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G. Modica - Supporto didattico – Laboratorio GIS AA 2011-2012

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INTRODUZIONE AI GIS(Geographical Information Systems)

Docente Giuseppe Modica

Parte 1

tel +39 0965 801274

[email protected]

A.A. 2011 - 2012

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Principali argomenti trattati

Ambiti di utilizzo di un GIS

Definizione e architettura di un GIS

Dato e informazione

Caratteristiche dell’informazione territoriale

Brevi cenni di cartografia, con specifico riferimento al problema della rappresentazione della superficie della terra, alle rappresentazioni cartografiche e ai sistemi di coordinate in uso in Italia

Il modello dei dati (Vettoriale e Raster) in un GIS: struttura e differenze

La topologia in un GIS: problematiche ed errori ricorrenti

Origine dei dati

Cenni alle potenzialità dell’informazione territoriale


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Urban Planning, Management & PolicyZoning, subdivision planningLand acquisitionEconomic developmentHousing renovation programsEmergency responseCrime analysisTax assessment

Environmental SciencesMonitoring environmental riskModeling stormwater runoffManagement of watersheds, floodplains, wetlands, forests, aquifersEnvironmental Impact AnalysisHazardous or toxic facility sitingGroundwater modeling and contamination tracking

Political ScienceAnalysis of election resultsPredictive modeling

BusinessDemographic AnalysisMarket Penetration/ Share AnalysisSite Selection

Health CareEpidemiologyNeeds Analysis

Civil Engineering/UtilityLocating underground facilitiesDesigning alignment for freeways, transitCoordination of infrastructure maintenance

Education AdministrationAttendance Area

MaintenanceEnrollment ProjectionsSchool Bus Routing

Real Estate (patrimonio immobiliare)Neighborhood land pricesTraffic Impact AnalysisDetermination of Highest aBest Use

Alcuni ambiti di utilizzo dei GIS

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Alcune definizioni dei GIS“A GIS is a powerful set of tools for collecting, storing, retrieving at will, transforming,and displaying spatial data from the real world” (BURROUGH, 1986).(Un GIS è un potente insieme di strumenti per acquisire, memorizzare, estrarre avolontà, trasformare e visualizzare dati spaziali dal mondo reale)

“A GIS is a computer system that can hold and use data describing places on earth’ssurface” (RHIND, 1989).Un GIS è un sistema che può mantenere ed usare dati che descrivono posti sulla superficie terrestre.

“A Geographical Information System is a group of procedures that provide data input,storage and retrieval, mapping and spatial analysis for both spatial and attribute data tosupport the decision-making activities of the organization” (GRIMSHAW, 1994).Un sistema informativo geografico è un gruppo di procedure che consentono input,memorizzazione, accesso, mapping e analisi spaziali sia per dati spaziali sia per aglittributi, per supportare le attività decisionali dell’organizzazione.


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SIT

Procedure

Dati

Hardware

SoftwareRisorse Umane

Architettura di un SIT (Sistema Informativo Territoriale)

INFORMATIVO perché basato su sistemi informatici. Si tratta di software progettati per il trattamento [acquisizione, gestione, analisi e rappresentazione) di dati territoriali (GIS)].

SISTEMA in quanto composto da un insieme di risorse (umane, infrastrutturali, dati) e di procedure (acquisizione, archiviazione, elaborazione, presentazione, trasmissione).

TERRITORIALE: tutte le informazioni sono georiferite, ad esse sono cioè associate le coordinate spaziali secondo il sistema di riferimento adottato.

GIS

6Le sei parti componenti di un GIS (fonte: Longley et al., 2005)

Architettura di un SIT (Sistema Informativo Territoriale)


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Immagini

Reportstatistici

Tabelle

Statistiche

Mappetematiche

Mappe

Architettura di un GIS

Il cuore del sistema è il DATABASE GEOGRAFICO, ossia una collezione di mappe digitali con informazioni spaziali associate. Come si può vedere dalla figura, il database geografico si può dividere in due componenti essenziali: la prima è quella spaziale, e ad essa sono riferite le informazioni di topologia e posizione in un sistema di coordinate noto; la seconda è quella relativa agli attributiassociati agli elementi spaziali.

Modello di GIS secondo Eastman (2001)

Non tutti i software consentono tutte le possibilità di analisi rappresentate in questa figura ma, anche alla luce delle innovazioni tecnologiche intercorse dalla loro comparsa, è auspicabile che qualunque prodotto commerciale possegga le capacità operative qui rappresentate.

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DATI sono gli elementi disponibili per descrivere un oggetto o un eventoINFORMAZIONE è un insieme di dati utilizzati (da un essere umano ) per uno scopo

INFORMAZIONEINFORMAZIONE DATIDATI

Caratteristiche delle informazioni territorialiGEOMETRIA

FormaDimensione (lunghezza, area, volume)DistanzeAngoli

TOPOLOGIA degli oggetti (nello spazio)ContenimentoAdiacenzaConnessione

AL VARIARE DI FORMA E DIMENSIONE DEGLI OGGETTI, LE PROPRIETÀ DI POSIZIONE NON VARIANO

La topologia è oggi una disciplina delle scienze matematiche che si occupa principalmente dello studio delle proprietà delle figure e delle forme che non cambiano quando viene effettuata una deformazione senza "strappi", "sovrapposizioni" o "incollature". Concetti fondamentali sono: continuità, connessione, ecc.

Per TOPOLOGIA si intende un insieme di regole per definire, in maniera esplicita, i rapporti di connessione e di continuità tra gli elementi spaziali e per collegare tali elementi ai relativi attributi.

Primitive geometriche


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COMPONENTE SPAZIALE

posizione, forma, dimensioni, proprietà topologiche

I componenti l’informazione territoriale

INFORMAZIONEINFORMAZIONE

SPAZIALESPAZIALE NON SPAZIALENON SPAZIALE

SITSIT CADCAD MISMIS

NON TERRITOR.NON TERRITOR.TERRITORIALETERRITORIALE

COMPONENTE NON SPAZIALEdati descrittivi (attributi)

Management Information Systems

Computer Aided Desing

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Definiamo Informazione georeferenziata ogni informazione che possa essere messa in relazione con una porzione o una posizione di territorio secondo un sistema di coordinate definito come riferimento.

La distribuzione degli abitanti sul territorio

La portata di un fiume in ogni punto

L’ubicazione di aziende agricole in un ambito rurale

Digital Orthophoto

Streets

Hydrography

Parcels

Buildings

Zoning

Utilities

Confini amministrativi


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Parte 2

IL PROBLEMA DELLA RAPPRESENTAZIONE DELLA SUPERFICIE DELLA TERRA

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La realizzazione di una cartografia è finalizzata alla rappresentazione metrica della realtà che ci circonda.Una rappresentazione CARTOGRAFICA è una espressione analitica che stabilisce una corrispondenza biunivoca fra i punti della superficie terrestre, o di una parte di essa, e i punti di un piano opportunamente scelto.


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La rappresentazione della superficie terrestre sul piano genera inevitabilmente deformazioni di tipo areale, lineare, di direzione, ecc. La risoluzione del problema cartografico, consiste nel rappresentare, in un unico sistema di riferimento, punti della superficie terrestre.Il sistema di riferimento è un sistema cartesiano ortogonale: N, E, h.A seconda del tipo di equazioni utilizzate si avranno differenti rappresentazioni della medesima porzione della superficie terrestre.

Geometricamente

Proiezioni azimutali

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PROIEZIONI AZIMUTALI

Sono proiezioni generate per proiezione di una porzione della superficie, da un punto dello spazio, su un piano. Le distinguiamo in:

1 - Ortografiche il punto di vista si trova a distanza infinita rispetto al piano di proiezione

2- Centrografiche (o gnomoniche): il punto di vista si trova al centro della superficie di riferimento;

3 - Stereografiche il punto di proiezione è sulla superficie di riferimento nel punto opposto rispetto al centro della porzione da rappresentare;

4 - Scenografiche il punto di vista è al di fuori della superficie di riferimento, a distanza non infinita, sulla retta congiungente il centro della zona da rappresentare con il centro della superficie di riferimento.

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PROIEZIONI per SVILUPPO

Si ottengono dalla proiezione su un CILINDRO (Cilindriche) o su un CONO (Coniche) e loro successivo sviluppo su un piano:

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Diagram of the (a) conic and (b) cylindrical projections (fonte: Gomarasca, 2009)

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E = f (, ) N = g (, )Per ottenere una rappresentazione cartografica di una certa zona terrestre sarà necessario ricavare due funzioni f (, ) e g (, ) tali che ad ogni coppia di valori (, ) facciano corrispondere una coppia (ed una sola) di valori (x,y).

Il problema della rappresentazione della superficie terrestre su un piano


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FORMA DELLA TERRAScelto un punto P rigidamente collegato alla terra si conduce per esso la normale alla superficie di riferimento. La normale individuerà un punto P’.

La posizione del punto risulterà così nota quando si conosceranno la lunghezza del segmento PP’ e la posizione di P rispetto ad un opportuno sistema di coordinate.

Il GEOIDE è definibile come la superficie equipotenziale (luogo geometrico dei punti della terra che hanno il medesimo potenziale gravitazionale) passante per il livello medio del mare.In altre parole, il Geoide si può definire come la superficie normale in ogni punto alla direzione della verticale, cioè alla direzione della forza di gravità.

Il GEOIDE è la superficie di riferimento per le quote altimetriche

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FORMA DELLA TERRA

Il GEOIDE è definibile come la superficie equipotenziale passante per il livello medio del mare

COORDINATE GEOIDICHE



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FORMA DELLA TERRA – superfici di riferimento

L’ellissoide biassiale è generato dallarotazione di un’ellisse attorno al suo asseminore ed è definito da due parametri, ad es.dalla lunghezza dell’asse minore o dell’assemaggiore e da una quantità ausiliariadipendente dai due semiassi.

Lo scostamento tra ellissoide e geoide è pari aun centinaio di metri.

La forma del geoide dipende dalla distribuzioneirregolare delle masse all’interno della Terra e non puòessere descritta da un equazione matematica chiusacome l’ellissoide. Le sue proprietà fondamentali, sono:

• Il potenziale W del campo di forza della gravità ècostante su di essa;

• La linea di forza, cui è tangente in ogni punto laverticale, è perpendicolare ad essa ovunque.

La tangente alla linea di forza coincide con ladirezione della gravità e il geoide è una superficieliscia senza lacerazioni o discontinuità.


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SFEROIDELa prima superficie in grado di approssimare il geoide è una superficie di rotazione attorno all’asse Z che prende il nome di sferoide. Quello che passa per un punto prefissato del livello medio del mare prende il nome di SFEROIDE TERRESTRE

La sua equazione è molto semplice in coordinate polari, più complessa in coordinate cartesiane sostituiamo allo sferoide un ELLISSOIDE di rotazione

SFEROIDE



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L’equazione dell’ELLISSOIDE DI ROTAZIONE è semplice; si è quindi assunta, a superficie di riferimento per la terra

Schiacciamento polare (Flattening)

= 1


Equazione dell’ellissoide

Se due dei semiassi hanno dimensioni uguali, l'ellissoide si dice Sferoide* o ELLISSOIDE DI ROTAZIONE

Ellissoide a [m] α b [m] e2

WGS84 (1984) 6378137 1/298,257223563 6356752,314 6,694379990 x 10-3

HAYFORD (1924) 6378388 1/297 6356911,946 6,7226700022 x 10-3

BESSEL (1841) 6377397,155 1/299,1528128 6356078,963 6,674372232 x 10-3

Gli Ellissoidi di interesse per l’Italia

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Eccentricità

* In geometria lo Sferoide può essere descritto anche come un Ellissoide che ha i 2 semiassi equatoriali uguali

Parametri Ellissoide Internazionaledi Hayford 1924

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RAPPRESENTAZIONE DI UN PUNTO SULL’ELLISSOIDE Stabilita la superficie di riferimento, per definire la posizione dei punti è necessario fissare opportuni sistemi di coordinate.La posizione di un punto rispetto ad un sistema si può restituire in due modi:

X, Y, Z: coordinate cartesiane rispetto al centro della terra .

, , h : coordinate geografiche



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Il sistema più generale ed universalmente adottato in geodesia è quello delle COORDINATE GEOGRAFICHE costituite da due angoli che definiscono la normale alla superficie nel punto P considerato.

Z'


La LATITUDINE () è definita come l'angolo diedro formato dalla normale alla superficie, passante per il punto P, con il piano equatoriale dell’ellissoide.

La LONGITUDINE () è definita come l'angolo diedro formato fra il piano costituito dalla normale (passante per l’asse di rotazione) e dalla retta z' (parallela all'asse Z, passante anch'essa per P) ed il piano ZX, assunto come origine riferimento (Meridiano fondamentale Greenwich).

L’ubicazione sulla superficie terrestre è espressa in gradiLATITUDINE LONGITUDINE

− 90 ≤ϕ ≤ +90 −180 ≤ λ ≤ +180

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Per MERIDIANO si intende il circolo massimo ottenuto dall'intersezione tra la superficie della Terra e un ipotetico piano passante per l'Asse di rotazione terrestre

L'EQUATORE terrestre è la linea immaginaria (se ci riferiamo al piano parliamo di piano equatoriale) formata dall'intersezione della Terra con un piano perpendicolare all'asse di rotazione terrestre e passante per il centro


Tutti i punti aventi uguale latitudine giacciono lungo una curva detta parallelo

Tutti i punti aventi uguale longitudine giacciono su una curva detta meridiano


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Proiezioni cartografiche

In relazione alla posizione dell'asse di tale cilindro, rispetto all'asse di rotazione, le proiezioni cilindriche si possono distinguere in: • CILINDRICHE DIRETTE, se

l'asse del cilindro coincide con l'asse di rotazione della terra;

• CILINDRICHE TRASVERSE, se l'asse del cilindro è normale all'asse di rotazione terrestre.

Per proiezione cartografica si intende quella tecnica di formazione di una carta ottenuta proiettando geometricamente i punti dell’ellissoide su una superficie sviluppabile sul piano. Nelle proiezioni cilindriche, i punti della superficie terrestre vengono proiettati, dal centro su un cilindro ad essa tangente, oppure secante.

PROIEZIONI CILINDRICHE

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Proiezione cilindrica centrale diretta (fonte: Gomarasca, 2009)

PROIEZIONI CILINDRICHENel caso delle proiezioni cilindriche i punti della superficie terrestre (supposta sferica) vengono proiettati, dal centro su un cilindro ad essa tangente, oppure secante.

SISTEMI DI COORDINATE

Meridiani e paralleli risultano retti e si intersecano a 90°

rispettano l’area

i meridiani risultano equispaziati, i paralleli no

distorsioni di forma e scala via via che ci si allontana dall’equatore


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Proiezione cilindrica centrale inversa; in basso i

fusi dal 32 al 34(fonte: Gomarasca, 2009)

CILINDRICHE TRASVERSEPROIEZIONI CILINDRICHE

Nel caso delle proiezioni cilindriche i punti della superficie terrestre (supposta sferica) vengono proiettati, dal centro su un cilindro ad essa tangente, oppure secante.

SISTEMI DI COORDINATE

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