Topografia, Cartografia e GIS

Modulo Topografia e Cartografia (6 CFU)

Prof. Carlo Bisci

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La cartografia ufficiale italiana

Per fare cartografia è necessario fissare:

il sistema di riferimento (datum): scelta dell’ellissoide e orientamento

la rete di punti e misure che realizzano il

sistema di riferimento

il tipo di rappresentazione cartografica ed i parametri di applicazione

Primo sistema di riferimento italiano Il primo sistema di

riferimento nazionale fu

istituito in Italia alla fine

dell‟800:

ellissoide di Bessell

orientato in tre punti diversi

(Genova, M. Mario e

Castanea delle Furie),

usando tre sistemi di

riferimento diversi;

rete di triangolazione

compensata a blocchi tra il

1908 e il 1919;

proiezione di Flamsteed

(policentrica) modificata;

Rete fondamentale 1908-1919

Sistema di riferimento catastale Teoricamente, non è più in uso:

ellissoide di Bessel;

orientamento a Genova Istituto

Idrografico della Marina

(definizione astronomica 1902):

rete di triangolazione IGM +

triangolazione catastale

Proiezione Cassini Soldner

(cilindrica trasversa) con 32 origini

differenti, ciascuna riferita al

meridiano passante per il centro di

riferimento Suddivisione in 32 zone

Sistema di riferimento catastale La carta catastale basata sulla proiezione afilattica di Cassini-Soldner, entro un

raggio di circa 70 Km presenta una deformazione lineare massima del 0,006%

nella direzione del meridiano, e nulla nella direzione del parallelo.

Negli ambiti in cui

è utilizzata è

praticamente

equivalente

(caratteristica che

la rende

interessante per

gli usi catastali).

Data la variabilità

locale del sistema

di riferimento, il

passaggio ad altri

sistemi non è

agevole.

Sistema di riferimento Roma40 È il sistema ufficiale italiano in uso:

ellissoide Internazionale (o di

Hayford)

orientamento a Roma Monte Mario

(def. astronomica 1940)

rete di triangolazione compensata a

blocchi tra il 1908 e il 1919, usando

un sistema di riferimento provvisorio

Proiezione Gauss-Boaga su due fusi

(Est e Ovest)

Rete fondamentale Roma40

Sistema di riferimento ED50 È un sistema realizzato per

rendere omogenea la cartografia

a piccola e media scala a livello

europeo:

ellissoide Internazionale (o di

Hayford)

orientamento medio europeo

1950

origine delle longitudini

Greenwitch

Proiezione UTM su tre fusi (32,

33 e 34)

È associato alla rappresentazione

cartografica UTM-ED50 ed è

usato per il taglio della nuova

cartografia ufficiale italiana.

Rete europea 1950

Gauss Boaga Roma 40 - UTM ED 50

diversi parametri della proiezione

(sempre Gauss, ma false origini

diverse)

diverso datum (stesso ellissoide ma

orientato diversamente)

diversa compensazione delle reti che

materializzano il datum.

Per questo motivo il passaggio di tra

sistemi si fa con espressioni

approssimanti (polinomi) valide in ambito

locale.

La cartografia ufficiale italiana riporta entrambi i reticolati.

Dello stesso punto si ricavano quindi due diversi insiemi di coordinate (planimetriche)

che differiscono per:

Sistema di riferimento WGS84

ellissoide WGS84

realizzazioni (usano reti GPS

diverse):

globale: Dipartimento delle

Difesa USA

europea: EUREF89=ETRF89

italiana: IGM95

È il sistema di riferimento

utilizzato dal sistema GPS.

È un sistema cartesiano con asse z coincidente con l‟asse di rotazione

convenzionale terrestre, con un‟ellissoide associata:

Sistema di riferimento ETRS89

Nel periodo 1984 - 1998 il centro di

massa terrestre si è spostato

di circa 2 m (rispetto al sistema di

riferimento delle stelle fisse);

nel sistema IERS il continente

europeo si sposta di circa 3 cm

all‟anno in direzione nord-est.

L‟ETRS89 è materializzato dalla

sottorete europea delle stazioni

dell‟ITRF determinate nel 1989

(ETRF89).

Vengono pubblicate realizzazioni

annuali chiamate ETRFXX, dove

XX indica l‟anno in cui è eseguito il

calcolo delle coordinate dei punti,

es. ETRF90, ETRF2001 ecc..

La superficie della Terra si modifica continuamente; periodicamente si devono

quindi rideterminare le reti che materializzano un sistema di riferimento.

Sistema di riferimento WGS84

Anche il WGS84 è periodicamente

aggiornato, le sue realizzazioni

sono indicate con WGS84 (GXXX),

dove G indica che le misure sono

effettuate con il GPS e XXX indica

la settimana GPS in cui la

realizzazione è resa disponibile.

Ad esempio il WGS84 (G730) è

corrisponde all‟inizio della

settimana GPS 730, cioè il 2

gennaio 1994.

Vengono pubblicati anche i vettori

velocità relativi ad ogni stazione,

che hanno spostamenti orizzontali

massimi dell‟ordine di 7 cm/anno.

La superficie della Terra si modifica continuamente; periodicamente si devono

quindi rideterminare le reti che materializzano un sistema di riferimento.

La rete IGM95 È la realizzazione italiana

del WGS84.

Consiste in una rete di

punti GPS, omogenea per

precisione, che copre

l‟intero territorio nazionale

in modo uniforme.

Per ogni punto sono

fornite:

coordinate nel sistema

ETRS89 (e quindi

WGS84);

parametri di

trasformazione tra

ETRS89 (e quindi

WGS84) e Roma 40 per

zone.

Differenze Roma40 – ED50 – WGS84

I tre sistemi differiscono per

dimensioni (tranne Roma40 ed

ED50) e orientamento dell‟ellissiode.

Le coordinate geografiche dello

stesso punto possono differire anche

di diverse centinaia di metri nei diversi

sistemi.

Per la cartografia a piccola scala le

differenze hanno, all‟interno di un

foglio di cartografia, valore che si può

considerare costante rispetto alla

precisione di determinazione delle

coordinate: l‟IGM ha determinato i

valori di correzione per ogni foglio.

Questi parametri sono calcolati in

modo empirico e non hanno un

preciso significato geometrico.

Sistema di riferimento altimetrico italiano Le quote sono riferite ad un

geoide (superficie equipotenziale

del campo gravitazionale

terrestre) individuato dal punto di

quota zero del mareografo di

Genova (misure 1937–1946) per

l‟Italia continentale, e di Catania

(misure 1965) e di Cagliari

(misure 1955–1957) per le isole.

Il sistema di riferimento

altimetrico è realizzato dalla rete

di livellazione geometrica di alta

precisione IGM.

Il modello Italgeo 2000, calcolato

dal Politecnico di Milano e

distribuito dall‟IGM nell‟ambito del

consorzio IGES, fornisce l‟altezza

del geoide rispetto all‟ellissoide

WGS84 con errori massimi di

qualche decimetro (10 ppm).

Geoide italiano Italgeo 2000

Le quote sono riferite ad un

geoide (superficie

equipotenziale del campo

gravitazionale terrestre)

individuato dal punto di quota

zero del mareografo di

Genova (misure 1937–1946)

per l‟Italia continentale, e di

Catania (misure 1965) e di

Cagliari (misure 1955–1957)

per le isole.

Il sistema di riferimento

altimetrico è realizzato dalla

rete di livellazione geometrica

di alta precisione IGM.

Gauss-Boaga

• proiezione di Gauss (traversa

di Mercatore)

• due fusi (Est e Ovest) di

ampiezza di circa 6°(con 30' di

sovrapposizione):

– da 6°a 12°27‟08”.4 il fuso

Ovest

– da 11°57‟08”.4 a 18°30‟ il

fusoEst

• coordinate piane Gauss-Boaga

con false origini di 2520 km

(fuso E) e di 1500 Km (fuso O).

• coordinate geografiche con

longitudine riferita al meridiano

di Roma M. Mario.

UTM Universale Trasversa di Mercatore

Il sistema UTM è un sistema

cartografico valido per tutta la

superficie terrestre.

In questo sistema il globo è

stato diviso in 60 fusi di 6°

gradi di longitudine ciascuno

intorno ad un meridiano di

riferimento, numerati da O a E

a partire dall‟antimeridiano di

Greenwich.

Il pianeta è stato inoltre

suddiviso da 80°N a 80°S in

20 fasce di 8° di latitudine,

indicate con le lettere

dell‟alfabeto inglese da C a X

andando da S a N.

L‟intersezione di fusi e fasce

determina aree dette zone

(individuate da numero del

fuso + lettera della fascia, es.

27Q)

UTM - Universale Trasversa di Mercatore

Il sistema UTM è abbinato, per la rappresentazione delle zone polari (oltre 80°), alla

proiezione stereografica polare centrata sui due poli (UPS - Universal Polar

Stereographic).

UTM - Universale Trasversa di Mercatore Nel sistema UTM, l‟Italia ricade nei

fusi 32, 33 e, marginalmente, 34;

fasce S e T.

UTM - Universale Trasversa di Mercatore Nel sistema UTM,

vengono individuati

quadrati di 100 km di lato,

designati con due lettere

indicative della riga e della

colonna.

Carta topografica d'Italia

La carta si compone di 278 elementi

alla scala 1:100’000 denominati

fogli, numerati progressivamente,

che hanno le dimensioni di 30’ in

longitudine e 20’ in latitudine.

È realizzata nella rappresentazione

conforme di Gauss ed inquadrata nel

sistema geodetico nazionale

(ellissoide internazionale, orientato

su Roma M. Mario 1940).

La carta è derivata dai rilievi alla

scala 1:25’000 e ha curve di livello

con equidistanza di 50 metri.

Carta topografica d'Italia

I fogli sono pubblicati in due serie (l‟una esclude l‟altra):

-Serie 100V a 5 colori o, per alcuni fogli, a 7 colori, con l‟orografia a sfumo e curve di

livello (La disponibilità di una esclude l‟altra);

- Serie 100L a 3 colori, con i limiti amministrativi e l‟ubicazione delle sedi comunali in

viola.

Carta topografica d'Italia Ciascuno dei fogli è

suddiviso in quattro

quadranti in scala

1:50‟000 (ampi 15‟ di

longitudine per 10‟ di

latitudine) designati da

numeri romani da I a IV.

Ciascun quadrante, a

sua volta, è suddiviso in

quattro tavolette in scala

1:25‟000 (ampie 7.5‟ di

longitudine per 5‟ di

latitudine) , designate

dalla posizione.

Le tavolette possono

essere ulteriormente

suddivise in 4 sezioni in

scala 1:10‟000 (ampie

3.75‟ di longitudine per

2.5‟ di latitudine) ,

designate dalle lettere

maiuscole da A a D.

Carta topografica d'Italia Le tavolette in scala 1:25‟000 (ampie 7.5‟ di longitudine per 5‟ di latitudine) della serie

25 e 25V - rilevate negli anni „50 e ormai obsolete - costituiscono l‟unica copertura

nazionale omogenea completa a scala di dettaglio.

Le versioni più vecchie sono in b/n.

Carta topografica d'Italia La nuova serie (incompleta) in

scala 1:50‟000, formata da 636

fogli (20' in longitudine e 12' in

latitudine) inquadrati nella

rappresentazione UTM basata

sull‟ED50 è derivata dai rilievi

alla scala 1:25000, ha

l'orografia a sfumo e curve di

livello con equidistanza di 25

metri.

Ciascun foglio è suddiviso in 4

tavolette in scala 1:25‟000.

È pubblicata in due serie:

- serie 50 a 6 colori, con

l'orografia a sfumo e curve con

sovrastampa del reticolato

chilometrico in magenta;

- serie 50/L a 3 colori, con

l'orografia a sole curve e con

sovrastampa dei limiti

amministrativi in viola.

Carta topografica d'Italia La serie 25DB attualmente in produzione prosegue la precedente serie 25.

La carta si compone di 2298 elementi denominati sezioni, con dimensioni

di 6' in latitudine e 10' in longitudine.

Le “sezioni” sono ottenute mediante stereorestituzione numerica o derivate

dalla cartografia tecnica regionale (CTR) numerica.

Il sistema di riferimento geodetico è l‟ETRS89, che utilizza l‟ellissoide

GRS80, con reticolato chilometrico nella proiezione UTM.

Il contenuto informativo comprende:

• le opere dell‟uomo,

• l‟idrografia,

• la vegetazione

• l‟orografia

• Il disegno è rapportato alla scala. Ove non è possibile si ricorre ad

appropriata simbolizzazione come nel caso delle curve di livello

(equidistanza di 25 m) per la raffigurazione dell‟orografia

• confini di Stato,

• limiti amministrativi regionali, provinciali e comunali.

La stampa è effettuata in quadricromia.

Il taglio geografico di una “sezione” corrisponde a un quarto di “foglio” della

Carta d‟Italia alla scala 1:50.000 e delimita un territorio di circa 150 kmq.

Ortofotocarte Ortofoto in b/n alla scala 1:5’000 e 1:10’000, ottenute

mediante scansione ad alta risoluzione (1.800 dpi) di

fotogrammi aerei con quota di volo intorno ai 5.000 m

sono disponibili (su CD o su carta) solo per le maggiori

città italiane (capoluoghi regionali e provinciali).

Per l‟ortorettifica viene utilizzato un DTM (modello

digitale del terreno) con passo 20 m per correggere le

variazioni di scala legate all'altimetria.

La georeferenziazione è effettuata con una serie di

punti di controllo (circa 10 GCP per foto), in base ai

quali viene calcolata la funzione di trasformazione che

consente il ricampionamento dell'immagine e

l‟adattamento al sistema di riferimento cartografico

UTM ED50.

La localizzazione dei GCP avviene attraverso l'utilizzo

di cartografia tecnica regionale in scala 1:5.000 e

1:10.000.

Quando l'area è coperta da più fotogrammi questi sono

sottoposti a miglioramento radiometrico tramite

stretching dell'istogramma della distribuzione dei livelli

di grigio.

Per inquadrare l'ortofoto nel sistema di riferimento

scelto e facilitarne l'utilizzo vengono inseriti a margine

il reticolato chilometrico, il reticolato geografico e una

serie di ulteriori informazioni.

Dati digitali vettoriali I dati sono relativi alle curve di livello, integrate con punti quota, acquisite da cartografia

esistente IGM.

La produzione è stata eseguita mediante scanner e/o digitizer utilizzando i tipi di archivio

e riproducendo fedelmente la geometria ivi presente.

Le relative quote sono state successivamente inserite in modo interattivo.

I dati orografici, a diversa scala, coprono l'intero territorio nazionale come riportato nel

quadro d‟ unione in figura.

Le curve di livello (direttrici, intermedie e ausiliarie) ed i punti quota sono stati integrati

con la linea di costa (proveniente dalla cartografia 1:100 000) e i laghi di maggiore

estensione presenti sulle carte topografiche.

I file sono archiviati per elemento cartografico e le coordinate sono UTM-ED50 nel fuso

di appartenenza.

Il formato di scambio è il dwg.

L‟attuale metodologia di produzione delle curve di livello, prevede l‟acquisizione

direttamente in forma numerica mediante restituzione fotogrammetrica; per

generalizzazione, da cartografia tecnica numerica; da un TIN ottenuto in modo

semiautomatico con restitutori digitali.

Quest‟ultima tipologia di dati è inserita nel DB25 (tema altimetria).

Dati digitali raster La cartografia IGM, a tutte le scale, è stata convertita in forma digitale mediante

scansione del supporto cartaceo.

Il dato raster, di tipo RGB, ha una risoluzione di 254 dpi, con una dimensione del pixel

quindi dipendente dalla scala della carta (esempio: scala 1:25.000 pixel = 2.5 m, scala

1:50.000 pixel = 5 m).

Per ottenere omogeneità radiometrica lo scanner a rullo è stato impostato, per ogni

scala, con gli stessi parametri.

La successiva correzione geometrica (georeferezazione) mediante uso di punti di

controllo (GCP), permette di relazionare le coordinate immagini con quelle terreno.

I dati relativi agli elementi cartografici sono forniti in proiezione UTM (ED50 o WGS84)

nel fuso di appartenenza e, nel caso di adiacenza, riproiettate anche nell‟altro fuso.

Per tutti i prodotti esistono versioni con ritaglio lungo le cornici (seamless) per facilitare

eventuali mosaicature.

Per l‟utenza ogni dato è disponibile in formato .tiff in scala di colore ad 8 bit con

associato un file di testo (.tfw) contenente i parametri della georeferenziazione.

Fa eccezione la cartografia serie 100, che viene rilasciata in un formato interno

(convertibile in .tiff con software fornito gratuitamente), proiettata solo in UTM-ED50 e

senza ritaglio della cornice.

Cartografia tecnica regionale Negli ultimi decenni, la produzione delle carte topografiche di base è passata dall‟IGM

alle Regioni, ognuna delle quali ha approntato una carta tecnica regionale in scala

1:10‟000, spesso con stralci a scala minore (1:5‟000 e 1:2‟000), basata sul sistema di

proiezione Gauss Boaga (ED50).

La mancanza di direttive nazionali ha fatto sì che ciascuna Regione elaborasse

autonomamente la propria legenda, rendendo poco confrontabili carte adiacenti prodotte

da Enti diversi.

La mancanza di controlli centrali, inoltre, ha portato a non avere, nelle aree di confine, la

garanzia di omogeneità e continuità del dato.

Le CTR sono disponibili su carta (con contenuti informativi e legende diverse per ogni

Regione) e in formato digitale (diverso da Regione a Regione) presso gli Uffici

cartografici regionali; alcune Regioni consentono di scaricare gratuitamente tanto i dati

vettoriali quanto le basi ortofotografiche, mentre altre li mettono a disposizione solo a

pagamento (somme enormemente diverse da Regione a Regione).

Anche l‟affidabilità dei dati e la data degli aggiornamenti varia fortemente nel territorio

nazionale.