Sistemi Informativi Geografici...

26/11/2008

1

Vittorio Maniezzo - Algoritmi e Sistemi di Elaborazione - A.S.E. 1

Sistemi Informativi Geografici (GIS)

Introduzione

La mappa di Çatalhöyük (6200 ac)

Programmazione GIS - Vittorio Maniezzo – Università di Bologna 2

La più antica mappa conosciuta!

26/11/2008

2

La tavoletta di Ga-Sur (2500 ac)


Orbis terrarum (20 dc)


26/11/2008

3

Tabula Peutingeriana (100 dc)


Mappe T-O (1000 — 1200 dc)


26/11/2008

4

Tabula Rogeriana (Muhammad al-Idrisi, Sicily, 1154).


Mappa di Piri-Reis (1513)


26/11/2008

5

2008 dc


GIS

“Un G.I.S. è uno strumento che permette di rappresentare, interrogare, visualizzare e analizzare entità spaziali o eventi che si verificano sul territorio. Oltre alle funzionalità di un DBMS tradizionale, le funzionalità proprie di un G.I.S. sono l’acquisizione, la gestione e l’integrazione di dati territoriali multisorgente.”


26/11/2008

6

GIS

Un GIS è uno strumento di supporto all’esperto nello studio di fenomeni naturali, fisici, sociali, ecc., nella pianificazione di strategie o nella progettazione di infrastrutture territoriali. Un GIS è più che un database georeferenziato. Le operazioni e le query supportate estendono di molto quelle utilizzate su dati non geografici.Un GIS fornisce:• un DBMS;• funzionalità di analisi spaziale;• funzionalità di visualizzazione mappe.


GIS: esempi di applicazioni•Agricoltura/foreste : monitoraggio e gestione •Archeologia: descrizione e valutazione di scenari •Ambiente: monitoraggio, modellazione, gestione del degrado, pianificazione, alluvioni, frane, terremoti, desertificazione, qualità dell’acqua e dell’aria, clima. • Epidemiologia: localizzazione, gestione • Servizi d’emergenza: ottimizzazione, polizia, vigili del fuoco, ambulanze, crimine •Navigazione: aria, mare e terrestre (navigatori).•Marketing: localizzazione, ottimizzazione •Amministrazione del territorio: catasto, gestione reti viaria, ferroviaria, telefonica, elettrica, gas, ecc. • Studi sociali: demografia • Turismo: hotel, siti di interesse ecc.


26/11/2008

7

Sorgenti principali di dati• Mappatura topografica: agenzie nazionali, Regioni (CTR)), amministrazioni locali e compagnie private

• Organismi militari (IGM) • Agenzie spaziali (ESA) • Agenzie per il monitoraggio ambientale e terrestre (geologi, idrologi, geografi, ambientalisti, ecologi, climatologi, ecc)

Tipi di dati • Mappe topografiche a varia scala (Fogli IGM 1:100.000, 1:50.000, 1:25.000)

• Mappe geologiche (Fogli CARG 1:25.000) • Immagini satellitari e fotografiche da aereo (LANDSAT ) • Confini di regioni amministrative: cap, zone censuarie• Reti tecnologiche (strade, elettricità, gas, telefono, acqua, fogne ecc.) • …


UtilizzoCOSA • La caratterizzazione delle entità viene effettuata attraverso l’associazione di attributi: es. altitudine, lunghezza, densità di popolazione.

DOVE• La localizzazione di entità spaziali è identificata da georiferimenti espressi in un sistema di coordinate riferite alla superficie terrestre.

• Le mappe rappresentano entità geografiche per mezzo di punti, linee, aree caratterizzate da coordinate geografiche (es: UTM , Gauss-Boaga) in un sistema proiettivo o in un sistema di coordinate relativo

PERCHE’ • Le relazioni spaziali tra le entità rappresentate permettono di spiegare implicitamente o esplicitamente il perché le entità sono in un certo modo.


26/11/2008

8

GIS e informatica•Grandi quantità di dati da elaborare• Indici spaziali compatti e metodi di accesso veloci •Analisi di informazioni tridimensionali e spazio-temporali per simulazione e ottimizazione di processi (meteorologici, ecologici, flussi idrici, ecc). •Creazione di infrastrutture per l’accesso e la condivisione di dati georeferenziati •Definizione di metodi di rappresentazione standard per i dati e i metadati che garantiscano l’interoperabilità tra applicazioni e sistemi diversi. •GML (Geographic Markup Language) istanza dell’XML •SVG (Scalable Vector Graphics) •Necessità di rappresentare la qualità dei dati


GEODATABASE collezione di entità geografiche

DATI CLASSICI GEORIFERIMENTIAttributi Posizione

ed estensione

TOPOLOGIA

Tipologie dati


26/11/2008

9

Modellizzazione in GIS

Tre passi preliminari per la organizzare dati in un GIS: 1) Identificazione e definizione dei temi: osservazione della realtà e definizione del modello concettuale adatto

2) Scelta del modello logico di dati spaziali più adatto: • Gli oggetti sono semplici, puntuali, estesi, composti, interconnessi..

• La variazione degli attributi è continua e derivabile, non derivabile ecc..

3) Scelta della modalità di rappresentazione implementativa• Tassellazione regolare, rappresentazione vettoriale.


Processo di astrazione

Burrough&McDonnelProgrammazione GIS - Vittorio Maniezzo – Università di Bologna 18

La realtà consiste di oggetti delimitati ben definibili

La realtà consiste di oggetti delimitati non ben definibili

La realtà è una variazione sfumata e continua di proprietà

Modello concettuale della realtà

ApprossimazioneCampionamento e

interpolazione

La realtà è un insieme di oggetti discreti, di attributi e relazioni tra essi

La realtà è un insieme di campi continui sul dominio

Pattern Recognition

Modello dei dati spaziali

Gli oggetti sono costituiti da oggetti più semplici, i loro attributi e regole per operare

Modalità di Rappresentazione

Funzioni matematiche continue e derivabili

Funzioni matematiche continue e non derivabili: Frattali

Superfici discrete (raster)

26/11/2008

10

Modello ConcettualeUn modello concettuale è un’astrazione e generalizzazione della realtà che include soltanto le proprietà rilevanti per l’applicazione. Nel processo di astrazione è necessario tener conto di: • scopi dell’applicazione • scelta del modello concettuale, che influenza le

operazioni possibili sui dati • scala di rappresentazione • entità rappresentate primitive o composte da altre

entità (es. nazioni in termini di regioni) • rappresentazione degli elementi a campo o a oggetti (v.

seguito)


Mappatura Proiettiva

Poiché la forma della superficie terrestre è curva è necessaria una conversione per poterla rappresentare su un piano: mappatura proiettiva http://geography.about.com/cs/mapprojections/index.htm


26/11/2008

11

Mappatura ProiettivaPassi:• Identificazione dei punti ad alta precisioneEquazioni della rappresentazione: x=f(φ,λφ,λφ,λφ,λ) y=g(φ,λφ,λφ,λφ,λ)

• IGM ha fissato 1230 punti sul territorio Italiano • Scelta delle funzioni di proiezione (cartografia IGM proiezione Gauss-Boaga)

• Cilindro tangente al meridiano per Monte Mario (ROMA)• Proiezioni della rete di punti


Mappatura Proiettiva

Per limitare le deformazioni le rappresentazioni limitano l’estensione del “fuso” (porzione di ellissoide) da proiettare Nel sistema UTM (Universal Transverse Mercator) i fusi hanno ampiezza 6 gradi


26/11/2008

12

Mappatura ProiettivaLa cartografia ufficiale Italiana usa il sistema Gauss-Boaga (dal 1948) con due fusi: • fuso ovest e fuso est prossimi ai fusi 32 e 33 UTM (9° e 15° long est )



Rappresentazione di elementi geografici Come si rappresentano gli aspetti geografici?Due tipi di dati:• Dati territoriali che descrivono localizzazioni (dove)• Dati tematici che specificano caratteristiche di quel luogo(cosa e quanto)

Come vengono rappresentati questi dati in un GIS?Raggruppandoli in temi basati su aspetti simili (es. idrografia, topografia, fiumi, fogne, supermercati) e usando:• modelli dati vettoriali (coverage in ARC/INFO, shapefile in ArcView)

• modelli dati raster (GRID in ARC/INFO)Come li si incorpora in un programma applicativo?Usando:• modelli data base relazionali (RDBMS) (come Arc/Info)• modelli data base object oriented (ArcView, Smallworld, anche se ArcView presenta i dati all’utente come RDBMS)

26/11/2008

13


Dati territoriali e tematici

Dati territoriali (dove)• specificano localizzazioni• memorizzati in uno shape file (in ArcView)

Dati tematici (descrittivi) (cosa e quanto)• specificano caratteristiche di quel luogo, naturali o artificiali• memorizzati in una tabella di un data base

I GIS tradizionalmente memorizzano separatamente dati territoriali e tematici, prevedendo un join per visualizzazione ed analisi• per esempio, in ArcView, la tabella Attributes of … è usata per collegare uno shape file con una tabella db contenente informazioni tematiche quando si visualizzano tali dati.


Tipi di dati territoriali

continui: elevazione, piogge, temperaturearee:• non limitati: utilizzo terreni, aree di mercato, tipi di rocce

• limitati: confini di città/comuni/stati, proprietà, zonizzazioni

• in movimento: masse d’aria, branchi di animali.reti: strade, reti trasmissive, reti idrichepunti:• fissi: pozzi, lampade stradali, indirizzi, ...• mobili: automobili, singoli animali, ...

26/11/2008

14

Modelli di dati spaziali

Il modello di dati spaziali ad oggetti • gli oggetti geografici hanno un’identità e dei confini nitidi ben definiti da punti, linee, poligoni, ecc:

• È naturalmente associato a una rappresentazione vettoriale

Il modello di dati spaziali a campo (field-based) • gli oggetti geografici si estendono su tutto il dominio spaziale (funzioni continue, funzioni derivabili, celle regolari o irregolari).

• È naturalmente associato a una rappresentazione raster o grid. Adatto per rappresentare temi che variano in modo continuo sul dominio spaziale (proprietà fisiche, diffusione di inquinanti, ecc)



Tipi di dati GIS: Raster

Dati raster• i luoghi sono referenziati per mezzo di una griglia di celle in un array bidimensionale

• gli attributi sono rappresentati come valori associati alle celle• i dati di solito derivano da:

� immagini da remote sensing (LANDSAT, SPOT)� mappe scannerizzate

• appropriati per caratteristiche continue:� elevazione� temperatura� tipi di suolo� utilizzo dei terreni

26/11/2008

15


Tipi di dati GIS: Vettoriale

Dati vettoriali• i luoghi sono referenziati da coordinate x,y, e possono essere collegati per formare linee o poligoni

• gli attributi sono referenziati per mezzo di identificatori univoci in tabelle

• appropriati per caratteristiche con confini ben definiti: property lines� confini politici / amministrativi � trasporti


Vettoriale e Raster

0 F A1 F A2 C F3 F4 F F5 F6 F A A C7 F A A8 F9 F

Mondo reale

Rappresentazione VettorialeRappresentazione Raster

linea

poligono

punto

26/11/2008

16


Raster e vettoriale


RDBMS: EsempiParcel Table

Parcel # Address Block $ Value8 501 N Hi 1 105,4509 590 N Hi 2 89,780

36 1001 W. Main 4 101,50075 1175 W. 1st 12 98,000

Geography TableBlock District Tract City

1 A 101 Dallas2 B 101 Dallas4 B 105 Dallas12 E 202 Garland

26/11/2008

17


RDBMS: Esempi

Nei sistemi raster ogni cella ha un ID implicito dafinito dalle sue coordinate di riga e colonna. L’analisi geometrica è basata sull’ordinamento nella griglia delle celle.

In in sistema vettoriale viene assgnato un ID specifico ad ogni elemento della mappa. L’ID collega le coordinate spaziali all’informazione alfanumerica relativa all’elemento.


DBMS ripasso: modello relazionaleUna relazione è una tabellaHa un nome, uno schema e un contenutoLo schema definisce gli attributi (colonne) e i relativi tipi o dominiUn dominio definisce un insieme di valori ammissibili per il corrispondente attributo.ESEMPIO: STRADE

CODICE CLASSE ENTE

int Char(2) Char(15)

1 AA IRI

56 SP Prov.FC

11 SC Com.Ces.

1 SP Prov.FC

11 SS ANAS

34 SC Com.Ces

Nome

TipoSchema

Contenuto

Attributi

26/11/2008

18


DBMS ripasso: Relazione

Dati i domini (insiemi) D1, D2, …. , Dn, una relazione R è un sottinsieme del prodotto cartesiano dei domini

R ⊆⊆⊆⊆ D1 ×××× D2 ×××× D3 ×××× … Dn

Esempio:STRADE ⊆⊆⊆⊆ CODICE ×××× CLASSE ×××× ENTE

La definizione algebrica fornisce una interpretazione della tabella che permette di associarle operazioni formalmente ben definite


DBMS ripasso: ChiaveUna chiave è un insieme di attributi i cui valori identificano univocamente una tupla (riga) della relazione

STRADE CODICE CLASSE ENTE


1 AA IRI

56 SP Prov.FC

11 SC Com.Ces.

1 SP Prov.FC

11 SS ANAS

34 SC Com.Ces

Chiave

26/11/2008

19


DBMS ripasso: NormalizzazioneLa normalizzazione consiste nel decomporre le relazioni in modo che gli attributi dipendano direttamente dalla chiave.Ad. es., estendendo la relazione STRADE con gli attributi che definiscono la SEDE e il num. di dipendenti dell’ente gestore, si hanno attributi che non dipendono dalla chiave di strade ma dell’attributo ENTE.

CODICE CLASSE ENTE SEDE DIPint Char(2) Char(15) Char(9) int

1 AA IRI Roma 700056 SP Prov.FC Forlì 30011 SC Com.Ces. Cesena 7001 SP Prov.FC Forlì 30011 SS ANAS Roma 400034 SC Com.Ces Cesena 700


DBMS ripasso: Normalizzazione

La normalizzazione della tabella del lucido precedente porta alle due tabelle seguenti.

CODICE CLASSE ENTE


1 AA IRI

56 SP Prov.FC

11 SC Com.Ces.

1 SP Prov.FC

11 SS ANAS

34 SC Com.Ces

NOME SEDE DIPChar(15) Char(9) intIRI Roma 7000

Prov.FC Forlì 300

Com.Ces.

Cesena 700

ANAS Roma 4000

26/11/2008

20


DBMS ripasso: Integrità referenzialeL’integrità referenziale stabilisce a livello di schema (cioè di proprietà generale) che i valori di un attributo di una relazione devono essere un sottinsieme dei valori di un altro attributo (di solito di un’altra relazione).

ESEMPIO: STRADE.ENTE ⊆⊆⊆⊆ GESTORI.NOME

NOME SEDE DIPChar(15) Char(9) intIRI Roma 7000

Prov.FC Forlì 300

Com.Ces.

Cesena 700

ANAS Roma 4000

CODICE CLASSE ENTE


1 AA IRI

56 SP Prov.FC

11 SC Com.Ces.

1 SP Prov.FC

11 SS ANAS

34 SC Com.Ces


DBMS ripasso: SQL

SQL è un linguaggio standard di interrogazione di database.Selezione e proiezione sono due dei principali operatori relazionali.Un predicato è una formula booleana ottenuta combinando condizioni sui valori degli attributi tramite operatori logici (AND, OR, NOT).Una selezione elimina da una relazione le tuple che non soddisfano il predicato di selezione.Una proiezione elimina le colonne che non sono indicate nella lista di attributi della proiezione.

26/11/2008

21


DBMS ripasso: SQL

L‘operazione di join rappresenta il terzo operatore relazionale considerato.

Il join permette di costruire una relazione concatenando le tuple di due relazioni che soddisfano il predicato di join.

Ad.es. si può eseguire il join delle relazioni STRADE e GESTORI con il predicato di join

STRADE.ENTE = GESTORI.NOME

Ottenendo la tabella non normalizzata.


DBMS ripasso: SQLLe operazioni si selezione, proiezione e join sono alla base di SQL.La struttura fondamentale select — from — where di una query SQL è mostrata nell’esempio:

Select SEDEFrom STRADE, GESTORI

Where STRADE.ENTE=GESTORI.NOME

and STRADE.CLASSE=“SS”

Che fornisce come risultato “Roma”.

Il linguaggio SQL ovviamente contiene molte altre caratteristiche:• Quantificatori universale e esistenziale• Aggregazione (Group by)• Funzioni aggregate (sum, count, average, … )• …

Proiezione

Join

Selezione

Sistemi Informativi Geografici...

Documents

Transcript of Sistemi Informativi Geografici...