Ing. M. PETRI
[email protected]
GIS
Geographic Information System
Sommario
• Storia e significato di GIS
• Tipi di dati
- Raster
- Vettoriale
- TIN
• Tipi di formato di file (sia per raster che per vettoriale)
• Topologia
Cos’è il GIS
GIS - SIT
Il sottoinsieme di una organizzazione finalizzato alla gestione dell’informazione ne
costituisce il Sistema Informativo S.I., comprendente le risorse umane, i dati e le
procedure (è presente in Comuni, Province, Regioni, imprese private, ecc..).
Il Sistema Informatico è l’insieme dell’hardware e software utilizzati per il
trattamento automatico delle informazioni allo scopo di rendere più efficiente il S.I..
Sistemi Informatici per la gestione di Basi di Dati:
• File System (sistemi di archiviazione rudimentali);
• Data Base Management Systems (DBMS);
• DataWarehouse (per l’analisi dei dati).
Una Base di Dati è composta da
• i metadati con lo schema della struttura dei dati;
• i dati (istanza del DB).
Risorse
umane
Dati
S.Informativo
Procedure
Strumenti
Informatici
Cos’è il GIS
Diverse definizioni
Utente
Definizione
Un contenitore di mappe in forma digitale
Cittadino
Uno strumento informatico per risolvere
problemi geografici
Pianificatori, decision makers
Un sistema spaziale di supporto alle decisioni
Scienziati e ricercatori
Uno strumento per scoprire informazioni
altrimenti non leggibili in dati spaziali
Investigatori, scienziati
> 1 milione di
utenti abituali
> 5 milioni di
utenti casuali
WWW
1963
1967
1969
Canada US Bureau ESRI
of Census
1985
GPS
1991
1994
1999
Big
OpenGIS Gis_Day
Book 1 Consortium
2002
Cos’è il GIS
“Almost everything that happens, happens somewhere. Knowing
where something happens is critically important” P.Longley (2001)
Il GIS aggiunge informazione all’analisi statistica (P.Mogorovich).
Comune
Emissioni SO2
(ton/giorno)
Ricoveri per
malattie resp.
Perinello
606
5.1 %
Monteventoso
14
1.1 %
Scalterone
714
0.8 %
Costamara
24
7.3 %
San Gaudenzio
2047
7.3 %
Monteventoso
Scalterone
Perinello
San Gaudenzio
Coefficiente di correlazione fra “Emissioni”
e “Ricoveri” è di 0.38, perciò sembra non
esserci un legame fra i due fenomeni.
Costamara
Cos’è il GIS
Object-Oriented (GIS)
Map-Oriented (CAD)
Cartografia
disegnata
Cartografia
Numerica
GIS
Limitato dalla
scala (5-10)
Illimitato
Illimitato
N° di attributi Minimo (1-3)
Illimitato
Illimitato
N° di strati
informativi
Topologia
No
A livello grafico
Si
Semantica
Segni
Parti di entità
Entità
Elaborazioni
geometriche
No
Si
Si
Elaborazioni
“semantiche”
No
No
Si
Restituzione
flessibile
No
Si, a livello
grafico
Si, a livello di
entità
Cos’è il GIS
Semantica
Elaborazioni “Semantiche”
Alcune operazioni
Cos’è il GIS
Cartografia CTR (Map-Oriented)
Object-Oriented (GIS)
Map-Oriented (CAD)
Per individuare le strade
devo selezionare tutti i
codici che ne delimitano
il contorno.
Cos’è il GIS
Cartografia GeoDB (Object-Oriented)
Object-Oriented (GIS)
Map-Oriented (CAD)
Adesso posso individuare
l’oggetto strada,
differenziandone gli
attributi (sede stradale,
piazza, parcheggio, ecc..)
e posso fare delle query
complesse.
Es. posso selezionare gli
edifici che sono più lontani
di 500 mt da un
parcheggio.
I tipi di dati
(Vettoriale)
(Raster, TIN)
I tipi di dati - Vettoriale
Un dato “Vettoriale” è sempre costituito da due componenti
collegate tra loro in maniera dinamica:
componente geografica - indica la forma geometrica di ciascun
elemento
componente tabellare - contiene tutti gli attributi (in forma
alfanumerica) che descrivono le caratteristiche di ciascun
elemento geometrico
I tipi di dati - Vettoriale
Ad un dato “Vettoriale” è possibile collegare dinamicamente
altri tipi di informazioni, dette “IPERMEDIALI”, quali:
– immagini (*.tiff, *.jpg, *.bmp,….)
– filmati (*.avi, *.mpeg)
– files audio
– intere applicazioni (file *.exe od altro)
– …..
attraverso dei cosiddetti Hyperlink (si vedranno in ArcMap)
I tipi di dati - Vettoriale
•
Dato puntuale
Punti sono coppie di
coordinate
One-to-one relation
between features in
the map and records
in the table.
I tipi di dati - Vettoriale
•
Dato lineare
Linee sono insiemi di punti
che definiscono il proprio
shape
Nodes
Vertices
One-to-one relation
between features in
the map and records
in the table.
I tipi di dati - Vettoriale
•
Dato poligonale
Poligoni sono un
insieme di linee di
contorno (boundaries)
che definiscono una
shape chiusa
One-to-one relation
between features in
the map and records
in the table.
I tipi di dati - Vettoriale
•
ArcGIS usa tre diverse implementazioni di dati vettoriali:
– Coverages
– Shapefiles
– Geodatabases
•
Questi tre diversi tipi di memorizzazione dei dati hanno una diversa metodologia di
registrazione dei dati.
•
Coverages e shapefiles sono modelli file-based, mentre il modello geodatabase è un vero e
proprio database management system (DBMS)
•
Shapefile può contenere solo un tipo primitiva geometrica (linee, punti,ecc..), a differenza
della coverage e del geoDB.
I tipi di dati - Vettoriale
FEATURES
o Coverages sono contenute parzialmente nella propria cartella ed in parte nella cartella
comune INFO (da non cancellare !).
o Shapefiles è composto di almento tre files (con estensione .shp, .shx, .dbf) fino a sette
files (con estensione .sbx, .sbn, .ain and .aih).
o Geodatabase
o E’un formato per la memorizzazione di dati relazionati (dati geometrici, tabulari, ed
immagini) in un database management system (DBMS).
o Il geodatabase segue le fondamentali regole dei modelli relazionali, nei quali
ciascun oggetto ed i suoi attributi sono registrati in una riga della tabella.
o Feature Class: Una collezione di features simili (objects), come per esempio
edifici, fiumi, all’interno di una tabella DBMS.
o Feature Dataset: Una collezione di simili feature classes che condividono lo stesso
dominio spaziale (spatial reference)
I tipi di dati - Vettoriale
Coverages
Shapefiles
Texas
Texas
Counties
Counties.shp
Counties.shx
Counties.dbf
Evap
Evap.shp
Evap.shx
Info
.aat
.pat
.nat
….
Evap.dbf
Il Geodatabase
Feature dataset
Feature class s.a.
Relazioni
Feature class
Domini
Tables
ArcCatalog
Case Tools (UML)
Il Geodatabase
Workspace
Geodatabase
Feature Dataset
Feature Class
Geometric
Network
Relationship
Object Class
I tipi di dati - Raster
• Un dato “Raster” non è collegato a nessun tipo di informazione
tabellare (salvo eccezioni)
• Un raster è adatto per descrivere fenomeni continui nello spazio
(per esempio: distribuzione di inquinanti, quota, ecc..)
• Un dato raster può servire come riferimento per l’acquisizione di
dati vettoriali
• Per lavorare con dati di tipo raster, ad alto livello, servono le
estensioni Spatial Analyst e 3D Analyst
I tipi di immagini raster
• Immagini fisiche: ogni pixel indica una misura effettuata in una zona di
territorio relativa ad una grandezza definita generalmente in modo continuo sul
territorio stesso
Immagine fisica
La misura può riferirsi a:
• valore medio che la grandezza
assume all’interno del pixel
• valore estremo
• valore che la grandezza assume
nel centro del pixel
I tipi di immagini raster
• Immagini classificate: ogni pixel assume il valore di un simbolo relativo ad
una zona di territorio. Una immagine classificata deriva da una immagine fisica
o da una conversione Raster-Vector
Immagine classificata
I tipi di immagini raster
• Immagini cartografiche: scansione di una carta (es. CTR) tramite strumento
rasterizzatore
Immagine cartografica
I tipi di immagini raster
• Immagini fotografiche: fotografie di oggetti (non possono essere ancorate al
territorio con un sistema di coordinate ma possono essere usate come attributi)
Immagine fotografica
I tipi di dati - Raster
• Utilizza come primitiva grafica il PIXEL
(Picture Element)
• Immagini in formato “*.tif”, “*.bmp”, “jpg”,
MrSid, Ecw, ….
• Immagini ERDAS-Imagine.img
• Arc/Info GRIDs
I tipi di dati - Raster
La struttura piramidale del raster
• Senza la struttura piramidale, l’intero raster deve essere letto
ad ogni ridisegno del display (dovuto a zoom od altro).
• Le piramidi registrano dataset files di ridotte dimensioni, di
estensione .rrd (reduced resolution dataset) per incrementare la
velocità di ridisegno del raster ed una migliore visibilità anche
a piccole scale.
• Quando si aggiunge un raster ad ArcMap, si può scegliere di
costruire la struttura piramidale
• Quello che avviene è un ricampionamento del raster ad
intervalli di scala
I tipi di dati - Raster
Raster Resampling
• Nearest Neighbor
– Closest cell
– Continuous and Discrete data
• Bilinear interpolation
– Average of nearest 4 cells
– Continuous data only
• Cubic Convolution
– Average of nearest 16 cells
– Continuous data only
Il formato raster GRID
Grid datasets:
– Struttura di tipo cellulare composta da celle quadrate di ugual dimensioni
memorizzate in righe e colonne.
– La definizione di un GRID richiede: (1) le coordinate dell’angolo in alto a sinistra,
(2) la dimensione della cella, (3) il numero di righe, (4) il numero di colonne, e (5) il
valore di ciascuna cella.
– Celle che non registrano alcun valore sono chiamate NODATA cells.
(x, y)
Number of rows
•
Cell size = 50 m
Number of columns
Cell size =Cell
10size
m
Il formato raster GRID
•
Grid datasets
Il formato TIN
• Triangular Irregular Network (TIN) Datasets:
– Dataset costruiti connettendo punti e con linee e costruendo dei triangoli.
– I lati dei triangoli sono costruiti connettendo i punti adiacenti, così da massimizzare il
minimo angolo di ciascun triangolo (tringolazione di Delaunay)
– Il formato TIN è efficiente per memorizzare dati, in quanto la risoluzione varia con i
parametri dei dati spaziali.
Il formato TIN
La triangolazione di Delaunay soddisfa il requisito che ogni cerchio disegnato
passante per tre punti non ne contiene nessun altro.
La triangolazione di Delaunay ha molti vantaggi rispetto alle altre metodologie
di triangolazione:
•I triangoli sono il più possibile equi-angolari, riducendo così i problemi di
elaborazione numerica creati da triangoli molto lunghi e stretti.
•La triangolazione è indipendente dall’ordine in cui i punti sono processati.
Il formato TIN
Alcuni esempi
Il formato TIN
Vantaggi
Svantaggi
Confronto TIN - GRID
TIN
GRID
•Abilità di descrivere
superfici a diversi livelli
di risoluzione
•Efficienza nella
registrazione dei dati
•Facile da creare e da
manipolare
•Facile integrazione con i
raster DB
•“smoother”, apparenza
più naturale delle
superfici di terreno create
•In molti casi richiede
una ispezione visiva e un
controllo manuale del
network
•Incapacità di utilizzare
varie dimensioni per il
grid così da poter
rappresentare aree di
diversa complessità
Introduzione ad ArcGIS
Client
ArcInfo
ArcEditor
ArcView
ArcExplorer
Browser
Html/JAVA
ArcIMS Service
ArcReader
ArcSDE Service
Server
ArcPad
Windows, Unix, Linux
File
Database
Dati
Client
Dati
ArcReader
Multi-user
Database
ArcView
Web
Service
File
ArcEditor
ArcInfo
Introduzione ad ArcGIS
ArcGIS è un pacchetto di software, usato per creare, visualizzare ed analizzare dati georiferiti
sviluppato dall’ Environmental Systems Research Institute (ESRI), Redlands, California.
ArcGIS
ArcView
ArcEditor
ArcInfo
ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox
•
ArcCatalog è usato per la navigazione fra i dati del DB e per il loro “managing”, per
visualizzarli e per crearne i metadati
•
ArcMap è usato per visualizzare dati spaziali, per fare analisi spaziale e per creare mappe
al fine di mostrare il risultato del lavoro fatto
•
ArcToolbox è una interfaccia per accedere ai tools di conversione dei dati e ad alcune
funzioni di analisi.
Introduzione ad ArcGIS
Le estensioni di ArcGIS
ArcCatalog-Editing metadati
Accuratezza e precisione
• Precisione: una misura della ripetibilità
• Accuratezza: una misura della affidabilità, è la differenza
tra la realtà e la nostra misura
1
3
4
2
Colpire un bersaglio
ArcCatalog-Editing metadati
Import Metadata
Stili disponibili:
Edit Metadata
Export Metadata
Create/update Metadata
Metadata Properties
• FDGC (Federal Geographic Data Committee)
• FDGC Classic
• FDGC ESRI
Da Metadata Properties si può attivare/disattivare
• FDGC Geography Network
l’update automatico dei metadati
• FDGC FAQ
• ISO Geography Network
• XML
ArcCatalog-Editing metadati
I Metadati devono includere informazioni su
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Data del loro “rilievo sul terreno” (es. Volo del 1992)
Data della generazione
Coordinate del contorno
Passi del la fase di processing
– Software usati
– RMSE, ecc.
Da dove viene l’origine
Chi ha processato i dati
Proiezione
Sistema di coordinate
Datum
Unità di misura
Scale spaziale
Definizione degli attributi
Chi contattare per ulteriori informazioni
Topologia
Comune B
Comune A
Topologia
• Modelli di Relazioni Spaziali tra features
– Connettività, Adiacenza, Prossimità
– Tra uno o più feature classes
• Rende migliori i modelli di
rappresentazione della Realtà
Land parcels
Soil
Adiacenza
Coastline
Bus route
Pipes
Streams
Country
boundary
Roads
Prossimità
Connettività
Topologia
Esistono due tipi differenti di topologia
Topologia ARCO-POLIGONO
Topologia ARCO-NODO
Topologia
COVERAGE Poligonale
Label-Points
Topologia
COVERAGE Lineare (archi)
Topologia
COVERAGE Topologia arco-poligono
Topologia
COVERAGE Topologia arco-nodo
Topologia
COVERAGE - Costruzione topologia
• Esempio Uso del Suolo
– Creazione topologia
classica con ArcToolbox
• Build: polygon, line, node
• Clean
Topologia
COVERAGE - Applicazioni topologia
– Elenco di tutti i poligoni adiacenti (I, II, … ordine) ad
ogni poligono di una coverage (es. Uso del suolo)
– Caratterizzazione delle relazioni intercorrenti tra corpi
idrici sotterranei (acquiferi) diversi ed adiacenti
– …..
Topologia
COVERAGE - Applicazioni topologia
• Esempio Uso del Suolo
– Elenco dei poligoni adiacenti a ciascun elemento della
Coverage
1
B
A
3
5
2
C
4
D
Arc#
L_poly R_poly L_use
1
A
B
….
2
C
A
….
3
C
B
…..
4
C
D
…..
5
D
B
…..
I poligoni adiacenti ad A sono quelli nei quali compare in L_poly o R_poly il
valore A
