografica cartografie esistenti2. Studio delle trasformazioni tra i differenti sistemi di riferimento3. Trattamento dei file raster delle carte per estrazione DEM4. Campagna di rilievo GPS dei punti controllo a terra5. Georeferenziazione ed ortorettificazione dell’immagine Ikonos6. Sovrapposizione della cartografia esistente alla ortorettificazione e loro

validazione7. Redazione della carta nella versione definitiva


ORTOFOTOCARTA

È una fotografia corretta geometricamente affinché sia sovrapponibile ad una cartografia.

Viene realizzata quando è disponibile una sola immagine e non sono disponibili stereocoppie (coppie di foto), che

permettono la tecnica della stereorestituzione.

Interpretazione da parte dell’utente.

Informazioni immesse in fase di restituzione.


IL SATELLITE “IKONOS 2”ALTITUDINE: 681 Km

VELOCITÀ DEL SATELLITE: 7 Km/sec.

RISOLUZIONE GEOMETRICA: 1 metro (2100 dpi)

RISOLUZIONE RADIOMETRICA: 11 bit

AREA MAX: 13,5 × 13,5 Km2

PREZZO IMMAGINE ACQ. ($/Km2): 29

La “Spaceimaging” fornisce stereocoppie solo ad enti governativi e militari, quindi, è stato possibile acquistare solo un immagine della zona di Tàngeri.


IMMAGINI SATELLITARI FINO AD OGGI DISPONIBILI

Risoluzione dell’ordine della decina di metri.

Immagini utili per realizzare ortofoto a

piccola scala (1:50000 o meno).

STRETTO DI GIBILTERRA, IMMAGINE LANDSAT

Tàngeri


DEM ricavato da cartografia


Implementazione di una trasformazione di Datum in ambiente GIS

• Per utilizzare le informazioni altimetriche contenute nella carta si è reso necessario trasformare le coordinate cartografiche nazionali del Marocco in UTM WGS84; sono stati testati 3 differenti metodi:

1. Modalità preimpostata in MGE (regressione multipla) 2. Molodensky in MGE (parametri sito web NIMA) 3. Molodensky “fuori linea” (parametri sito web NIMA)


Risultati confronto

Regressione MultiplaMGE – Molodensky MGE

Molodensky fuori linea–Molodensky MGE

Molodensky fuori linea–Regressione Multipla MGE

∆ϕ=0.1192”∆λ=0.0702”

∆ϕ= -0.0126”∆λ=0”

∆ϕ= -0.1318”∆λ= -0.0702”


Stesse metodologie ED50 -> WGS84

Regressione Multipla MGE – Molodensky MGE

Molodensky fuori linea– Molodensky MGE

Molodensky fuori linea– Regressione Multipla MGE

∆ϕ=0.1192”∆λ=0.0702”

∆ϕ= -0.0126”∆λ=0”

∆ϕ= -0.1318”∆λ= -0.0702”

Non disponendo di punti a coordinate note non era possibile capire quale metodologia fosse più attendibile quindi sono state testate le stesse procedure su punti della rete IGM95 trasformando coordinate UTM ED50 in UTM WGS84


Metodologia adottata

• La procedura più affidabile sembra Molodensky “fuori linea”; dato che Le differenze tra questa e la Molodensky in MGE sono minime, in considerazione delle notevoli facilitazioni operative che quest’ultima procedura offre (quali trasformazione automatica di file vettoriali), si è deciso di adottare quest’ultima.


Il rilievo GPS dei punti di controllo

• Il rilievo è durato due settimane ed è stato eseguito mediante due ricevitori monofrequenza modello “March II” della “Corvallis” che si sono rivelati abbastanza funzionali ed economici ma non esportano in RINEX

• 39 punti per circa 60 kmq di cui 21 rimisurati dopo alcuni giorni per valutarne la ripetibilità (la media quadratica degli scarti dei 21 punti rilevati due volte è pari a 0.33 m)

• sessioni di 45 minuti


Differenziazione dei dati

• Differenziazione rispetto alla stazione permanente di S. Fernando in Spagna (distante 80 km) ed alla stazione permanente di Rabat (350 km)

• Differenziazione rispetto ad una stazione montata sul tetto dell’Istituto Pasteur di Tangeri

• Differenziando rispetto alla stazione di Tangeri si ha un maggior numero di soluzioni “fixed” quindi è stata utilizzata quest’ultima

• La posizione della stazione di Tangeri è stata determinata mediando sei sessioni di circa 2h 40’


Primo confronto punti GPS georeferenziazione

ID Punto Scost_X (m) Scost_Y (m) Scostamento totale Soluzione

Ist. Pasteur -1.77 2.39 2.97 fixed

4 4.79 -2.58 5.44 fixed

7 -4.79 4.06 6.28 floating

20 4.67 2.64 5.36 floating

11 -4.35 10.56 11.42 floating

87 0 0 0 fixed

Media 5.25

Eqm 2.57


Caratteristiche delle immagini Ikonos“Carterra Geo”

Caratteristiche dichiarate:

- risoluzione nominale pari ad un metro per angoli di “off-nadir” inferiori a 26°

-una risoluzione radiometrica di 11 bit equivalente a 2048 toni di grigio.

-Prezzo circa 29 USD per kmq

Caratteristiche dell’immagine consegnata:

-off- nadir 34.88°

-risoluzione effettiva 1.15 * 1.02 m,risoluzione nominale 1m * 1m ottenuta perinterpolazione

-toni di grigio equalizzati (DRA)


Seconda immagine fornita• Caratteristiche

seconda immagine:1. Angolo off-nadir:

29.12°2. Risoluzione

effettiva: 0.93 X 1.06 m.

3. Toni di grigio equalizzati (DRA)


Problematiche riscontrate

• Inconvenienti dell’elevata inclinazione di alcune immagini:

1. Riduce l’effettiva risoluzione2. Richiede una maggior precisione del DEM3. In aree urbane gli edifici possono mascherare

particolari di interesse• Inconvenienti del DRA (opzionale)

1. Varia la tonalità di grigio rispetto all’originale


Confronto cartografia esistente-ortofotocarta - 1


Confronto cartografia esistente-ortofotocarta - 2


Conclusioni

• Le immagini ad alta risoluzione hanno dimostrato interessanti potenzialità particolarmente per le applicazioni nei paesi in via di sviluppo

• Alcune caratteristiche delle immagini vanno ulteriormente indagate perché potrebbero limitarne le possibilità di applicazione

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