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Modulo introduttivo: i Sistemi Informativi Geografici (GIS)
Gaia Gullotta 14-15 Maggio 2014, Castrignano dei Greci – Laboratori dal Basso (LdB)
Modulo introduttivo: i Sistemi Informativi Geografici
• Cos’è un GIS ed il suo potenziale applicativo • Modelli di rappresentazione e relazioni spaziali • Coordinate e sistemi di proiezione • Tabelle attributi e loro gestione • Principali strumenti operativi e di analisi • Simbologia cartografica e layout di stampa • Introduzione al telerilevamento • Standard OGC • Risorse sul web ed esercizi di fotointerpretazione
I
n
d
i
c
e
Tipologie di informazioni in un GIS
Nei GIS coesistono informazioni di natura diversa: - Carte e mappe
- Immagini - Dati digitali - Dati testuali - Tabelle - GPS
I sistemi GIS consentono l’analisi e l’integrazione di tali dati
DATI
GEOGRAFICI E
ALFANUMERICI
Modelli di rappresentazione
Esistono due modelli principali per descrivere la componente geografica della realtà:
Modello vettoriale
Modello raster
Modelli di rappresentazione
Un modello è un insieme di costrutti per rappresentare aspetti del mondo reale (entità geografiche) e le relazioni che intercorrono tra di essi il più possibile vicino al vero.
Un modello è dunque un’astrazione della realtà. Modelli diversi hanno strutture diverse e rispondono ad esigenze diverse
Modelli di rappresentazione
Le relazioni che intercorrono tra gli oggetti geografici dei modelli sono studiate dalla topologia
Figure diverse per la geometria classica, equivalenti per la topologia, perché deformabili una nell’altra senza rotture e sovrapposizioni. Sono tutte curve chiuse semplici.
“La topologia ( dal greco τόπος, "luogo", e λόγος, "studio") è una branca
della matematica che studia le proprietà geometriche delle figure che non
dipendono dalla nozione di misura, ma sono legate a problemi di
deformazione delle figure stesse”.
Modelli di rappresentazione
- MODELLO VETTORIALE:
Gli oggetti vettoriali sono costituiti da semplici elementi (detti “primitive”) quali: punti, linee ed aree.
Oggetti puntuali (es. alberi, pozzi, ecc.) sono rappresentati da una coppia di coordinate x,y
Elementi lineari (es. strade, fiumi, ecc.) sono rappresentati da una serie di punti, quindi di coordinate x,y Elementi areali (es.
parchi, bacini idrografici, ecc.) sono rappresentati da poligoni, quindi da archi e punti
Modelli di rappresentazione
- MODELLO RASTER:
Le caratteristiche geometriche di un dato oggetto o fenomeno sono rappresentate da una griglia di celle uniformi. Ad ogni cella è associata la sua coppia di coordinate che ne identifica la posizione nello spazio. Ad ogni cella inoltre è associato un valore (in genere numerico) che misura un attributo geografico.
Modelli di rappresentazione
- 4 tipologie di RASTER:
1) Fisico: il valore in ogni cella esprime la misura di una grandezza continua. Es. elevazione del terreno, pendenza, temperatura.
Il valore può riferirsi a: valore misurato al centro della cella; valore medio della cella; valore estremo nella cella (min o max).
Modelli di rappresentazione
- 4 tipologie di RASTER:
2) Classificato: i valori nelle celle sono
numeri interi a cui è associata una tabella
come per gli shapefile. Ottenuto in genere
da un raster fisico come risultato di una
riclassificazione.
Modelli di rappresentazione
- 4 tipologie di RASTER:
3) Immagine: ad ogni cella del raster è associato un numero, che esprime la quantità di energia elettromagnetica riflessa o emessa dalla superficie terrestre o rilevata come impulsi di ritorno da fonti artificiali: radar e sensori laser. L’unità spaziale elementare (cella del raster) è chiamata pixel (picture element)
Modelli di rappresentazione
- 4 tipologie di RASTER:
4) Cartografico: generato dalla scannerizzazione di cartografie. Ad ogni cella del raster è associato un valore binario (0,1), in funzione della presenza o meno del tratto grafico.
Non si tratta del valore di un attributo geografico o di una classe di appartenenza
Modelli a confronto
RASTER VETTORIALE
Modelli a confronto
RASTER
VETTORIALE
Modelli a confronto
Nei GIS dati vettoriali e raster coesistono e sono integrati. In genere il modello vettoriale è applicato ai dati discreti, quello raster invece per i dati continui.
Tipologie di dati
- DISCRETO
Il valore ha una distribuzione discontinua, si tratta di elementi
reali che hanno limiti distinti. Es.: edifici,
fiumi, i confini regionali, strade ecc.
Tipologie di dati
- CONTINUO
I valori hanno distribuzione continua, sono in funzione della posizione e si possono misurare in ogni punto
Modelli a confronto
- LA RISOLUZIONE
I dati vettoriali possono subire modifiche, infatti una figura vettoriale si può ingrandire, rimpicciolire, ma manterrà sempre inalterate: definizione e qualità.
Si parla di modello “scalabile”, perché indipendente dalla risoluzione
La risoluzione dei dati raster dipende dalla numero di celle (pixel) nell’unità di misura, che in genere è il pollice (2,54 cm).
Modelli a confronto
Si può passare da un modello all’altro e quindi si possono convertire dati vettoriali in raster e dati raster in vettoriale.
Modello vettoriale
Modello raster
Modelli a confronto
Modello vettoriale
Modello raster VS
vantaggi
svantaggi
-Serve meno
memoria di massa
rispetto ai raster
- Output grafico più
apprezzato
- Alcune analisi sono
più laboriose a causa
di una struttura dati
più complessa
- Serve molta memoria di massa
- la rappresentazione delle
relazioni topologiche ed alcune
procedure (trasformazioni
proiettive) sono più complesse
- Struttura dei dati
più semplice e
semplici procedure
di analisi spaziale
I formati dei dati
A diverse tipologie di dati corrispondono diversi formati:
- Formato Shapefile - Formato Grid - Formato TIN - Altri formati
I formati dei dati
Formato vettoriale che contiene la geometria e gli attributi di un elemento spaziale (punto, linea, poligono). Lo shapefile comprende 3 file con stesso nome, ma con estensioni diverse:
- FORMATO SHAPEFILE
1) File contenente la geometria – estensione shp
2) File per la gestione degli attributi (database) – estensione dbf
3) File contenente l’indice delle geometrie – estensione shx
I formati dei dati
file opzionali:
4) File contenente la legenda – estensione avl
5) File contenenti indici spaziali – estensione sbn e sbx
6) File contenente indici sugli attributi – estensione aih e ain
7) File contenente i metadati – estensione shx
8) File contenente l’informazione sul sistema di coordinate – estensione prj
- FORMATO SHAPEFILE
I formati dei dati
9) Layer file deriva dalla possibile personalizzazione dello shapefile che viene memorizzata in questo file con estensione lyr, che, salvato individualmente, può essere richiamato per altre mappe.
- FORMATO SHAPEFILE
I layers possono costituire anche gruppi (Group layer) con
specifici parametri e proprietà, richiamabili secondo le esigenze.
I formati dei dati
- FORMATO GRID (Esri GRID)
Particolare formato raster della Esri.
Un grid è una matrice di colonne e righe che genera quadrati uniformi detti “celle”. Ad ogni cella è associato un valore numerico, misura di un attributo geografico.
Si tratta di un set di file relazionati tra loro.
I formati dei dati
- FORMATO ASCII grid
Unico file con l’estensione della griglia, i parametri di georeferenziazione in un sistema di riferimento e i valori di ogni singola cella.
Formato raster non proprietario che consente di importare ed esportare grid data in altri prodotti.
I formati dei dati
- FORMATO TIN
Nel formato TIN lo spazio viene considerato come un insieme di triangoli non sovrapposti e con dimensione variabile.
Utilizzato nella rappresentazione della superficie topografica. Risultato migliore rispetto al GRID. Può essere creato a partire da insiemi di punti ed archi. La struttura Tin infatti è composta da vertici con coordinate x, y, z e da archi che connettono tali punti formando triangoli
I formati dei dati
- GeoTIFF: rispetto al TIFF ha anche la componente geografica
- ALTRI FORMATI
- TIFF: (=“Tagged Image File Format”) formato immagine molto diffuso
per la sua qualità. Estensione: tiff o .tif
- IMG: file immagine utilizzato da ERDAS IMAGE per memorizzare i raster
- JPG: formato immagine compresso a perdita di informazioni (qualità)
- bitmap: formato immagine non compresso con estensione .bmp sviluppato da Microsoft
Mappe e concetti spaziali
Astrazione soggettiva delle caratteristiche del mondo reale, dove viene riportata la distribuzione degli oggetti che lo compongono, fornendo implicitamente anche le relazioni spaziali che intercorrono tra essi.
Relazioni spaziali degli elementi di una mappa
Connettività
Adiacenza
Intersezione
Posizione relativa
Differenza di quota
Contenimento
A B
A B
A
B
B
A
A
B
A B C
La scala di una mappa
La scala: rapporto tra una lunghezza misurata sulla carta e la corrispondente lunghezza sulla superficie terrestre.
1:N
N piccolo (<150 000) scala grande N grande (>150 000) scala piccola
Scala grafica
La scala in un GIS
• GIS è un sistema multiscala
• tenere sempre presente la scala dei dataset che si importano in un Sistema Informativo Geografico, soprattutto quando si studiano le relazioni tra i differenti layers
• quando si costruisce una mappa ex novo stabilire la scala a cui si vuole operare
Classificazione delle carte geografiche
Le carte geografiche possono essere classificate secondo 3 criteri:
- la scala
- il contenuto
- il metodo di costruzione
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo la scala si distinguono:
PIANTE E MAPPE
Scala maggiore di 1: 10.000
Carte molto dettagliate.
Piante in genere
rappresentano la planimetria
dei centri urbani. Le mappe
invece per le aree rurali e
naturali.
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo la scala si distinguono:
CARTE TOPOGRAFICHE
Scala 1: 10.000 –
1: 150 000
Carte dettagliate sia per
gli elementi naturali che
antropici.
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo la scala si distinguono:
CARTE
COROGRAFICHE
Scala 1: 150.000 –
1: 1000 000
Rappresentano
porzioni abbastanza
estese della superficie
terrestre e con discreti
particolari (es. le vie di
comunicazione). Es.
carte regionali.
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo la scala si distinguono:
CARTE GEOGRAFICHE
Scala minore di
1: 1000 000
Rappresentano porzioni
molto estese della
superficie terrestre: uno
o più Stati, un intero
continente o l’intera
superficie terrestre
(mappamondi e
planisferi)
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo il contenuto si distinguono:
CARTE GENERALI
Rappresentano i soli
elementi naturali
(carte fisiche) o gli
elementi antropici
(carte politiche),
oppure entrambi
contemporaneamente
(carte fisico-
politiche)
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo il contenuto si distinguono:
CARTE SPECIALI
Costruite per uno
scopo ben preciso.
Es.: carte nautiche ,
carte aeronautiche,
carte turistiche , ecc.
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo il contenuto si distinguono:
CARTE TEMATICHE
Riguardano particolari
aspetti: biologici, fisici,
antropici, ecc.
Es.: carte della
vegetazione,
climatiche,
etnologiche,
economiche ecc.
Classificazione delle carte geografiche
- Secondo il metodo di costruzione si distinguono:
CARTE RILEVATE
Costruite a partire da
misure dirette sul
terreno o da fotografia
aerea
CARTE DERIVATE
Ottenute dalle rilevate,
attraverso riduzioni e
semplificazioni
Classificazione delle carte geografiche
Negli ultimi decenni grande impulso
hanno avuto le fotografie di ampie
porzioni di superficie terrestre,
scattate da aerei appositamente
equipaggiati o da satelliti.
Tali aerofotografie ed
immagini satellitari non
possono però essere
considerate “carte
geografiche” vere e
proprie, perché mancanti
dell’opportuno simbolismo.
Ma trovano grande
impiego nella
realizzazione di carte
geografiche (carte
rilevate).
Classificazione delle carte geografiche
ORTOFOTO
Fotografia aerea che è stata corretta geometricamente e georeferenziata (ortorettificata) in modo da rendere uniforme la scala della foto. Per questo motivo si può assimilare ad una mappa.
Classificazione delle carte geografiche
Nella cartografia storica ci sono molti esempi di mappe con assenza di criteri geometrici unitari, quindi non possono essere georeferenziate ed inserite in un sistema GIS. Nonostante ciò continuano ad essere spesso fonte di interessanti informazioni.
Classificazione delle carte geografiche
“ATLANTE” È una raccolta sistematica di carte a piccola scala di regioni e continenti. Sono comprese numerose carte tematiche e speciali. “Atlante” termine, con richiamo mitologico usato dal famoso geografo Mercatore per la sua raccolta di carte.
Bib
liog
rafia
ACCORDI B., LUPIA PALMIERI E., PAROTTO M., 1993-Il globo terrestre e la sua evoluzione.
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BARBONI R., 2001-fondamenti di aerospaziale, volume I, ESAGRAFICA, Roma.
CASTIGLIONI G.B., 2000 - Geomorfologia, Utet, Torino.
FUSCO L., LORET E., MINCHELLA A., ANTUNES J. - Il progetto Bacchus, un’applicazione di
tecniche avanzate per il rilevamento e la gestione di superfici vitate. ESA-Esrin & Università di Tor
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GULLOTTA G. "Applicazione di tecniche di analisi del paesaggio per il settore settentrionale del
Vulcano Laziale" - Degree thesis, University of Rome Sapienza, 2010
ISPRA, 2008 - Indicatori di Biodiversità per la sostenibilità in agricoltura/linee guida, strumenti e
metodi per la valutazione della qualità degli agroecosistemi.
ISPRA - SINAnet, 2005 - La realizzazione in Italia del Progetto europeo Corine Land Cover 2000.
LORET E., PESOLILLO S. & PECCI A. - Analisi ed integrazione di dati bioclimatici nel WebGIS
Divino. ESA-Esrin, ISAC/CNR, Università di Tor Vergata – Dip. di ING.CIV.
MIGANI M. & SALERNO G., 2009 - Manuale ArcGIS. D. Flaccovio Editore.
Siti internet:
www.esa.int
www.isprambiente.it
http://www.opengeospatial.org/
http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=welcome