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1Alessandro Furieri, Spatial Is Not SpecialPerugia, 27 ott 2012 GNU/Linux User Group Perugia – www.perugiagnulug.org

Spatial is not Specialcosa sono le tecnologie GeoSpatial e perche' stanno diventando

sempre piu' strategiche e pervasive. Il ruolo del GFOSS (GeoSpatial Free and Open Source Software)

a presidio della liberta' di informazione e di scelta per tutti

Alessandro Furieri - Presidente di GFOSS.it, l'associazione italianaper l'informazione geografica libera


Cartografia storica – Nolli / Piranesi 1748


Cartografia convenzionale

una mappa accurata è il frutto di processo lungo, faticoso e costoso

richiede necessariamente l'impiego di un elevato numero di rilevatori molto qualificati

richiede l'uso di particolari strumentazioni tecniche, ma richiede anche doti artistiche

quindi non stupisce scoprire che il ciclo di produzione e di aggiornamento aveva durata ultra-decenale !!!


GIS – Geographic Information System

Salto di tecnologia

l'informatica come supporto cartografico intelligente, con capacità di elaborazione: nascono i sistemi informativi territoriali.

strumenti con un taglio decisamente specialistico, rivolti ad un'utenza molto selezionata e professionale.

Pubblica Amministrazione ed indotto; uso praticamente nullo nell'industria privata.

Spatial Is Special !!!


Cartografia: usi professionali e gente comune


Nuovi scenari, nuove opportunità

tablet e smart phones dotati di GPS e connessione WEB integrata.

sono ovviamente la mappa perfetta; la cartografia sbarca sul mercato mass consumer

nel nuovo scenario il vecchio paradigma GIS Spatial Is Special mostra limiti evidenti

ora servono soluzioni aperte, modulari, basate su componenti universali ed interoperabili; Spatial Is Not Special !!!


ma anche nuove sfide e nuove insidie

applicazioni e dati ormai sono un tutt'uno; vecchie certezze si infrangono.

il codice non è più centrale; ora sono i dati l'elemento strategico; chi controlla i dati ed i servizi web di consultazione controlla il mercato.

lo scenario cloud + mobiles rischia di produrre monopoli globali di dimensioni inaudite

le mappe sono uno dei fronti caldi della guerra per il dominio dei nuovi mercati.


un nuovo pericolo si affaccia all'orizzonte

walled gardens: splendidi giardini accoglienti ma circondati da un muro chiuso invalicabile

l'ingresso è completamente gratuito per tutti

ma una volta entrati dentro qualsiasi libertà svanisce

il giardiniere decide tutto; l'ospite è totalmente passivo

i servizi cartografici web su scala globale sono belli, comodi e facili da usare: ma sono esattamente walled gardens


l'alternativa open / free

il Web è lo spazio ideale per la condivisione di dati e servizi su base collaborativa.

è terreno di conquista per i monopoli; ma è anche il terreno ottimale per la crescita delle communities.

è decisamente poco credibile che una multinazionale possa conoscere il territorio locale meglio di chi ci vive.

open data + sw libero + servizi condivisi: non siamo disarmati, abbiamo molte buone frecce nell'arco


La babele dei formati proprietari

per lunghi decenni il settore GIS / GeoSpatial si è sviluppato dentro ad una nicchia impermeabile chiusa verso l'esterno e dominata da pochissimi vendors.

ne è derivata una nefasta proliferazione di formati e protocolli (spesso chiusi e proprietari): giustificati più da strategie di marketing che da reali esigenze tecnologiche.

spesso l'interoperabilità è solo un vago miraggio.


Gli standard internazionali

OGC: Open GeoSpatial Consortium

dati standard: Spatial SQL

servizi OWS: OGC Web Services; protocolli standard basati su schemi formali XML– GML, WMS, WFS, WFS-T,

WMTS, WCS, WPS, SOS, CSW, SLD/SE ...

il rispetto scrupoloso degli standard garantisce una buona interoperabilità; e tutela gli investimenti sul lungo periodo


L'ecosistema GFOSS

L'offerta di SW FLOSS è particolarmente ricca in ambito GeoSpatial (GFOSS)

Sono disponibili librerie e packages per i più svariati ambiti applicativi

In molti casi è addirittura possibile scegliere tra più progetti alternativi

Il ruolo delle comunità GFOSS e degli sviluppatori italiani è decisamente rilevante a livello mondiale


Spatial DBMS free sw

Basati su standard Spatial SQL - ISO SQL/MM

PostgreSQL + PostGIS– robusto DBMS client-server

di fascia enterprise– potente e sofisticato:

complesso

SQLite + SpatiaLite– Personal DBMS– semplice e leggero: facile– tanto leggero che gira

persino su Android


componenti WebGis

Basati su servizi standard OWS: WMS, WFS, WCS ...

GeoServer: un potente server cartografico Java

MapServer: un altro server cartografico CGI / FastCGI

GeoNetwork: un server Java per i servizi di catalogazione / aggregazione

OpenLayers: una libreria JavaScript che trasforma Firefox in un app cartografica sofisticata


Applicazioni desktop GIS

Strumenti fortemente specialistici, rivolti all'utenza molto professionale

GRASS: molto potente, largamente utilizzato per la ricerca scientifica

QGIS: un desktop GIS professionale molto diffuso

gvSIG: un altro desktop GIS professionale (in Java)

uDIG, OpenJump e tanti, tanti altri ...


La vera potenza invisibile: le librerie

PROJ.4 [C]: supporta le operazioni di riproiezione tra SRS differenti

GEOS [C++]: supporta le principali operazioni geometriche e topologiche

GDAL / OGR [C / C++ / Python]: consente l'accesso a praticamente tutti i formati Raster e Vector, sia open che proprietari

Oltre naturalmente alle consuete librerie FLOSS: – libtiff, libpng, libjpeg, zlib, expat, libxml2, libiconv, gsl,

openssl, libcurl …

In ambito Java: JTS e GeoTools


Ma di cosa stiamo parlando ? come funziona ?


l'ABC del GeoSpatial: RASTER / VECTOR

RasterVector


Immagini Raster

Un'immagine raster è una matrice rettangolare di celle chiamate pixels

ciascun singolo pixel è caratterizzato da una tripletta RGB

oppure da un indice di colore che permette di ottenere un valore RGB tramite una palette predefinita

ma un valore-cella può anche rappresentare una qualsiasi grandezza fisica

visualizzazione a falsi colori


Immagini Raster: il DEM SRTM

Shuttle Radar Topography Mission

Febbraio 2001: navetta Endeavour, missione della durata di 11 giorni

un radar interferometrico ad apertura sintetica ha misurato l'elevazione della superficie terrestre

il risultato è un Digital Elevation Model a 90m di risoluzione

sono Open Data (public domain) grazie a NASA ed USGS


SRTM DEM: visualizzazione a falsi colori

Gargano #1 Gargano #2


SRTM DEM: evidenziare il rilievo

un DEM consente di calcolare facilmente le ombreggiature

basta estrarre ciascun blocchetto di 3x3 pixels, calcolare orientazione ed inclinazione del blocchetto in esame e quindi si ottiene l'angolo di incidenza dei raggi emessi da un falso sole

l'effetto finale consente di ottenere una cartografia di grande impatto visivo e facilmente leggibile Gargano shadow-relief


SRTM DEM: falsi colori effetto 3D

Gargano #1 Gargano #2


Immagini Raster: foto satellitari - Landsat7

Lanciato in orbita il 15 Aprile 1999 e tuttora funzionante (parzialmente guasto dal 31 Maggio 2003)

il progenitore Landsat 5 funziona ininterrottamente dal 1 Marzo 1984

sensori ottici: banda luce visibile (Red, Green, Blue) IR (near, mid); risoluzione 30m

banda pancromatica (B&N): 15m, banda IR termico: 60m

sono Open Data (public domain) grazie a NASA ed USGS


foto satellitari - Landsat7

orbita polare eliosincrona

quota 705 Km; passaggio diurno discendente Nord/Sud

ogni 232 orbite torna a passare esattamente sullo stesso punto; cioè ha un tempo di ritorno di 16 giorni

la banca dati Lansat rappresenta una memoria storica ultra-decennale (a partire dagli anni '70)

ha un enorme valore scientifico, specie per gli studi ambientali


Landsat7: l'Italia vista dallo spazio

Fiumicino Roma


OrbView: 4m/px ed 1m/px

Foce Albegna Trieste FS


Altri raster: mappe delle temperature

Ottobre Gennaio


Immagini Raster: vecchie mappe

I raster non sono solo DEM e foto aeree e/o satellitari

possono anche rappresentare mappe convenzionali (cartacee) opportunamente scannerizzate

p.es. mappe topografiche militari o catastali

in questo modo si recupera, si valorizza e si conserva un vasto patrimonio di conoscenze storiche pre-esistenti


Criticità delle mappe Raster

i raster possono essere visualizzati a scala ridotta (downsampling interpolato)

esiste comunque una barriera insuperabile (pixellation); zoomando oltre la risoluzione nativa i singoli pixels diventano evidenti, e la mappa diventa illeggibile

i raster sono estremamente avidi di memoria e di storage

i raster sono molto pesanti da elaborare


Geometrie Vettoriali

René Descartes detto Cartesio (1596 – 1650); aveva già inventato tutto quello che serve !!!

Geometria Computazionale: l'insieme degli algoritmi che ci consentono di elaborare le informazioni spaziali in modo efficiente e rapido

naturalmente serve anche definire un modello dati standard, che consenta di rappresentare le geometrie in modo inter-operabile.


data-type: Geometry

un nuovo tipo dati: Geometry

visto che è una classe astratta, non può mai essere instanziata direttamente

occorre instanziare piuttosto una delle 7 sotto-classi concrete che derivano dalla classe generica

POINT

LINESTRING

POLYGON

MULTIPOINT

MULTILINESTRING

MULTIPOLYGON

GEOMETRYCOLLECTION


POINT

un punto geometrico

2D [X,Y]

3D [X,Y,Z]

esempi cartografici:– alberi isolati– pali / cartelli stradali– fermate autobus– punti quota– contatori gas / luce /acqua– numeri civici

POI – Point Of Interest– banche, uffici, ristoranti,

musei, bagni pubblici etc


LINESTRING

una sequenza ordinata di vertici; ciascun vertice è connesso al successivo.

2D, 3D

N.B. dato che è un modello vettoriale, i LINESTRING hanno un verso ben preciso

esempi: elettrodotti, strade, ferrovie, acquedotti, fiumi, siepi, muri e recinzioni, filari di alberi, curve di livello

i LINESTRING reali spesso hanno 1000+ vertici


POLYGON

Sicuramente hanno sempre un unico Exterior Ring

opzionalmente, possono avere un numero arbitrario di Interior Rings (buchi)

un Ring è una figura chiusa: può avere verso orario o antiorario

esempi: campi, aiuole, boschi, edifici, laghi, isole, zonizzazioni, confini politici ed amministrativi

i POLYGON reali spesso hanno 1000+ vertici


Notazione WKT (Well Known Text)

POINT(-1.23 9.87)

POINTZ(1.23 9.87 10.12)

LINESTRINGZ(1.23 -9.89 10.12, 2.34 -8.97 11.12, 3.45 -7.67 12.12)

MULTILINESTRING((1 1, 2 2), (3 3, 4 4), (5 5, 6 6))

POLYGON((-1.23 -2.87, -11.23 -2.87,-11.23 -19.87, -1.23 -19.87, -1.23 -2.87), (-4.56 -6.78, -5.56 -6.78, -5.56 -7.78, -4.56 -7.78, -4.56 -6.78))

GEOMETRYCOLLECTIONZ(POINTZ(111.92 -9.87 10.12), POLYGON Z((1.23 -2.87 10.01, 11.23 -2.87 10.02,11.23 -19.87 10.03, 1.23 -19.87 10.04, 1.23 -2.87 10.01), (4.56 -6.78 11.01, 5.56 -6.78 11.02, 5.56 -7.78 11.03, 4.56 -7.78 11.04, 4.56 -6.78 11.01)))


Predicati geospatial

consentono di valutare la relazione spaziale tra due geometrie

Equals ( geom1 , geom2 )

Disjoint ( geom1 , geom2 )

Touches ( geom1 , geom2 )

Within ( geom1 , geom2 )

Overlaps ( geom1 , geom2 )

Crosses ( geom1 , geom2 )

Intersects ( geom1 , geom2 )

Contains ( geom1 , geom2 )

equivalgono agli operatori relazionali == > < !=


Operazioni geospatial

consentono di ottenere nuove geometrie derivate da geometrie esistenti

Intersection (g1, g2)

Union (g1, g2)

Difference (g1, g2)

SymDifference (g1, g2)

Distance(g1, g2)

Buffer(g, radius)

ConvexHull(g)

equivalgono alle operazioni aritmetiche + - * /


Spatial SQL

SELECT r.nomeFROM regioni AS r, regioni AS umbriaWHERE Touches(r.geometry, umbria.geometry) = 1 AND umbria.nome = 'UMBRIA'ORDER BY r.nome

LAZIOMARCHETOSCANA

Standard internazionale ISO SQL/MM (ex OGC-SFS)

è un'estensione del popolare e ben noto SQL

qualsiasi DBMS in grado di supportare lo standard Spatial SQL è uno Spatial DBMS

pieno supporto per il data-type Geometry + ricco set di funzioni Spatial che consentono di effettuare complesse Spatial Analysis

robusto, conforme, efficiente


Spatial Index

un indice di ricerca è una struttura logica che consente di reperire informazioni selezionate in modo veloce ed efficiente

problema dell'ago nel pagliaio; algoritmi di ricerca dicotomica

per le geometrie si applicano gli R-Tree [alberi di rettangoli]

consentono agli Spatial DBMS di gestire enormi moli di dati in modo efficiente e veloce


Vestizione grafica dei dati vettoriali


tutto assieme = mappe vettoriali

estremamente flessibili

vestizione grafica a piacere

zoom a qualsiasi scala

uso efficiente della memoria e dello storage

veloci da processare, supportano anche modalità dinamiche ed interattive

capacità di elaborazione avanzata (Spatial Analysis)

facile integrazione con DBMS; sistemi di consultazione sofisticati e completi


tutto assieme = mappe Raster + Vector


Complicazione: i sistemi di riferimento

La Terra è un ellissoide di rotazione; purtroppo una mappa è un foglio piano (carta, schermo etc)

Le coordinate geografiche si basano sugli angoli di longitudine e latitudine; quindi lunghezze ed aree sono espresse in gradi e gradi quadrati

sistema fisico naturale, basato su poli, equatore e meridiano fondamentale

GPS = WGS84


Complicazione: i sistemi di riferimento

sistemi proiettati / planari

p.es. tramite proiezione trasversa di Mercatore

si ottiene tramite un cilindro (trasverso) tangente al meridiano di riferimento

il fuso centrale di 6 gradi preserva angoli, lunghezze ed aree in modo ottimale

un fuso esteso a 15 gradi è comunque ragionevole

le lunghezze sono espresse in metri, le aree in metri quadrati


Complicazioni: caos in agguato

eredità storiche nazionali: oltre 4.000 diversi sistemi di riferimento utilizzati per fini cartografici in tutto il mondo.

due mappe prodotte in due sistemi diversi ovviamente non si sovrappongono.

fortunatamente esistono algoritmi per la riproiezione dinamica (on-the-fly); i risultati non sono sempre necessariamente precisi.

molto adatti a dati Vector

poco adatti a dati Raster


tiriamo le somme …

Firefox + OpenLayers + OSM Firefox + OpenLayers + GMaps


giacimenti inesplorati tutti da scoprire

le tecnologie ci sono tutte

anche i dati di base sono abbondantemente disponibili

basta solo che le Pubbliche Amministrazione si decidano a renderli disponibili come Open Data !!!

mancano completamente i servizi di qualità localizzati sul territorio; magari abbinati alla geolocalizzazione degli utenti tramite GPS

possono rappresentare una opportunità di sviluppo economico interessante


giacimenti inesplorati tutti da scoprire

possibili settori di interesse:

turismo, beni culturali e naturali, escursionismo

logistica, info-mobilità

business intelligence

coinvolgimento attivo della cittadinanza nella gestione del territorio

servizi di pubblica utilità innovativi

servizi avanzati di assistenza alla persona

sicurezza, protezione civile


GRAZIE PER L'ATTENZIONE

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