Corso di Laurea Magistrale in
Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio
A.A. 2014-2015
Telerilevamento e GIS
Prof. Ing. Giuseppe Mussumeci
Architettura e funzionalità di una piattaforma GIS
Componenti di una piattaforma GIS
unità di calcolo (elaboratore elettronico)
hardware
software
acquisizione e restituzione di dati di tipo grafico
collegamento in rete
di base: sistema operativo, di rete
gestione di dati territoriali (sw GIS)
gestione di database
banche dati
modelli, strutture e formati dei dati
acquisizione, aggiornamento, elaborazione e restituzione dati
procedure applicative
gestione archivi
modelli di simulazione e rappresentazione
interfacce utente
componente umana
gestori del sistema, informatici, applicativi
utenti generici e decisori
Architettura hardware/software di una piattaforma GIS
(esempio)
Client Applicazione GIS Web
Dati Esterni
Applicazione GIS Web
Dati preesistenti
WEB Server
Browser Web
Browser Web
SQL
ASCII
DOC
PDF
Browser Web
DXF DWG
TIFF JPG
Browser Web
Browser Web
SHP
NTF
Applicazione GIS desktop
Database
SIT
Rete
LAN
Applicazione esterna per modelli
Applicativi
esterni
avanzati
di calcolo
idraulico
GIS Desktop
Client 1
Server di calcolo
GIS Desktop
Client 2
PROCEDURA
IMPORT
GIS Server
GIS Desktop
Client 3
Database di
supporto
+
Dati rilevati sul campo
Form
elettronici di
registrazione
dati
Diagrammi di deployment
Mostrano l'allocazione dei componenti sw nei sistemi informatici utilizzando specifiche
notazioni simboliche (UML – Unified Modeling Language)
Sistema Hardware
Sistema Software
Componente
Sistema Software
Componente
GIS Client Desktop
Esempio di architettura
Operating System
(diagramma di deployment)
Desktop Gis Application
Gis Application
«uses»
Gis Plugins
Web Server
GIS Server
Operating System
Database Server
Server SQL
Web Gis Application
GIS SQL Extensions
Web Server
Stored Procedure
Application Server
Gis Extensions Application
Web Map Render
GIS Analysis System
Web Application
Operating System
TECNOLOGIE
Esempio di diagramma di deployment di una
piattaforma desktopGIS/WebGIS
Funzionalità di una piattaforma GIS
acquisizione/editing
dati geografici
da banche dati, da rilievi in campagna, da cartografia
generazione dati geografici da rilievi e da immagini satellitari
conversione fra strutture di dati (raster-vector)
pre-elaborazione
georeferenziazione, cambio sistema di riferimento,
controllo errori, generalizzazioni e riduzioni
connessioni con DBMS relazionali, controllo e priorità accessi
gestione banche dati
strutturazione DB geografici, estrazione e inserimento dati
storia dati e accessi
analisi spaziale
riclassificazioni e aggregazioni
sovrapposizioni e integrazioni (overlay mapping)
analisi di rete (percorsi ottimali), aree di rispetto (buffer)
analisi raster (classificazione, percorsi minimi, ..), analisi DEM
(pendenza, esposizione, ..)
generazione prodotti
interfacce interattive a menu ed icone, multifinestre
carte tematiche, report statistici, diagrammi, grafici, ..
Editing di dati (geo)grafici (1):
inserimento, creazione, elaborazione e verifica
I supporti informativi disponibili per le applicazioni GIS non sono
sempre in formato digitale; ne consegue che è necessario costruire
nuovi database geografici o convertire in formato digitale quelli
disponibili.
Un software GIS fornisce procedure per generare e trasformare
formati grafici digitali (raster e vector).
Integra le funzioni di editing più comuni e strumenti di verifica che
consentono, anche in modalità automatica (a livello DBMS)
eliminazione di errori che possono essere generati durante la fase di
editing e codifica dei dati (spaziali e non).
(1)
Dati grafici di interesse sono in genere i dati spaziali, quali mappe cartacee, cartografie
numeriche, fotografie aeree, immagini satellitari, listati di misure topografiche puntuali,
sequenze di coordinate GPS, ….
Errori sui dati
Incompletezza dei dati spaziali (mancano punti, linee, ecc.)
Errori nella posizione (errori di digitalizzazione, scarsa qualità del
dato iniziale, ..)
Distorsioni dei dati spaziali (cartografia di base a scala non corretta,
foto aeree, documenti cartacei, ..)
Collegamenti errati tra attributi e dati spaziali (assegnazione errata
degli identificatori univoci)
Attributi errati o incompleti
Operazioni sui dati geografici
Trasformazione del sistema di riferimento e conversione di coordinate (1),
al fine di ricondurre tutti i dati ad un unico sistema di riferimento geografico.
Trasformazione di scala
Classificazione e simbolizzazione dei dati
GEOREFERENZIAZIONE: insieme di azioni che mirano al corretto
posizionamento spaziale degli elementi geografici nel sistema di riferimento
cartografico utilizzato. Si distinguono procedure differenti per i tematismi vettoriali
(cambio del sistema di riferimento e riproiezione) e per i tematismi raster (scalatura e
ricampionamento)
(1)
Gestione dei dati (DBMS)
Gestione (inserimento, aggiornamento, modifica) dei dati geometrici e
degli attributi associati al generico elemento del tematismo (funzionalità
proprie di un DBMS - DataBase Management System).
In genere, i software dispongono di un proprio modulo interno per la
gestione di database e prevedono funzionalità di collegamento con
DBMS esterni.
In ogni caso un sw GIS deve offrire tools per le seguenti operazioni:
creazione di tabelle di dati;
modifica dei dati inseriti e visualizzazione sulla mappa
operazioni di join tra tabelle
acquisizione di dati da database esterni al GIS
import/export di tabelle in vari formati (testuale e binario)
creazione di grafici sulla base dei valori di uno o più campi
Selezione ed analisi spaziale dei dati
Le funzioni di selezione e analisi spaziale dei dati
rappresentano gli strumenti principali attraverso i quali un GIS
è in grado di generare nuovi livelli informativi
individuando o sfruttando le relazioni tra i diversi aspetti della
realtà.
L’operazione di selezione permette di estrarre una o più
entità dal data base geografico, di evidenziare il risultato
sulla mappa e di memorizzare le entità in una struttura
temporanea per eventuali elaborazioni.
Selezione di dati
Selezione tramite puntamento
L’oggetto di interesse viene selezionato sul video con il mouse, dopo avere
attivato la specifica funzione di selezione (singolo oggetto); si possono
selezionare più oggetti attivando la selezione mediante poligono, cerchio o
contorno a mano libera (QGIS).
Selezione tramite condizione sugli attributi
Si possono selezionare gli oggetti che posseggono determinate proprietà,
ponendo una o più condizioni sugli attributi.
Selezione tramite condizione spaziale
La selezione si basa su proprietà geometriche, topologiche, insiemistiche e
geografiche degli oggetti.
In ogni caso, il sistema evidenzia sul video gli oggetti selezionati e
fornisce la relativa tabella di attributi. La selezione può essere salvata
per successive elaborazioni.
Selezione tramite condizione sugli attributi
Selezioni complesse
Query: la selezione avviene formulando una serie di condizioni sugli attributi
delle entità di un tematismo; è possibile utilizzare operatori di diversa natura
(di confronto, logici, matematici, …) anche in combinazione tra loro.
Esempio: strade con larghezza <6m e pendenza 6%.
Tutti gli elementi che posseggono i requisiti richiesti vengono evidenziati sulla
mappa (view) ed anche all'interno della tabella attributi associata, rendendo i
dati disponibili per eventuali elaborazioni.
QUERY BUILDER
Select by expression (QGIS 2.6.0)
QUERY BUILDER
Operatori logici (o booleani)
A
B
A
B
A
B
AND (intersezione)
NOT (esclusione)
OR (inclusione)
A AND B
A NOT B
A OR B
sia A che B
A ma NON B
o A o B, indifferentemente
Analisi dei dati a riferimento spaziale
Funzioni di Geostatistica (spatial statistic): elaborazioni ed analisi di dati
correlati ad un contesto spaziale.
Campi di impiego
Predittivo:
Interpolazione (determinazione approssimata dei valori di una grandezza
a partire da un certo numero di valori noti);
Estrapolazione (estensione dei valori di una grandezza al di fuori del
dominio in cui sono stati rilevati).
Descrittivo:
Identificazione di aree geografiche omogenee;
Identificazione e analisi di correlazioni spaziali;
Aggregazioni in base a caratteristiche spaziali;
Analisi dei dati
Analisi di rete (network analysis): data una rete (insieme di
elementi lineari interconnessi e strutturati logicamente in modo da
costituire un grafo secondo un modello arco-nodo), è possibile
svolgere tre tipologie di analisi:
- carico di rete (esempio: portate nelle aste di un bacino idrografico
soggetto ad eventi piovosi eccezionali);
- ottimizzazione dei percorsi (esempio: itinerario “migliore” per
spostarsi da un nodo A ad un nodo N della rete);
- allocazione di risorse (esempio: verifica della capacità di una rete
stradale di soddisfare la domanda di spostamenti da e per una data
struttura).
Analisi dei dati
Map algebra: estensione dell'algebra matriciale ai dati raster, si basa su un
insieme di operatori che consentono di eseguire complesse analisi spaziali.
Prerequisito:
le mappe raster su cui si opera devono essere ugualmente georeferenziate ed
avere lo stesso numero di righe e di colonne, la stessa scala e uguale
risoluzione geometrica, devono cioè essere SOVRAPPONIBILI.
Partendo da due o più raster
“sovrapponibili” è possibile
produrre un raster in cui il
contenuto radiometrico di
ogni pixel è funzione dei
valori
radiometrici
dei
corrispondenti pixel dei raster
di partenza.
Funzioni di geoprocessing
Buffering: permette di creare, intorno ad un oggetto geografico puntuale,
lineare o poligonale, un’area poligonale con i punti del perimetro esterno tutti
equidistanti dall'oggetto; intorno ad un punto genererà un cerchio; intorno ad
una linea un'area che avrà il perimetro parallelo alla linea stessa; intorno ad
un poligono un’area compresa tra il poligono stesso e un perimetro esterno
parallelo al poligono stesso.
E’ possibile dare una risposta a quesiti del tipo:
- quali abitazioni sono coinvolte dalla costruzione di una strada?
- qual e' il numero di residenti entro 10 chilometri da un centro commerciale?
quali edifici si trovano entro 50 metri dalla condotta del gas?
Asse stradale
Funzioni di geoprocessing
Incrocio:
Incrocio è l’operazione che più di ogni altra esalta le caratteristiche dei GIS come
strumenti per l'integrazione di dati e la creazione di nuova informazione. La funzione di
incrocio opera su due diversi tematismi e ne combina le informazioni creando un nuovo
strato informativo.
Dato un set di tematismi, l’operazione di incrocio può essere effettuata tra il primo e il
secondo set; il risultato, a sua volta, potrà incrociato con un altro set e così via; alcuni
software permettono di effettuare tale operazione direttamente su un numero di strati
maggiore di due.
L’operazione di incrocio tra elementi vettoriali può essere realizzata in varie forme:
• unione (union)
• taglio (clip)
• intersezione (intersect)
• dissolvenza (dissolve)
• collegamento (merge)
GEOPROCESSING
UNIONE
(UNION)
L'operatore sovrappone
un tematismo di overlay
ad un tematismo dato e
produce uno strato
informativo che possiede
estensione e contenuto
di entrambi i tematismi.
input theme
overlay theme
+
strade statali
output theme
=
territorio
provinciale
Strade statali
e territorio
provinciale
GEOPROCESSING
INTERSEZIONE
(INTERSECT)
L'operatore interseca un
tematismo assegnato
(input theme) con gli
elementi di un altro
tematismo (overlay
theme). Il risultato è uno
strato informativo che
contiene gli elementi
intersecati.
La tabella associata
contiene id e attributi
delle entità intersecate
(input theme) e del
poligono di intersezione
(overlay theme).
input theme
+
strade statali
output theme
overlay theme
=
territorio
provinciale
strade statali
intersecate
dal territorio
provinciale
GEOPROCESSING
TAGLIO (CLIP)
L'operatore seleziona,
all'interno di un dato
tematismo (input theme),
gli elementi compresi
all'interno di un
tematismo di “taglio”
(clip theme) senza
alterare gli attributi del
tematismo dato.
La tabella associata
contiene soltanto id e
attributi delle entità
intersecate (input
theme).
input theme
clip theme
+
strade statali
output theme
=
territorio
provinciale
strade statali
interne al
territorio
provinciale
GEOPROCESSING
DIFFERENZA
(DIFERENCE)
L'operatore sottrae al
tematismo di input la
porzione intersecata dal
tematismo di incrocio
(difference theme) senza
alterare gli attributi del
tematismo dato.
difference
theme
input theme
+
riserva
naturale
output theme
=
territorio
provinciale
Territorio prov.
non interessato
dalla riserva
GEOPROCESSING
DISSOLVENZA
(DISSOLVE)
Territori
comunali
L'operatore aggrega gli
elementi del tematismo
(features) in relazione al
valore di un attributo
comune.
Territori
provinciali
Selezione ed analisi dei dati
Considerazioni conclusive
La tecnologia GIS consente di eseguire non solo semplici ricerche di natura grafica e
alfanumerica, ma, soprattutto, sofisticate analisi spaziali (implementazione di modelli,
individuazione di tendenze, predisposizione di scenari, ….) nell'elaborazione delle quali
dimostra tutte le sue potenzialità (generalmente su tematismi in formato GRID).
Esempi di applicazioni:
•selezione/localizzazione in base alle relazioni spaziali ed agli attributi degli oggetti
geografici;
•analisi temporale;
•modellazione di fenomeni, mediante implementazione di relazioni matematiche tra
elementi e attributi;
•valutazioni di idoneità: rispondenza di soluzioni ad obiettivi prefissati;
•valutazione di scenari e soluzioni, anche con procedimenti iterativi di modellazione e
analisi di idoneità;
•analisi di reti, ad esempio per la ricerca del “percorso ottimo” da un'origine ad una
destinazione o la ricerca della risorsa più vicina.
Output (mappe e report)
Produrre output grafici e testuali di alta qualità per “comunicare” i
risultati delle elaborazioni:
cartografie e mappe tematiche;
modelli 3D
grafici e report alfanumerici (tabelle, documenti standard, ecc.).
Il GIS rende la cartografia dinamica, in quanto consente di spostarsi sulla
carta, cambiare la scala di visualizzazione, cambiare la simbologia, mostrare
allo stesso tempo più strati informativi, aprire i contenuti di repository anche
multimediali associati alle features, …..
TIPOLOGIE DI UTENTI E PRIVILEGI DI ACCESSO
Il “valore” di una banca dati e la “sensibilità” dei dati, richiedono la definizione
delle tipologie di utenti che possono utilizzare la piattaforma e i rispettivi
privilegi di accesso.
Un esempio, con riferimento all'uso di una piattaforma Desktop GIS:
SIT-USER: utente con privilegi limitati di consultazione e limiti di accesso, anche
a voci di menù, al quale è consentito effettuare alcune interrogazioni
direttamente nell’ambiente SIT nonché estrarre e stampare tematismi;
OPERATOR: utente con privilegi di inserimento/modifica e consultazione
all’interno dell’ambiente SIT;
SYSMAN: amministratore del sistema con privilegi di gestione dell’intero
sistema; l’amministratore del sistema, oltre all’inserimento, la modifica e la
consultazione, ha la facoltà di definire e modificare la struttura della base dati, di
definire e modificare l’ambiente di lavoro degli operatori, di definire e modificare
le password di accesso, nonché l'assegnazione dei privilegi di accesso agli utenti.
UTENTI
FUNZIONALITA'/CASI D’USO
SIT-USER
OPERATOR
SYSMAN
X
X
X
Editing
X
X
Importazione mappe e dati
X
X
INTERFACCIA DESKTOP
Login
Interrogazioni
X
X
X
Gestione progetti e layer
X
X
X
Navigazione mappa
X
X
X
Stampa di mappe
X
X
X
Esportazione di mappe e dati
X
X
X
Generazione di report statistici e
riassuntivi predefiniti
X
X
X
INTERFACCIA DBMS
Gestione banca dati
X
Gestione utenti
X
FUNZIONALITA' E CASI D'USO
Esempi di schematizzazioni progettuali
Gestione progetti e layer:
casi d'uso
Interfaccia Desktop
Gestione progetti
e layer
«extends»
OPERATOR
«extends»
SIT- USER
«include»
«include»
Gestione progetti
Gestione layer
APPLICATIVO
DESKTOP
Crea progetto
Creazione layer
vettoriale
Apri progetto
Aggiungi layer
vettoriale esistente
SYSMAN
«include»
Apri progetti
recenti
Aggiungi layer «include»
raster esistente
Salva progetti
Elimina layer
Imposta proprietà
progetto
Gestione gruppi
layer
Salva progetto con
nome
Visualizza layer
Modifica Proprietà
layer
FUNZIONALITA' E CASI D'USO
Interfaccia Desktop
Funzionalità
Interfaccia Desktop
Interfaccia Desktop
Editing
«extends»
SYSMAN
Importazioni mappe
e dati
OPERATOR
Login
Interrogazioni
«extends»
Generare report
statistici e riassuntivi
Gestione progetti
e layer
Viste altrimetriche
SIT- USER
Navigazione mappa
Stampa di mappe
Esportazione di
mappe e dati
APPLICATIVO
DESKTOP
Navigazione mappa:
casi d'uso
Interfaccia Desktop
«extends»
Navigazione mappa
OPERATOR
«extends»
SIT- USER
APPLICATIVO DESKTOP
Zoom alla massima
estensione
Zoom su layer
Zoom in
zoom su selezione
Zoom out
SYSMAN
Misura aree
Ricarica mappa
«include»
Vista precedente
Pan
Misura distanze
Navigazione
panoramica
Gestione segnalibri
«include»
Mostra segnalibri
«include»
Aggiungi segnalibro
Interrogazioni:
casi d'uso
Interfaccia Desktop
«extends»
«include»
OPERATOR
SIT- USER
Interrogazioni su
mappa
Interrogazioni
«include»
«include»
«extends»
Interrogazioni
predefinite
SYSMAN
«include»
Interrogazioni per
attributo
Operazioni
topologiche
APPLICATIVO
DESKTOP
Stampa di mappe:
casi d'uso
Interfaccia Desktop
«extends»
Stampa di mappe
OPERATOR
«extends»
SIT- USER
Individuazione
area da stampare
Composizione del
layout di stampa
Stampa in scala
SYSMAN
Stampa su formati
prescelti
APPLICATIVO
DESKTOP
«include»
